带直扬料板回转筒内秸秆碎料运动与混合机理研究

周敬之 冯俊小,2 周知星 李十中

(1.北京科技大学能源与环境工程学院， 北京 100083； 2.冶金工业节能减排北京市重点实验室， 北京 100083；3.清华大学核能与新能源技术研究院， 北京 100084)

引言

我国年产秸秆6～8亿t，处理方式主要是粉碎还田和制牲畜饲料等[1]。清华大学等研发连续固态发酵技术，乙醇化回收秸秆中糖分[2-5]，料糟可还田[6]，制牲畜饲料和燃料[7]，或压制板材，显著提高了秸秆的经济化利用水平。特别是在难以种植产粮作物的盐碱地，种植耐盐碱的产秆作物，结合该技术，使土地有了经济化利用可能。该工艺廉价、清洁、操作简单，已在国内外工业试点，取得较好的经济和环境效益[8-9]。以耐盐碱甜高粱秆为例，吨秆可获75kg无水乙醇。

在固态发酵过程中，传统的“发酵坑”生产不连续，工人劳动强度大，生产环境脏乱差。且料床静止不运动，而秸秆碎料的热导率低、接触热阻大，使发酵热容易积累，料床局部过度升温而热死酵母菌，降低发酵效率、延长发酵时间。清华大学基于回转筒研发连续固态发酵罐，自动化装出料，生产环境整洁，转筒可翻动发酵料避免热积累，较好解决了前述问题。

在筒内加设扬料板可显著提高料床的翻动效率，减小筒体体积，提高发酵效率，缩短发酵时间。带折角扬料板适用于可以自由流动的、无粘性粉体颗粒，直扬料板更适用于流动性差的粘性颗粒和杆状颗粒，且制作和维护成本相对于带折角扬料板更加低廉。秸秆碎料颗粒为杆状，含糖含水，具备较强的纠缠性和粘性，导致料床稳定性强、流动性差，颗粒总是结团运动，故适合使用直扬料板。国内外就直扬料板对植物碎料类颗粒运动的影响的研究较少，扬料板的选用有一定的盲目性。

目前，国内外对秸秆碎料动力学性质的研究，多针对其自然堆积特性和可压缩特性，对回转筒内的运动特性研究尚少；对杆状颗粒的研究，多为自然堆积过程中的静态/动态休止角，气体/液体流化床内的流化特性，金属管内夯实特性，杆状颗粒的震动分离方法；对回转筒内颗粒运动的研究，多针对无粘性的球形或块状颗粒；对杆状颗粒的研究尚停留在仿真初探阶段，且仿真颗粒的尺寸比秸秆碎料颗粒大几倍，可仿真颗粒数量少，无粘性也无挠度，尚无法有效代表实际的秸秆碎料[10]；对直扬料板的研究，多为回转筒干燥机入口段设计研究，并未将扬料板作为设备主要部件进行细致研究；就扬料板对回转筒内物料运动影响的研究，多针对带折角的扬料板，针对无粘性球状、块状干粉颗粒，研究关注点为颗粒的6种运动模式，扬料板的持料量，颗粒的安息角、撒尽角，颗粒抛洒过程中与筒内空气的换热效率等[11-22]。本文作者先前对回转筒内秸秆碎料运动的研究，只针对无扬料板下的料床运动模式，不包含扬料板的作用[23]。

秸秆碎料在带直扬料板回转筒内的运动模式非常复杂，完全不同于干粉颗粒的6种模式，干粉颗粒的相关研究成果难以适用[24-25]。因此本文采用图像分析等方法，实验研究扬料板对秸秆碎料运动的影响。

1 实验设计与研究方法

秸秆碎料热导率低、接触热阻大，颗粒之间的混合对发酵热均匀化的重要性远大于颗粒间导热。颗粒的混合效率，可以用筒内沿截面任意方向上50%的颗粒与另50%颗粒的完全混合用时来表征。完全混合时间越短，代表发酵热越能尽快均匀，料床越能避免积热。

采用耐盐碱甜高粱的秆粉碎料，参考实验室级回转筒连续固态发酵罐设计实验台，研究秸秆碎料在不同长度、数量的直扬料板作用下在回转筒内的运动过程，二元料层完全混合时间，定量化找到能最快均匀发酵热的扬料板方案；并剖析、归纳、总结扬料板作用下的颗粒运动模式、扬料板的作用形式等。

(1)实验设备

图1 秸秆碎料回转筒内运动研究实验台结构示意图Fig.1 Platform for studying movement of crushed straw material in rotary drum with straight plates1.回转筒 2.齿轮箱 3.电动机 4.底座支架 5.相机

参考实验室级回转筒连续固态发酵罐，设计秸秆碎料回转筒内截面运动研究实验台(图1)。回转筒内半径R为200 mm，与实验室级发酵罐的内半径相同；深120 mm，大于秸秆碎料颗粒特征尺寸10 mm的10倍，可消除边界效应；筒内可插接1/2/4块扬料板，板长4种可调，为0.15R、0.35R、0.55R、0.75R。相机为佳能LEGRIA HF706型，标准摄像模式。

(2)实验材料

取山东省东营市产耐盐碱、耐干旱甜高粱秆,用高喷-500型秸秆粉碎机粉碎；用ImageJ软件测量单层秸秆碎料照片，测得碎料主要为1 mm×10 mm的杆状颗粒；用干燥箱测得秸秆碎料含水率为60%。将部分秸秆碎料用染料染黑，另一部分保持原有黄色。经计算，向染色料和未染色料分别加适量水，各自配成含水率70%的秸秆碎料，与加入酵母菌液后的发酵用秸秆碎料的含水率相同。

(3)研究方法

将染色料与未染色料等体积平铺在筒内，形成上下两色料层。筒体转动带动两色料混合，料床截面颜色由黑黄两层渐变为均一深灰，两色料混合过程与料床截面颜色变化过程同步，则料床截面颜色状况可表达两色料的混合程度[26-27]。截面颜色均匀得越快，代表两色料混合越快。需要注意的是，由于筒体转动，上下分布的两色料在几秒内会变成左右分布，故将两色料按照上下取向铺放还是其他取向铺放，均不影响研究结果，混合的实质仍是料床沿筒体截面任一方向上的一半料和另一半料的混合。

用步进电动机带动筒体转动，相机连续拍摄回转筒截面照片；用Photoshop擦除照片的无关背景和杂色，将照片二值化为阈值图；对阈值图划分网格，进行图像分析：由于有料区的黑像素密度大于零，未染色料区的黑像素点密度显著低于染色料区和已混合料区，则根据网格中黑像素密度便可判断并计算出总料格数和未染色料格数。显而易见，未染色料格数与总料格数的比值量纲为1，并随着两色料的混合从0.5逐渐降为0，混合过程和该比值的降低过程同步，则该比值可表达两色料的混合程度。相对于接触数等常用混合程度指标，计算该混合度无需知道颗粒间的细节接触情况，这非常适用于实验研究。计算式为

Imix=N0/N

式中Imix——混合度

N0——未染色料格数

N——总料格数

大量数据分析表明，黑像素点密度[0.1,0.7]为未染色料格，则(0.7,1]为染色或混合料格。大量数据分析表明，黑像素点密度[0.1,1]均为有料格。

网格划分精细度会影响Imix计算准确度，大量数据分析表明，8 mm边长网格划分下计算出的Imix相对准确。

按上述图像分析方法，用Visual Studio编写软件，导入阈值图分析得各时刻的Imix。作Imix-T(时间)点图并发现，Imix随时间呈线性降低，故采用线性拟合，拟合线上点降低为零的时间即两色料的完全混合时间Tc(图2)。

图2 图像分析法求Imix及Tc流程图Fig.2 Flow chart of image analysis to calculate Imix and Tc

(4)实验方案

筒内料体积填充率50%，筒体转速1 r/min，均与实验室级回转筒连续固态发酵罐相同；考察扬料板数：1/2/4；考察扬料板长：0.15R/0.35R/0.55R/0.75R。对照组：无扬料板。共13项实验。每项实验重复5次，然后求5次Tc的平均值，作为该项实验的Tc。共65次实验，得13个Tc平均值。本实验为完全实验，但同时可进行正交分析。

(5)实验过程

①在回转筒内安装1块0.15R的直扬料板，将筒体转至扬料板位于筒最底端。②取体积为25%筒容积的染色料，平铺在回转筒内，形成染色料层，再取体积为25%筒容积的未染色料，铺设在染色料层上方，形成未染色料层。③盖好筒体端板，打开相机，转动筒体，开始摄像，待筒内两色料完全混合后，先关闭电动机，再停止摄像。④清理筒内秸秆碎料，卸下扬料板，为下次实验做准备，同时将摄像结果导入计算机，导出每秒的截图。⑤对截图进行图像分析，得各时刻的Imix和本次实验的Tc。⑥重复4次本实验，得5个Tc，求其平均值作为本项实验的Tc。⑦同法完成其他12项实验，累计得到13个平均值Tc，结果如表1。

表1 各项实验的TcTab.1 Tc of each test s

2 实验结果与分析

2.1 实验结果的数据分析

观察云图可知(图3)，总体上，Tc向“单+长板”和“多+中长板”两级化降低，向“多+短板”和“多+长板”两极化升高。但“单+长板”情况下筒体受力更不平衡、筒体底座受力波动更大，故具体设计和选用扬料板时，应选择“多+中长板”情况，避免“多+短板”和“多+长板”情况。

图3 不同扬料板长度和数量下的Tc云图Fig.3 Cloud chart of Tc under different lengths and numbers of plates

正交均值分析表明，1块板×0.55R情况为最优水平组合，Tc最小。然而，完全实验的结果是4块板×0.55R情况Tc最小。由于正交均值分析不一定能检出完全实验最优水平，均值分析所得最优水平组合只能作参考，故以完全实验结果为准，取4块板×0.55R情况为相对最快混合方案。

正交极差分析表明，对Tc的影响，扬料板长大于扬料板数，但两者在同数量级。正交方差分析表明，扬料板长和扬料板数对Tc的影响均显著。交互作用分析表明，扬料板长和扬料板数存在明显的耦合作用。

整体而言，单板时，板长增加只会促进两色料的混合；双板时，0.15R综合效果阻碍两色料混合，0.55R时混合最快；4块板时，0.15R和0.75R综合效果阻碍混合，0.55R时混合最快。扬料板长和扬料板数的效应曲线如图4红点线：Tc随板长增加先降低后升高、类余弦函数规律，随板数增多波动性降低，类指数函数规律。

就曲线的变化趋势而言，随板数增多，“Tc-板长”线从非线性降低突变为“V”型，且V的下降段越发陡峭、V的上开口越发增宽；随板长增加，“Tc-板数”线从波动性下降突变为根号型变化，其中0.15R～0.55R为波动性下降，整体下降幅度逐渐增大。以上两变动趋势可以用图4中的趋势线所示。

以上结论只适用于实验室级回转筒固态发酵罐。对工业级回转筒，由于设备放大，扬料板的影响可能发生变化，不能照搬以上结论，而需采用以上方法进行实验研究。

图4 不同扬料板长度、扬料板数的Tc变化曲线及变化趋势线Fig.4 Changing curves of Tc under different lengths and numbers of plates

2.2 颗粒主要运动模式、扬料板的影响及两色料混合机理分析

通过观察实验摄像结果和截图，分析、提炼、总结秸秆碎料颗粒运动模式、扬料板的作用及两色料的混合机理。为便于分析和描述，对料床各特征部位定义如图5，灵感取自物理学的“咬尾蛇”。扬料板面向筒体前进方向的一面为板前，背向前进方向的一面为板后。

图5 料床各特征部位名称Fig.5 Name of each characteristic part of material bed1.料头 2.料尾 3.落料 4.板前 5.板后

2.2.1无扬料板时颗粒主要运动模式及两色料混合机理分析

无板时，颗粒主要运动模式为周期回转，已建立料床回转周期模型[27]。两色料混合的机理有2种：

(1)落料撞击料尾斜面后撞开、滚动挫散

落料发生在料头区，落料始终为料团，落料在半空中逆时针旋转后在料尾上撞散，或在料尾斜面上滚动、被边界层摩擦力挫散开，如图6所示。无论是撞开还是滚动挫散，落料料团内颗粒间相互位置相对于落料前都发生了剧烈变化，因此当落料料团内包含两种颜色的颗粒时，料团内两色料的混合程度势必会增加，进而增加了料床整体的两色料混合度。非落料区内颗粒间相对位置变化不明显，可认为不发生两色料的混合。这揭示了两色料混合的根本机理：颗粒间相对位置变动越频繁、变动幅度越大、变动范围越均布在整个料床，两色料的混合越快。

图6 落料撞击料尾斜面后撞开、滚动挫散Fig.6 Falling material impact, roll and break up on bed tail

此外，撞开、滚动挫散现象可解释筒内聚小球现象的成因(图7)：落料落在料尾斜面上，因颗粒粘性和纠缠性产生“滚雪球”效应[28-29]。这种颗粒主要运动模式不改变，团聚小球现象就无法消除，小球不利于颗粒积热扩散和发酵后的乙醇提取。

图7 回转筒固态发酵过程中的团聚小球现象Fig.7 Balling phenomenon in rotary drum in solid-state fermentation process

(2)异色料嵌入

当料头下部颗粒的颜色与料头上部颗粒、料尾颗粒的颜色不同，且料头下部先落料、料头上部后落料时，可能会发生异色料嵌入。如图8所示，料头下部颗粒为黑色，料头上部和料尾颗粒均为黄色，料头下部颗粒先落在黄色的料尾上，又被料头上部的黄色落料覆盖，脱离黑色料区，完全嵌入了黄色料区中。从统计学上讲，该现象利于两色料的混合，并揭示了一切混合过程的一个重要机理：A色料的料团完全脱离A色料区、嵌入B色料区之中，该现象发生得越频繁，两色料混合越快。

图8 异色料嵌入Fig.8 Embedding of material with different colors

2.2.2有扬料板时颗粒主要运动模式、两色料混合机理及扬料板的作用分析

2.2.2.1单板情况

板长0.15R时，颗粒主要运动模式与无板情况非常类似，为周期回转，受扬料板的影响不明显。扬料板对颗粒运动和两色料混合的作用有：抬料、切落料、挡落料、板隔料。4种作用均不显著，两色料混合机理可看作与无板情况相同。相对于无板情况，Tc降低5 s，占无板Tc的0.7%，可以忽略。因此，可用无板情况的料床回转周期模型预测0.15R单板的Tc。

板长0.35R时，颗粒主要运动模式为周期回转，且受扬料板的影响比较明显。扬料板对颗粒运动和两色料混合的作用有：抬料、切落料、挡落料、板隔料、上挡料。5种作用比较显著，已不能忽略。两色料混合机理除了与无板情况相同的2种外，还增加了如上5种，其中挡落料阻碍两色料混合。相对于无板情况，Tc降低120 s，为无板Tc的15.7%。

板长0.55R时，颗粒主要运动模式为周期回转，且受扬料板的作用明显。扬料板对颗粒运动和两色料混合的作用有：抬料、上挡料、塌拱桥、反持料、顶持料、板前空洞内落料、板隔料。7种作用均显著，不能忽略。两色料混合机理除了无板情况的2种外，还增加了上述7种。相对于无板情况，Tc降低195 s，为无板Tc的25.5%。

板长0.75R时，颗粒主要运动模式为周期回转+塌拱桥，且受扬料板的作用非常明显。扬料板对颗粒运动和两色料混合的作用有：抬料、上挡料、塌拱桥、反持料、板前空洞内落料、料床小空洞蠕变、板隔料。7种作用均显著，不能忽略。两色料混合机理除了无板情况的2种外，还增加了上述7种。相对于无板情况，Tc降低345 s，为无板Tc的45.1%，非常显著。

扬料板的作用解释如下：

(1)抬料(图9)

0.15R时，板可抬动极少量料。由于板短，抬料未与料床完全分离，便立刻一次性落回料床原位置，抬料内部及抬料与料床原相邻颗粒之间的相对位置变化不明显，抬料对两色料混合的影响可忽略。

0.35R时，抬料量和持料时间有少量增加，但抬料仍未完全脱离料床，便一次性落回料床。不同的是，抬料落回料床过程中有较小的弯折蠕变，颗粒间相对位置有较小变动，对两色料混合有轻微促进作用；且抬料落回料床时对料头后部有一定的冲击力，有时会使料头提前剥离料床、发生落料，理论上对两色料混合有促进作用。

0.55R时，抬料量与持料时间进一步增加，抬料有时会与料床完全分离，落回料床时便不会发生撞击料头后部的现象；抬料分多次落回料床，这比一次性落料更利于打开抬料料团内部、利于两色料混合。此外，抬料时料床至高点有些提升(图10)，被抬料的落差增大，落料撞击料床时的速度有增加，理论上更利于落料撞散，对两色料混合有促进作用，但仅仅增加几厘米落差，落料撞击料床时的速度几乎不变，对两色料混合的促进作用可以忽略。该现象仅帮助工作人员了解筒内物料分布状况。

图9 抬料Fig.9 Lifting of material

图10 抬料提高料床至高点Fig.10 Higher bed peak because of lifting

0.75R时，抬料量进一步增加，而持料时间再无变化；板上料分多次落回料床，利于两色料混合；抬料使料床至高点进一步提升，板上料落差进一步增大，但对两色料混合的促进作用仍可忽略。

(2)切落料(图11)

当扬料板距料尾较近，落料可能砸在扬料板上受板剪切，落料内颗粒间相对运动受到促进，当落料包含两色颗粒时，切落料利于两色料混合。0.15R时，由于板短，切落料作用微弱，可忽略。切落料后，板前有极小概率存在小空洞状无料区。0.35R时，切落料变得更加剧烈，对两色料混合的促进作用已不能忽略。切落料后，板前全部为无料区。0.55R和0.75R时无切落料现象。

图11 切落料Fig.11 Shearing of material

(3)挡落料(图12)

当扬料板距料尾稍远，落料可能落在扬料板前端被板挡住而无法摊开，这会阻碍颗粒扩散和颗粒间相对运动，当落料包含两色颗粒时，挡落料便不利于两色料混合。0.15R时，板短且少，该作用十分微弱，可忽略。0.35R时，板可挡更多的料，但挡落料的出现概率却因板长增加显著降低，只占切/挡落料出现率的28.6%，这是由于长板更容易发生切落料，如图13所示。0.55R和0.75R时无挡落料。

图12 挡落料Fig.12 Tail intercepting of material

图13 板长增加时挡落料出现率降低示意图Fig.13 Sketch of reduction of tail intercepting rate when plate length was increased

(4)板隔料(图14)

当扬料板处在料床的非落料区内，会阻碍板两侧颗粒因自重产生的挤压和粘结，理论上这会提高料床的局部松散度，使得料床更松散，更容易出现少量落料，更容易发生落料撞击料尾斜面后撞开、滚动挫散及异色料嵌入，对两色料混合有提速作用。这种作用会随着扬料板加长而逐步增强。

图14 板隔料Fig.14 Partition of material by plate

(5)顶持料

秸秆碎料颗粒的粘性和纠缠性，使料团有时可抵抗一定的剪切力。当扬料板较长、与料床夹缝较小时，落料可能被扬料板顶在板与料床的夹缝处，而非被板切开。顶持料使料床下一次落料会绕过顶持料先落在筒壁上，打破了料床有序排队落料的周期回转模式，让料床颗粒间相对位置产生了较大变化，利于两色料混合(图15)。落料越松散，顶持料越不易出现。0.15R和0.35R时，有切落料和挡落料现象，无顶持料现象；0.75R时，塌拱桥后，板后料始终和料床连为一体，完全覆盖住扬料板末端，因此不会有顶持料现象。

图15 顶持料Fig.15 Jacking of material

(6)上挡料，塌拱桥，反持料

图16 上挡料、塌拱桥、反持料、顶持料、板前空洞内落料、料床小空洞蠕变示意图Fig.16 Sketches of bed head intercepting, bridge collapse, back holding, jacking, inside falling and creep deformation of holes

扬料板挡住料头上部，会使料头下部更易先落料，对异色料嵌入的发生有促进作用，利于两色料的混合。板长0.15R时不会发生上挡料。板长0.35R时，上挡料持续时间过短，发生1或2次料头下部先落料，板便与料彻底分离。当板料彻底分离、所挡料发生落料时，落料不像自然落料那样逆时针旋转，而是顺时针旋转落在料尾上。0.35R上挡料过程如图16a。

板长0.55R时，上挡料可持续到板与料床之间形成拱桥，拱桥下部有剥离性落料；塌拱桥时，拱桥中段坍塌先落至料尾，打破了料头先落至料尾的有序周期回转模式；塌拱桥后，扬料板会反向持有之前挡住的料头，形成反持料；反持料期间，主料床仍在继续落料，这使反持料与其原相临的颗粒分离得更远；反持料在倾至一定角度后滑落至筒壁，由此出现主料床、反持料两个落料区；反持料使扬料板末端大大加宽，板对落料的剪切能力大大减弱，更容易发生顶持料现象。以上过程如图16b。

板长0.75R时，板与料床依然会形成拱桥，在桥下部和料头均会发生落料；塌拱桥时，扬料板已运动至第三象限，板后料会直接落在筒内壁上，自始至终和料床连为一体，完全覆盖住扬料板末端，因此不会有脱离料床的反持料现象，之后也不会发生切落料、挡落料；塌拱桥后，在板前有较大的板前空洞，发生板前空洞内落料，在料床中随机形成小空洞，发生料床小空洞蠕变现象。该过程如图16c。

上挡料，塌拱桥，反持料，打破了周期回转模式的有序性，又时常产生多个落料区，料床颗粒之间相对位置变化非常剧烈，对两色料混合的提速作用极其显著。以上还揭示了一切混合过程的另一个重要机理：落料区越多，两色料混合越快；此外，从统计学上可知，落料区越均匀分布在料床各处，两色料混合越快。

(7)板前空洞内落料，料床小空洞蠕变(图17)

板长0.55R时发生塌拱桥或顶持料后，板长0.75R时发生塌拱桥后，扬料板前都会产生较大的料床空洞，空洞大至其内会发生落料，由此出现料床和板前空洞两个落料区，从统计学上看，落料区增多利于两色料混合。多数情况下，板前空洞会因空洞内落料和料床蠕变而被逐渐填满；少数情况下，板前空洞无法被填满，使下次的抬料量减少、抬料更疏松，降低抬料对两色料混合的促进作用。此外，板长0.75R时，在塌拱桥后，料床内会随机形成若干小空洞，空洞过小而不会发生空洞内落料，但空洞会因料床蠕变而被迅速填满，空洞附近颗粒间相对位置会有较小变化，理论上这对两色料混合有促进作用，但较小。

图17 板前空洞内落料、料床小空洞蠕变示意图Fig.17 Sketches of inside falling and creep deformation of holes

2.2.2.2双板情况

板长0.15R时，颗粒主要运动模式与无板情况类似，为周期回转，受扬料板的影响不明显。扬料板对颗粒运动和两色料混合的作用有：抬料、切落料、挡落料、板隔料。4种作用除挡落料外均不显著，可以忽略。扬料板切/挡落料发生频率为单板情况2倍，其中挡落料占挡/切落料的出现率相对于单板情况大幅上升，挡落料因出现率大幅上升使其影响已不能忽略。非落料区内有且仅有一块扬料板存在，板隔料的影响程度同单板情况，故可忽略。总体而言，两色料混合机理除了无板情况的两种，还包括挡落料，挡落料是阻碍两色料混合的主要原因。相对于无板情况，Tc延长60 s，为无板Tc的7.8%。

板长0.35R时，颗粒主要运动模式为周期回转，受扬料板的影响比较明显。扬料板对颗粒运动和两色料混合的作用有：抬料、板隔料、切落料、挡落料、上挡料。5种作用均显著，不可忽略。单次抬料过程类似0.35R单板情况，抬料出现率加倍使抬料影响变强；非落料区内可同时有1或2块扬料板，板隔料作用增强；扬料板切/挡落料发生频率为单板情况2倍，其中挡落料出现率占挡/切落料出现率进一步提升，这是由于板隔料作用加强使料床更松散，料床更容易发生小料团落料，而只有小料团落料才能通过板和料床之间的夹缝，发生挡落料现象。单次上挡料过程类似0.35R单板情况，上挡料出现频率加倍，挡落料影响变强。总体而言，两色料混合机理除了无板情况的2种，还增加了上述5种，挡落料极大阻碍了两色料混合。相对无板情况，Tc降低30 s，为无板Tc的3.9%。

板长0.55R时，颗粒主要运动模式为塌拱桥，次要运动模式为周期回转。扬料板对颗粒运动和两色料混合的作用有：抬料、切落料、板隔料、上挡料、塌拱桥、反持料、顶持料、板前空洞内落料。8种作用均显著，不可忽略。单次抬料过程类似0.55R单板情况，抬料出现率加倍使抬料影响变强；两块扬料板始终与料床接触，板隔料作用增强。塌拱桥出现两种模式：拱桥中心垮塌，双半圆区落料坍塌。这8种作用都明显，不能忽略。两色料混合机理除了无板情况的两种，还增加了上述8种。挡落料是唯一阻碍两色料混合的作用。相对于无板情况，Tc降低260 s，为无板Tc的34.0%，非常显著。

板长0.75R时，颗粒主要运动模式为塌拱桥中的双半圆区落料坍塌，次要运动模式为周期回转。扬料板对颗粒运动和两色料混合的作用有：抬料、板隔料、上挡料、塌拱桥(仅双半圆区落料坍塌)、顶持料、板前空洞内落料、料床小空洞蠕变。7种作用均显著，不可忽略。与0.75R单板情况不同，板发生抬料时，抬料不会脱离料床，抬料对两色料混合的促进作用显著减弱。板加长、板间缝隙减小使拱桥下部的剥离性落料显著减弱，不再发生穿缝式剥离性落料,拱桥存在期间两色料混合速度大幅度减慢。双半圆区落料坍塌后，处于料床内的扬料板其前产生空洞的概率增加，会发生板前空洞内落料；未与料床接触的扬料板，之后会发生顶持料。总体而言，两色料混合机理除了与无板情况相同的2种外，还增加了上述7种。但相对于0.75R单板情况而言，扬料板的作用种类减少，各作用对两色料混合的促进作用减弱，使0.75R双板情况的混合速度反而不如单板情况。相对于无板情况，Tc降低80 s，为无板Tc的10.5%。

(1)拱桥中心垮塌(图18)

拱桥中段向两板夹缝中间垮塌。垮塌前，在拱桥下部有剥离性落料；垮塌后，扬料板前形成板前空洞，板后料形成不脱离主料床的反持料，板抬料也同时出现。

图18 拱桥中心垮塌Fig.18 Core space collapse

(2)双半圆区落料坍塌(图19)

由于两板夹缝小且料比较致密，难以发生可导致拱桥中心垮塌的大流量穿缝落料，料床主体被扬料板分在两半圆区内，当扬料板方位接近竖直，两半圆区内分别落料使拱桥坍塌。坍塌前，拱桥上表面有少量滑动落料，拱桥下表面有少量剥离性落料穿过双板夹缝进入另一半圆区，但在0.75R情况时，拱桥下部不发生穿缝式落料。坍塌后，0.55R时，随筒体转动会发生切落料或顶持料，进而是抬料和形成拱桥，0.75R时，随筒体转动会发生抬料并再次形成拱桥，成桥时间比0.55R情况快半个筒体转动周期。

图19 双半圆区落料坍塌Fig.19 Double-semicircle collapse

2.2.2.34块板情况

板长0.15R时，颗粒主要运动模式与无板情况类似，为周期回转。受扬料板的影响略明显。扬料板对颗粒运动和两色料混合的作用有：抬料、切落料、挡落料、板隔料。4种作用除板隔料、挡落料外均不显著，可忽略。扬料板切/挡落料发生频率为单板情况4倍，其中挡落料占挡/切落料的出现率相对于0.15R双板情况微微提升，挡落料影响不能忽略。非落料区内有2块扬料板存在，板隔料作用增强。总体而言，两色料混合机理除了无板情况的2种，还包括板隔料、挡落料。板隔料作用部分抵消了挡落料对两色料混合的阻碍作用。相对于无板情况，Tc延长30 s，为无板Tc的3.9%。

板长0.35R时，颗粒主要运动模式为周期回转，受扬料板的影响比较明显。扬料板对颗粒运动和两色料混合的作用有：抬料、板隔料、切落料、挡落料、上挡料。5种作用均显著，不可忽略。其中，抬料板与上挡料板夹着料头，使上挡料持续时间大大加长，利于两色料混合(图20)。上挡料结束后，抬料板正常抬料，作用过程类似0.35R单板情况，但抬料作用频率为单板情况4倍，对两色料混合的促进作用增强。非落料区内可同时有2或3块扬料板，板隔料作用增强，顶持料不易出现。扬料板切/挡落料发生频率为单板情况4倍，其中挡落料出现率占挡/切落料出现率相对于0.35R双板情况变化不大。总体而言，两色料混合机理除了与无板情况相同的2种外，还增加了上述5种。相对无板情况，Tc降低245 s，为无板Tc的32%，比较显著。

图20 双板夹料头Fig.20 Bed head nipped by two plates

板长0.55R时，颗粒主要运动模式为：中心堵料+1/4圆区落料+中心堵料蠕变及落料，受扬料板的影响非常明显，料床形状也变成十字形(图21)。扬料板对颗粒运动和两色料混合的作用有：板隔料、中心堵料、1/4圆区落料、中心堵料蠕变及落料。4种作用均显著，不可忽略。板隔料作用因板数增多而显著增强。1/4圆料区落料使得料床存在4个落料区，极有利于两色料混合。中心堵料可发生蠕变落料，不存在无法发生相对运动的料区。两色料混合机理为上述4种。相对于无板情况，Tc降低375 s，为无板Tc的49.0%，非常显著。

图21 1/4圆料区落料、中心堵料、中心堵料蠕变及落料(红点为筒心)Fig.21 Quarter space falling, core blocking, deformation and falling of core blocking material (red dot was center of drum)

板长0.75R时，颗粒主要运动模式为中心堵料+1/4圆料区落料，受扬料板的影响非常明显(图21)。扬料板对颗粒运动和两色料混合的作用有：板隔料、中心堵料、1/4圆料区落料。3种作用均显著，不可忽略。由于板加长，中心堵料已无法发生蠕变落料，颗粒间相对位置基本不变。显而易见，发酵时，中心堵料区很容易出现发酵热过度积累。总体而言，两色料混合机理为上述3种。相对于无板情况，Tc没有变化。

(1)1/4圆区落料

长板将料床分为4个1/4圆区导致的颗粒运动形式。4区内料量不同，其中两相邻区内料较多，另外两相邻区料较少。在料较少的区内，两色料混合主要靠落料撞击料尾斜面后撞开、滚动挫散；在料较多的区内，两色料混合主要靠落料撞击料尾斜面后撞开、滚动挫散，板前空洞内落料。其中，料较少的区运动到右上角时，有较高概率发生反向落料(图22)。由于任一时刻筒内存在4个落料区，落料区多，两色料混合极快。

图22 反向落料Fig.22 Reverse falling of material

(2)中心堵料

筒体中心料区，因扬料板的夹击和周围4个1/4圆料区的挤压，运动能力较弱。当扬料板较短，中心堵料区可以发生蠕变或落料，颗粒间相对位置可变化，任一时刻筒内便存在4个1/4圆落料区和1个中心堵料落料区，落料区多利于两色料混合。当扬料板过长，中心堵料便难以发生蠕变或落料，筒体中心堵料区颗粒间相对位置变化非常缓慢，甚至完全不变，使得筒内料床整体的两色料完全混合时间大大提升，极不利于两色料混合。这揭示了一切混合过程的一个重要认识：当存在堵料区时，整体混合速度将大大下降，甚至无法完全混合。

2.3 不同扬料板情况下的料床运动模式

整理有/无扬料板作用下回转筒内秸秆碎料颗粒运动的所有模式、扬料板的影响作用及对两色料混合速度的影响，如表2所示。

需要注意的是，以上只适用于实验室级回转筒固态发酵罐。对工业级回转筒，由于设备放大，颗粒的运动模式分布及扬料板的影响可能发生变化，不能照搬以上结论，而需采用以上方法进行实验研究。

3 结论

(1)就实验室级回转筒固态发酵罐而言，对筒内两色料混合时间的影响，即对筒内料动态掺混、抵抗发酵积热能力的影响，扬料板长大于扬料板数，两者在同数量级，均表现显著。宏观上，两色料完全混合时间Tc随板长增加先降低后升高、类余弦线，随板数增加先降低后升高再降低、类指数函数线，Tc向“单+长板”和“多+中长板”两级化降低，向“多+短板” 和“多+长板”两级化升高。即筒内料动态掺混速度随板长增加先提升后降低，随板数增加先提升后降低再提升，向“单+长板”和“多+中长板”两级化提升，向“多+短板” 和“多+长板”两级化降低。0.55R、4块板情况混合相对最快。

(2)筒内秸秆碎料颗粒运动模式因颗粒性质差异而不能套用干粉颗粒。就实验室级回转筒固态发酵罐而言，从无板到4块板，板长0.15R到0.75R，颗粒运动呈现丰富多彩、多种多样的模式，无法用单一模型描述，需分解研究。基于摄像分析，归纳出有/无扬料板作用颗粒运动的所有模式，并就各模式对两色料混合的促进和阻碍作用进行了分析。

(3)对工业级回转筒，由于设备尺寸放大，最快混合扬料板方案、扬料板对颗粒的作用、颗粒的运动模式分布均可能发生变化，例如，工业级回转筒内就基本不会出现塌拱桥现象。故不能直接套用结论(1)、(2)，需采用本文提出的方法实验研究。

表2 不同扬料板情况下的颗粒运动模式表Tab.2 Material movement modes under different lengths and number of plates

注：√为存在，×为不存在或可以忽略，↑为提升混合速度，↓为降低混合速度，-为不存在该运动模式。

(4)两色料混合的根本机理只有两种：让A料完全脱离A料层、嵌入B料层中；或让同时包含A、B料的料团通过各种形式打碎、均匀掺混在一起。前者可以发生在料床任何区域，后者只会发生在A、B料的交界面。此外，无永久性堵料区时，落料区越多，落料区越均匀分布在料床各处，两色料混合越快。这对一切混合过程的本质都有概括意义。

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