新型秸稈洗滌裝置的設計與洗滌試驗研究

孫國友 方書起 馬力 陳俊英 劉利平 白凈

摘要：設計一種新型秸稈洗滌裝置，并基于ANSYS Workbench對洗滌裝置進行流固耦合分析，對葉片形式進行選擇。基于選擇的葉片形式，以玉米秸稈為原料對洗滌裝置進行單因素試驗研究，分別考察攪拌器轉速、進水量、進料速度等參數對洗滌后玉米秸稈含水量、洗滌裝置除雜率和單位產量功耗的影響。基于單因素試驗結果對洗滌裝置進行響應面優化試驗研究，得到最佳操作條件：攪拌轉速為9.51 r/min，進水量為1.37倍飽和進水量，進料速度為 1 410 kg/h。在此條件下洗滌時，達到洗滌要求的單位產量功耗最小，綜合效率最高，并設計1個三級洗滌裝置。

關鍵詞：新型秸稈洗滌裝置；含水量；除雜率；單位產量功耗；響應面優化

中圖分類號： S226文獻標志碼： A

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

我國是世界農業大國，農作物秸稈產量約7億t/年，位居世界第一[1-2]。農作物秸稈已經成為當今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源[3]。現在國內外的科研機構都在進行農作物秸稈有效生產燃料乙醇研究。在儲備農作物秸稈時，由于收集、長途運輸和一些人為原因，原料中摻雜了泥沙、石子等雜物，這些雜物會影響后續工藝，增加設備的磨損和故障率，必須對收集的秸稈進行除雜。經水預浸處理之后，秸稈膨脹、纖維結構蓬松，蒸汽爆破時熱蒸汽更容易進入纖維內部，可提高蒸汽爆破效果，但水分過多既影響爆破時的傳熱效果，對爆破產生不利影響[4-8]，又耗能。因此，現在多采用切碎、水洗、脫水等手段對秸稈進行處理，以滿足后續蒸汽爆破的要求[9-10]。

當前國內多是借用造紙廠的水力碎漿機[11]，轉子對原料有強烈的洗滌和碾磨雙重作用，缺點是設備較笨重、動力消耗大，不能除去細小雜物。因此，針對洗滌裝置的缺點和秸稈洗滌要求，自行設計一種新型秸稈洗滌裝置，具有結構簡單、洗滌效率高、功耗小等特點。

1材料與方法

1.1試驗原料

試驗原料為玉米秸稈，采自河南省鄭州市高新區。對收集的玉米秸稈進行晾曬、切碎，切碎后玉米秸稈的長度為 10～30 mm。測得晾曬后玉米秸稈的含水量為12.56%，含雜量為7.28%。

1.2試驗設備

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

該洗滌裝置可通過變頻器調節轉速，轉速范圍為7、10、13、16 r/min，進水量為1.0、1.2、1.4、1.6（飽和進水量的倍數），進料速度為500、1 000、1 500、2 000 kg/h。

其中，飽和進水量指玉米秸稈進料量被完全浸透所需要的吸水量，對玉米秸稈進行長時間浸泡得到飽和含水量為81.86%。

飽和進水量qV計算公式：

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

式中：qm表示進料速度，kg/h；qV表示飽和進水量，L/h。

1.3試驗洗滌指標

對玉米秸稈進行吸水試驗研究，得到玉米秸稈含水量隨浸泡時間的變化曲線。從圖2中可以看出，玉米秸稈含水量隨著浸泡時間的延長而增大，但是增長速度變慢。快速增長區間位于前15 s，浸泡15 s時的含水量為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為烘干前濕物料質量，kg；m2為烘箱烘干后物料質量，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量功耗，kJ/kg。

1.4葉片結構的選擇

試驗中設計2種形式的葉片結構：直葉片/后彎葉片結構（圖3）。

后彎葉片的尺寸用后彎半徑表示，并設置后彎半徑 1 000、750、500 mm等3種尺寸。2種不同形式的攪拌葉片對玉米秸稈進行洗滌時，洗滌功耗是不同的，可以運用ANSYS Workbench軟件對洗滌裝置進行流固耦合分析[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行洗滌試驗研究，功耗最小。[FL）]

[FL（2K2]洗滌裝置對玉米秸稈進行洗滌時，洗滌裝置上部攪拌區域的介質為空氣，下部攪拌區域的介質為洗滌水，攪拌葉片沒有完全浸沒在洗滌水中，攪拌區域不單一，整個攪拌洗滌過程涉及到變流場問題。試驗中原料為玉米秸稈，玉米秸稈為多孔介質，進入洗滌水后會有吸水過程。綜合這兩方面的原因，運用ANSYS Workbench軟件不能對玉米秸稈的洗滌過程進行模擬。對葉片結構的選擇，只須要知道在相同攪拌流場下不同葉片的相對功耗大小，不須要對實際攪拌流場進行模擬。因此，對洗滌裝置的攪拌模型進行簡化，簡化為攪拌器在臥式圓柱形流場區域內進行攪拌，攪拌介質為水，具體模型結構形式如圖4所示。

模型主要尺寸：攪拌筒體直徑（nominal diameter，簡稱DN）為1 400 mm，長度為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

速為20 r/min。

基于ANSYS Workbench中的Fluent軟件對模型進行流場分析，然后根據流場分析的結果，基于Static Structural軟件對模型進行結構分析，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）。

根據結構分析得到的攪拌扭矩，繪制攪拌扭矩隨葉片結構的變化曲線。從圖5中可以看出，攪拌器采用直葉片時攪拌扭矩最大，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研究

2.1攪拌器轉速對洗滌裝置洗滌效果的影響

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

從圖6、圖7中可以看出，隨著攪拌器轉速的提高，含水量和除雜率都是先增大再減小，在轉速為10 r/min時均達到最大。這是因為，在相同的進料速度下，秸稈在葉片上的堆積厚度隨轉速的增大而變小，秸稈在裝置中洗滌時間隨轉速的增大變短，堆積質量越小、洗滌時間越長越有利于洗滌。轉速過大、洗滌時間太短不利于洗滌，轉速過小、秸稈堆積厚度太大也不利于洗滌。在10 r/min時，葉片上秸稈堆積厚度和洗滌時間的雙重作用達到最佳，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）計算洗滌裝置的單位產量功耗，并繪制單位產量功耗隨攪拌器轉速的變化曲線。

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

2.2進水量對洗滌裝置洗滌效果的影響

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

從圖9、圖10中可以看出，隨著進水量的增大，含水量和除雜率都是一直增大，而且進水量小于1.4倍飽和進水量時增長速度較快，大于1.4倍飽和進水量后基本不再變化。在同一個進水量下，隨著洗滌次數的增加，玉米秸稈的含水量和洗滌裝置除雜率的增大幅度變小。這是因為，在相同的進料速度和攪拌轉速下，隨著進水量的增大，對玉米秸稈的沖刷作用增強，洗滌效果變好；但是進水量過大時，對秸稈的沖刷作用不能進一步增強，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，浪費水資源。還可以看出，在1.0、1.2、1.4、1.6倍飽和進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）計算洗滌裝置的單位產量功耗，并繪制單位產量功耗隨進水量的變化曲線。從圖11可以看出，進水量為1.4倍飽和進水量時，洗滌裝置的單位產量功耗最小，為7.62 kJ/kg。

2.3進料速度對洗滌裝置洗滌效果的影響

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

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

從圖12、圖13中可以得到，在500、1 000、1 500、2 000 kg/h 進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）計算洗滌裝置單位產量的功耗，并繪制單位產量功耗隨進料速度的變化曲線。從圖14中可以[CM（25]看出，進料速度為1 500 kg/h時洗滌裝置單位產量功耗最[CM）][FL）]

3響應面試驗研究

根據單因素試驗結果，以攪拌器轉速（A）、進水量（B）、進料速度（C）3個因素為變量，設計3因素3水平的響應面分析試驗（表1）。在試驗中對玉米秸稈進行洗滌時，主要考察達到洗滌要求時的單位產量功耗。因此，以洗滌裝置單位產量功耗為響應值（Y），進行響應面分析試驗，方案及結果如表2所示。表中1～12號是析因試驗，13～17號是中心試驗，中心試驗用以估計試驗誤差[15]。

對模型進行方差分析和可信度分析，模型P<0.000 1，該回歸模型具有統計學意義。判定系數R2=0.996 8說明該模型的擬合度非常好。模型失擬項F值為4.37（P>0.05），失擬值和純誤差沒有顯著性關系，回歸模型在被研究的整個回歸區域不失擬，該模型能用于指導試驗。

對洗滌裝置響應面優化試驗研究，得到單位產量功耗最小的操作條件：攪拌器轉速為9.51 r/min，進水量為1.37倍飽和進水量，進料速度為1 410 kg/h。此操作條件下，單位產量功耗為7.18 kJ/kg。在該操作條件下對洗滌裝置進行3次試驗研究，得到3次試驗的平均單位產量功耗為7.31 kJ/h。試驗結果與模型的預測值比較之間誤差為1.81%，說明該模型可以較好地預測洗滌裝置的單位產量功耗。

4多級洗滌裝置

利用新型秸稈洗滌裝置對玉米秸稈進行洗滌試驗研究，均需要洗滌3次才能達到洗滌要求。該洗滌裝置只能實現單級洗滌，不能實現連續化洗滌，需要多次洗滌時，操作麻煩。因此，可以設計1個多級洗滌裝置，實現對原料進行連續多次洗滌，直接達到洗滌要求，操作簡單。圖15為1個三級洗滌裝置，可以對原料進行連續3次洗滌。[FL）]

5結論

本試驗設計一種新型秸稈洗滌裝置，并設計2種結構的攪拌葉片。基于ANSYS Workbench軟件，在臥式圓柱水流場下對不同的葉片進行流固耦合分析，得到不同葉片的攪拌扭矩，得到后彎半徑為750 mm時，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新型秸稈洗滌裝置進行單因素洗滌試驗研究，主要研究攪拌轉速、進水量和進料速度3個參數對玉米秸稈含水量、洗滌裝置除雜率和單位產量功耗的影響。結果表明：攪拌器轉速太大和太小時，洗滌效果均不好；進料量的增大有利于提高洗滌效果，但進水量太大時，不但不再提高洗滌效果，而且增加了進水功耗；隨著進料速度的增大，玉米秸稈在洗滌裝置中分散效果變差，洗滌效果變差。通過響應面優化試驗研究，得到洗滌裝置的最佳操作條件：攪拌轉速為9.51 r/min，進水量為1.37倍飽和進水量，進料速度為1 410 kg/h。在此條件下對玉米秸稈進行洗滌時，洗滌裝置的單位產量功耗最小，綜合效率最高，并設計一種多級洗滌裝置，實現對秸稈原料的連續多次洗滌，操作方便。

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