孫國(guó)友 方書起 馬力 陳俊英 劉利平 白凈

摘要：設(shè)計(jì)一種新型秸稈洗滌裝置，并基于ANSYS Workbench對(duì)洗滌裝置進(jìn)行流固耦合分析，對(duì)葉片形式進(jìn)行選擇?；谶x擇的葉片形式，以玉米秸稈為原料對(duì)洗滌裝置進(jìn)行單因素試驗(yàn)研究，分別考察攪拌器轉(zhuǎn)速、進(jìn)水量、進(jìn)料速度等參數(shù)對(duì)洗滌后玉米秸稈含水量、洗滌裝置除雜率和單位產(chǎn)量功耗的影響?；趩我蛩卦囼?yàn)結(jié)果對(duì)洗滌裝置進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)研究，得到最佳操作條件：攪拌轉(zhuǎn)速為9.51 r/min，進(jìn)水量為1.37倍飽和進(jìn)水量，進(jìn)料速度為 1 410 kg/h。在此條件下洗滌時(shí)，達(dá)到洗滌要求的單位產(chǎn)量功耗最小，綜合效率最高，并設(shè)計(jì)1個(gè)三級(jí)洗滌裝置。

關(guān)鍵詞：新型秸稈洗滌裝置；含水量；除雜率；單位產(chǎn)量功耗；響應(yīng)面優(yōu)化

中圖分類號(hào)： S226文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）11-0187-05[HS）][HT9.SS]

我國(guó)是世界農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約7億t/年，位居世界第一[1-2]。農(nóng)作物秸稈已經(jīng)成為當(dāng)今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源[3]?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行農(nóng)作物秸稈有效生產(chǎn)燃料乙醇研究。在儲(chǔ)備農(nóng)作物秸稈時(shí)，由于收集、長(zhǎng)途運(yùn)輸和一些人為原因，原料中摻雜了泥沙、石子等雜物，這些雜物會(huì)影響后續(xù)工藝，增加設(shè)備的磨損和故障率，必須對(duì)收集的秸稈進(jìn)行除雜。經(jīng)水預(yù)浸處理之后，秸稈膨脹、纖維結(jié)構(gòu)蓬松，蒸汽爆破時(shí)熱蒸汽更容易進(jìn)入纖維內(nèi)部，可提高蒸汽爆破效果，但水分過多既影響爆破時(shí)的傳熱效果，對(duì)爆破產(chǎn)生不利影響[4-8]，又耗能。因此，現(xiàn)在多采用切碎、水洗、脫水等手段對(duì)秸稈進(jìn)行處理，以滿足后續(xù)蒸汽爆破的要求[9-10]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)多是借用造紙廠的水力碎漿機(jī)[11]，轉(zhuǎn)子對(duì)原料有強(qiáng)烈的洗滌和碾磨雙重作用，缺點(diǎn)是設(shè)備較笨重、動(dòng)力消耗大，不能除去細(xì)小雜物。因此，針對(duì)洗滌裝置的缺點(diǎn)和秸稈洗滌要求，自行設(shè)計(jì)一種新型秸稈洗滌裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、洗滌效率高、功耗小等特點(diǎn)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為玉米秸稈，采自河南省鄭州市高新區(qū)。對(duì)收集的玉米秸稈進(jìn)行晾曬、切碎，切碎后玉米秸稈的長(zhǎng)度為 10～30 mm。測(cè)得晾曬后玉米秸稈的含水量為12.56%，含雜量為7.28%。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

新型秸稈洗滌裝置適用于對(duì)玉米秸稈等農(nóng)作物秸稈的洗滌。該裝置包括進(jìn)料、洗滌、收集部分。進(jìn)料部分是采用螺旋進(jìn)料器；洗滌部分是1個(gè)臥式攪拌洗滌裝置；收集部分是采用斜篩網(wǎng)和收料桶（圖1）。

該洗滌裝置可通過變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速范圍為7、10、13、16 r/min，進(jìn)水量為1.0、1.2、1.4、1.6（飽和進(jìn)水量的倍數(shù)），進(jìn)料速度為500、1 000、1 500、2 000 kg/h。

其中，飽和進(jìn)水量指玉米秸稈進(jìn)料量被完全浸透所需要的吸水量，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間浸泡得到飽和含水量為81.86%。

飽和進(jìn)水量qV計(jì)算公式：

[JZ（][SX（]qm×12.56%+qVqm+qV[SX）]=81.86%。[JZ）][JY]（1）

式中：qm表示進(jìn)料速度，kg/h；qV表示飽和進(jìn)水量，L/h。

1.3試驗(yàn)洗滌指標(biāo)

對(duì)玉米秸稈進(jìn)行吸水試驗(yàn)研究，得到玉米秸稈含水量隨浸泡時(shí)間的變化曲線。從圖2中可以看出，玉米秸稈含水量隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，但是增長(zhǎng)速度變慢?？焖僭鲩L(zhǎng)區(qū)間位于前15 s，浸泡15 s時(shí)的含水量為73.25%。玉米秸稈中夾雜的大顆粒雜物很容易被洗滌掉，但是一些細(xì)小的雜物黏附在玉米秸稈上很難除去，把大顆粒雜物除去即可。因此，將洗滌指標(biāo)中玉米秸稈含水量定為73%，洗滌裝置除雜率定為90%。

式中：m1為烘干前濕物料質(zhì)量，kg；m2為烘箱烘干后物料質(zhì)量，kg；m3為洗滌前物料含雜量，kg；m4為洗滌后物料含雜量，kg；qm為洗滌裝置的進(jìn)料速度，kg/h；P為洗滌裝置總功耗，W；E為洗滌裝置的單位產(chǎn)量功耗，kJ/kg。

1.4葉片結(jié)構(gòu)的選擇

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)2種形式的葉片結(jié)構(gòu)：直葉片/后彎葉片結(jié)構(gòu)（圖3）。

后彎葉片的尺寸用后彎半徑表示，并設(shè)置后彎半徑 1 000、750、500 mm等3種尺寸。2種不同形式的攪拌葉片對(duì)玉米秸稈進(jìn)行洗滌時(shí)，洗滌功耗是不同的，可以運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對(duì)洗滌裝置進(jìn)行流固耦合分析[12-14]，得到不同葉片下的攪拌扭矩，選擇攪拌扭矩最小的葉片進(jìn)行洗滌試驗(yàn)研究，功耗最小。[FL）]

[FL（2K2]洗滌裝置對(duì)玉米秸稈進(jìn)行洗滌時(shí)，洗滌裝置上部攪拌區(qū)域的介質(zhì)為空氣，下部攪拌區(qū)域的介質(zhì)為洗滌水，攪拌葉片沒有完全浸沒在洗滌水中，攪拌區(qū)域不單一，整個(gè)攪拌洗滌過程涉及到變流場(chǎng)問題。試驗(yàn)中原料為玉米秸稈，玉米秸稈為多孔介質(zhì)，進(jìn)入洗滌水后會(huì)有吸水過程。綜合這兩方面的原因，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件不能對(duì)玉米秸稈的洗滌過程進(jìn)行模擬。對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的選擇，只須要知道在相同攪拌流場(chǎng)下不同葉片的相對(duì)功耗大小，不須要對(duì)實(shí)際攪拌流場(chǎng)進(jìn)行模擬。因此，對(duì)洗滌裝置的攪拌模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化為攪拌器在臥式圓柱形流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行攪拌，攪拌介質(zhì)為水，具體模型結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

模型主要尺寸：攪拌筒體直徑（nominal diameter，簡(jiǎn)稱DN）為1 400 mm，長(zhǎng)度為800 mm，攪拌軸直徑為Φ219 mm×6 mm， 攪拌葉片的攪拌外徑（DN）均為769 mm； 模擬攪拌轉(zhuǎn)

速為20 r/min。

基于ANSYS Workbench中的Fluent軟件對(duì)模型進(jìn)行流場(chǎng)分析，然后根據(jù)流場(chǎng)分析的結(jié)果，基于Static Structural軟件對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到直葉片、1 000 mm葉片、750 mm葉片、500 mm葉片下的攪拌扭矩，分別為37 613、33 763、30 223、29 768（N·mm）。

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析得到的攪拌扭矩，繪制攪拌扭矩隨葉片結(jié)構(gòu)的變化曲線。從圖5中可以看出，攪拌器采用直葉片時(shí)攪拌扭矩最大，并且攪拌扭矩隨著彎曲半徑的變小而減小，但是半徑小于750 mm以后基本不再變化。彎曲半徑越小，加工制造費(fèi)用越高。因此，綜合考慮選擇彎曲半徑為 750 mm。

2洗滌裝置的單因素試驗(yàn)研究

2.1攪拌器轉(zhuǎn)速對(duì)洗滌裝置洗滌效果的影響

試驗(yàn)操作條件：進(jìn)水量為1.4倍飽和進(jìn)水量，進(jìn)料速度為1 500 kg/h，攪拌器轉(zhuǎn)速分別為7、10、13、16 r/min。圖6為玉米秸稈含水量隨攪拌器轉(zhuǎn)速的變化曲線；圖7是洗滌裝置除雜率隨攪拌器轉(zhuǎn)速的變化曲線。

從圖6、圖7中可以看出，隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的提高，含水量和除雜率都是先增大再減小，在轉(zhuǎn)速為10 r/min時(shí)均達(dá)到最大。這是因?yàn)?，在相同的進(jìn)料速度下，秸稈在葉片上的堆積厚度隨轉(zhuǎn)速的增大而變小，秸稈在裝置中洗滌時(shí)間隨轉(zhuǎn)速的增大變短，堆積質(zhì)量越小、洗滌時(shí)間越長(zhǎng)越有利于洗滌。轉(zhuǎn)速過大、洗滌時(shí)間太短不利于洗滌，轉(zhuǎn)速過小、秸稈堆積厚度太大也不利于洗滌。在10 r/min時(shí)，葉片上秸稈堆積厚度和洗滌時(shí)間的雙重作用達(dá)到最佳，洗滌效果最好。還可以看出，在7、10、13、16 r/min的攪拌器轉(zhuǎn)速下分別需要洗滌4、3、3、4次才能滿足玉米秸稈含水量和洗滌裝置除雜率要求，通過公式（4）計(jì)算洗滌裝置的單位產(chǎn)量功耗，并繪制單位產(chǎn)量功耗隨攪拌器轉(zhuǎn)速的變化曲線。

從圖8中可以看出，隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的提高，洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗先降低后增高。攪拌器轉(zhuǎn)速為10 r/min時(shí)洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗最小，為7.62 kJ/kg。

2.2進(jìn)水量對(duì)洗滌裝置洗滌效果的影響

試驗(yàn)操作條件：進(jìn)料速度為1 500 kg/h，攪拌器轉(zhuǎn)速為 10 r/min，進(jìn)水量分別為1.0、1.2、1.4、1.6倍飽和進(jìn)水量。圖9是含水量隨進(jìn)水量的變化曲線；圖10是除雜率隨進(jìn)水量的變化曲線。

從圖9、圖10中可以看出，隨著進(jìn)水量的增大，含水量和除雜率都是一直增大，而且進(jìn)水量小于1.4倍飽和進(jìn)水量時(shí)增長(zhǎng)速度較快，大于1.4倍飽和進(jìn)水量后基本不再變化。在同一個(gè)進(jìn)水量下，隨著洗滌次數(shù)的增加，玉米秸稈的含水量和洗滌裝置除雜率的增大幅度變小。這是因?yàn)?，在相同的進(jìn)料速度和攪拌轉(zhuǎn)速下，隨著進(jìn)水量的增大，對(duì)玉米秸稈的沖刷作用增強(qiáng)，洗滌效果變好；但是進(jìn)水量過大時(shí)，對(duì)秸稈的沖刷作用不能進(jìn)一步增強(qiáng)，不僅不能提高洗滌效果，而且造成大量洗滌水從出料口排出，浪費(fèi)水資源。還可以看出，在1.0、1.2、1.4、1.6倍飽和進(jìn)水量條件下分別需要洗滌4、4、3、3次才能滿足洗滌要求。通過公式（4）計(jì)算洗滌裝置的單位產(chǎn)量功耗，并繪制單位產(chǎn)量功耗隨進(jìn)水量的變化曲線。從圖11可以看出，進(jìn)水量為1.4倍飽和進(jìn)水量時(shí)，洗滌裝置的單位產(chǎn)量功耗最小，為7.62 kJ/kg。

2.3進(jìn)料速度對(duì)洗滌裝置洗滌效果的影響

試驗(yàn)操作條件：進(jìn)水量為1.4倍飽和進(jìn)水量，攪拌器轉(zhuǎn)速為10 r/min，進(jìn)料速度分別為500、1 000、1 500、2 000 kg/h。圖12是玉米秸稈含水量隨進(jìn)料速度的變化曲線；圖13是除雜率隨進(jìn)料速度的變化曲線。

從圖12、圖13中可以看出，隨著進(jìn)料速度的增大，含水量和除雜率減小，而且進(jìn)料速度越大，減小速度越快；同一個(gè)進(jìn)料速度下，隨著洗滌次數(shù)的增加，含水量和洗滌裝置除雜率的增大幅度均變小。這是因?yàn)?，在相同攪拌轉(zhuǎn)速下，秸稈在洗滌裝置中的洗滌時(shí)間相同，但是隨著進(jìn)料速度的增大，葉片上秸稈的堆積厚度變大，不利于對(duì)秸稈進(jìn)行分散攪拌洗滌，洗滌效果會(huì)變差。

從圖12、圖13中可以得到，在500、1 000、1 500、2 000 kg/h 進(jìn)料速度條件下分別須要洗滌3、3、3、4次才能滿足洗滌要求。通過公式（4）計(jì)算洗滌裝置單位產(chǎn)量的功耗，并繪制單位產(chǎn)量功耗隨進(jìn)料速度的變化曲線。從圖14中可以[CM（25]看出，進(jìn)料速度為1 500 kg/h時(shí)洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗最[CM）][FL）]

3響應(yīng)面試驗(yàn)研究

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以攪拌器轉(zhuǎn)速（A）、進(jìn)水量（B）、進(jìn)料速度（C）3個(gè)因素為變量，設(shè)計(jì)3因素3水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)（表1）。在試驗(yàn)中對(duì)玉米秸稈進(jìn)行洗滌時(shí)，主要考察達(dá)到洗滌要求時(shí)的單位產(chǎn)量功耗。因此，以洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗為響應(yīng)值（Y），進(jìn)行響應(yīng)面分析試驗(yàn)，方案及結(jié)果如表2所示。表中1～12號(hào)是析因試驗(yàn)，13～17號(hào)是中心試驗(yàn)，中心試驗(yàn)用以估計(jì)試驗(yàn)誤差[15]。

對(duì)模型進(jìn)行方差分析和可信度分析，模型P<0.000 1，該回歸模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。判定系數(shù)R2=0.996 8說明該模型的擬合度非常好。模型失擬項(xiàng)F值為4.37（P>0.05），失擬值和純誤差沒有顯著性關(guān)系，回歸模型在被研究的整個(gè)回歸區(qū)域不失擬，該模型能用于指導(dǎo)試驗(yàn)。

對(duì)洗滌裝置響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)研究，得到單位產(chǎn)量功耗最小的操作條件：攪拌器轉(zhuǎn)速為9.51 r/min，進(jìn)水量為1.37倍飽和進(jìn)水量，進(jìn)料速度為1 410 kg/h。此操作條件下，單位產(chǎn)量功耗為7.18 kJ/kg。在該操作條件下對(duì)洗滌裝置進(jìn)行3次試驗(yàn)研究，得到3次試驗(yàn)的平均單位產(chǎn)量功耗為7.31 kJ/h。試驗(yàn)結(jié)果與模型的預(yù)測(cè)值比較之間誤差為1.81%，說明該模型可以較好地預(yù)測(cè)洗滌裝置的單位產(chǎn)量功耗。

4多級(jí)洗滌裝置

利用新型秸稈洗滌裝置對(duì)玉米秸稈進(jìn)行洗滌試驗(yàn)研究，均需要洗滌3次才能達(dá)到洗滌要求。該洗滌裝置只能實(shí)現(xiàn)單級(jí)洗滌，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化洗滌，需要多次洗滌時(shí)，操作麻煩。因此，可以設(shè)計(jì)1個(gè)多級(jí)洗滌裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)原料進(jìn)行連續(xù)多次洗滌，直接達(dá)到洗滌要求，操作簡(jiǎn)單。圖15為1個(gè)三級(jí)洗滌裝置，可以對(duì)原料進(jìn)行連續(xù)3次洗滌。[FL）]

5結(jié)論

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)一種新型秸稈洗滌裝置，并設(shè)計(jì)2種結(jié)構(gòu)的攪拌葉片?；贏NSYS Workbench軟件，在臥式圓柱水流場(chǎng)下對(duì)不同的葉片進(jìn)行流固耦合分析，得到不同葉片的攪拌扭矩，得到后彎半徑為750 mm時(shí)，攪拌功耗最小。采用后彎半徑為750 mm的葉片，以玉米秸稈為原料對(duì)新型秸稈洗滌裝置進(jìn)行單因素洗滌試驗(yàn)研究，主要研究攪拌轉(zhuǎn)速、進(jìn)水量和進(jìn)料速度3個(gè)參數(shù)對(duì)玉米秸稈含水量、洗滌裝置除雜率和單位產(chǎn)量功耗的影響。結(jié)果表明：攪拌器轉(zhuǎn)速太大和太小時(shí)，洗滌效果均不好；進(jìn)料量的增大有利于提高洗滌效果，但進(jìn)水量太大時(shí)，不但不再提高洗滌效果，而且增加了進(jìn)水功耗；隨著進(jìn)料速度的增大，玉米秸稈在洗滌裝置中分散效果變差，洗滌效果變差。通過響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)研究，得到洗滌裝置的最佳操作條件：攪拌轉(zhuǎn)速為9.51 r/min，進(jìn)水量為1.37倍飽和進(jìn)水量，進(jìn)料速度為1 410 kg/h。在此條件下對(duì)玉米秸稈進(jìn)行洗滌時(shí)，洗滌裝置的單位產(chǎn)量功耗最小，綜合效率最高，并設(shè)計(jì)一種多級(jí)洗滌裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈原料的連續(xù)多次洗滌，操作方便。

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