孙国友 方书起 马力 陈俊英 刘利平 白净

摘要：设计一种新型秸秆洗涤装置，并基于ANSYS Workbench对洗涤装置进行流固耦合分析，对叶片形式进行选择。基于选择的叶片形式，以玉米秸秆为原料對洗涤装置进行单因素试验研究，分别考察搅拌器转速、进水量、进料速度等参数对洗涤后玉米秸秆含水量、洗涤装置除杂率和单位产量功耗的影响。基于单因素试验结果对洗涤装置进行响应面优化试验研究，得到最佳操作条件：搅拌转速为9.51 r/min，进水量为1.37倍饱和进水量，进料速度为 1 410 kg/h。在此条件下洗涤时，达到洗涤要求的单位产量功耗最小，综合效率最高，并设计1个三级洗涤装置。

关键词：新型秸秆洗涤装置；含水量；除杂率；单位产量功耗；响应面优化

中图分类号： S226文献标志码： A

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

我国是世界农业大国，农作物秸秆产量约7亿t/年，位居世界第一[1-2]。农作物秸秆已经成为当今世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源[3]。现在国内外的科研机构都在进行农作物秸秆有效生产燃料乙醇研究。在储备农作物秸秆时，由于收集、长途运输和一些人为原因，原料中掺杂了泥沙、石子等杂物，这些杂物会影响后续工艺，增加设备的磨损和故障率，必须对收集的秸秆进行除杂。经水预浸处理之后，秸秆膨胀、纤维结构蓬松，蒸汽爆破时热蒸汽更容易进入纤维内部，可提高蒸汽爆破效果，但水分过多既影响爆破时的传热效果，对爆破产生不利影响[4-8]，又耗能。因此，现在多采用切碎、水洗、脱水等手段对秸秆进行处理，以满足后续蒸汽爆破的要求[9-10]。

当前国内多是借用造纸厂的水力碎浆机[11]，转子对原料有强烈的洗涤和碾磨双重作用，缺点是设备较笨重、动力消耗大，不能除去细小杂物。因此，针对洗涤装置的缺点和秸秆洗涤要求，自行设计一种新型秸秆洗涤装置，具有结构简单、洗涤效率高、功耗小等特点。

1材料与方法

1.1试验原料

试验原料为玉米秸秆，采自河南省郑州市高新区。对收集的玉米秸秆进行晾晒、切碎，切碎后玉米秸秆的长度为 10～30 mm。测得晾晒后玉米秸秆的含水量为12.56%，含杂量为7.28%。

1.2试验设备

新型秸秆洗涤装置适用于对玉米秸秆等农作物秸秆的洗涤。该装置包括进料、洗涤、收集部分。进料部分是采用螺旋进料器；洗涤部分是1个卧式搅拌洗涤装置；收集部分是采用斜筛网和收料桶（图1）。

该洗涤装置可通过变频器调节转速，转速范围为7、10、13、16 r/min，进水量为1.0、1.2、1.4、1.6（饱和进水量的倍数），进料速度为500、1 000、1 500、2 000 kg/h。

其中，饱和进水量指玉米秸秆进料量被完全浸透所需要的吸水量，对玉米秸秆进行长时间浸泡得到饱和含水量为81.86%。

饱和进水量qV计算公式：

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

式中：qm表示进料速度，kg/h；qV表示饱和进水量，L/h。

1.3试验洗涤指标

对玉米秸秆进行吸水试验研究，得到玉米秸秆含水量随浸泡时间的变化曲线。从图2中可以看出，玉米秸秆含水量随着浸泡时间的延长而增大，但是增长速度变慢。快速增长区间位于前15 s，浸泡15 s时的含水量为73.25%。玉米秸秆中夹杂的大颗粒杂物很容易被洗涤掉，但是一些细小的杂物黏附在玉米秸秆上很难除去，把大颗粒杂物除去即可。因此，将洗涤指标中玉米秸秆含水量定为73%，洗涤装置除杂率定为90%。

式中：m1为烘干前湿物料质量，kg；m2为烘箱烘干后物料质量，kg；m3为洗涤前物料含杂量，kg；m4为洗涤后物料含杂量，kg；qm为洗涤装置的进料速度，kg/h；P为洗涤装置总功耗，W；E为洗涤装置的单位产量功耗，kJ/kg。

1.4叶片结构的选择

试验中设计2种形式的叶片结构：直叶片/后弯叶片结构（图3）。

后弯叶片的尺寸用后弯半径表示，并设置后弯半径 1 000、750、500 mm等3种尺寸。2种不同形式的搅拌叶片对玉米秸秆进行洗涤时，洗涤功耗是不同的，可以运用ANSYS Workbench软件对洗涤装置进行流固耦合分析[12-14]，得到不同叶片下的搅拌扭矩，选择搅拌扭矩最小的叶片进行洗涤试验研究，功耗最小。[FL）]

[FL（2K2]洗涤装置对玉米秸秆进行洗涤时，洗涤装置上部搅拌区域的介质为空气，下部搅拌区域的介质为洗涤水，搅拌叶片没有完全浸没在洗涤水中，搅拌区域不单一，整个搅拌洗涤过程涉及到变流场问题。试验中原料为玉米秸秆，玉米秸秆为多孔介质，进入洗涤水后会有吸水过程。综合这两方面的原因，运用ANSYS Workbench软件不能对玉米秸秆的洗涤过程进行模拟。对叶片结构的选择，只须要知道在相同搅拌流场下不同叶片的相对功耗大小，不须要对实际搅拌流场进行模拟。因此，对洗涤装置的搅拌模型进行简化，简化为搅拌器在卧式圆柱形流场区域内进行搅拌，搅拌介质为水，具体模型结构形式如图4所示。

模型主要尺寸：搅拌筒体直径（nominal diameter，简称DN）为1 400 mm，长度为800 mm，搅拌轴直径为Φ219 mm×6 mm， 搅拌叶片的搅拌外径（DN）均为769 mm； 模拟搅拌转

速为20 r/min。

基于ANSYS Workbench中的Fluent软件对模型进行流场分析，然后根据流场分析的结果，基于Static Structural软件对模型进行结构分析，得到直叶片、1 000 mm叶片、750 mm叶片、500 mm叶片下的搅拌扭矩，分别为37 613、33 763、30 223、29 768（N·mm）。

根据结构分析得到的搅拌扭矩，绘制搅拌扭矩随叶片结构的变化曲线。从图5中可以看出，搅拌器采用直叶片时搅拌扭矩最大，并且搅拌扭矩随着弯曲半径的变小而减小，但是半径小于750 mm以后基本不再变化。弯曲半径越小，加工制造费用越高。因此，综合考虑选择弯曲半径为 750 mm。

2洗涤装置的单因素试验研究

2.1搅拌器转速对洗涤装置洗涤效果的影响

试验操作条件：进水量为1.4倍饱和进水量，进料速度为1 500 kg/h，搅拌器转速分别为7、10、13、16 r/min。图6为玉米秸秆含水量随搅拌器转速的变化曲线；图7是洗涤装置除杂率随搅拌器转速的变化曲线。

从图6、图7中可以看出，随着搅拌器转速的提高，含水量和除杂率都是先增大再减小，在转速为10 r/min时均达到最大。这是因为，在相同的进料速度下，秸秆在叶片上的堆积厚度随转速的增大而变小，秸秆在装置中洗涤时间随转速的增大变短，堆积质量越小、洗涤时间越长越有利于洗涤。转速过大、洗涤时间太短不利于洗涤，转速过小、秸秆堆积厚度太大也不利于洗涤。在10 r/min时，叶片上秸秆堆积厚度和洗涤时间的双重作用达到最佳，洗涤效果最好。还可以看出，在7、10、13、16 r/min的搅拌器转速下分别需要洗涤4、3、3、4次才能满足玉米秸秆含水量和洗涤装置除杂率要求，通过公式（4）计算洗涤装置的单位产量功耗，并绘制单位产量功耗随搅拌器转速的变化曲线。

从图8中可以看出，随着搅拌器转速的提高，洗涤装置单位产量功耗先降低后增高。搅拌器转速为10 r/min时洗涤装置单位产量功耗最小，为7.62 kJ/kg。

2.2进水量对洗涤装置洗涤效果的影响

试验操作条件：进料速度为1 500 kg/h，搅拌器转速为 10 r/min，进水量分别为1.0、1.2、1.4、1.6倍饱和进水量。图9是含水量随进水量的变化曲线；图10是除杂率随进水量的变化曲线。

从图9、图10中可以看出，随着进水量的增大，含水量和除杂率都是一直增大，而且进水量小于1.4倍饱和进水量时增长速度较快，大于1.4倍饱和进水量后基本不再变化。在同一个进水量下，随着洗涤次数的增加，玉米秸秆的含水量和洗涤装置除杂率的增大幅度变小。这是因为，在相同的进料速度和搅拌转速下，随着进水量的增大，对玉米秸秆的冲刷作用增强，洗涤效果变好；但是进水量过大时，对秸秆的冲刷作用不能进一步增强，不仅不能提高洗涤效果，而且造成大量洗涤水从出料口排出，浪费水资源。还可以看出，在1.0、1.2、1.4、1.6倍饱和进水量条件下分别需要洗涤4、4、3、3次才能满足洗涤要求。通过公式（4）计算洗涤装置的单位产量功耗，并绘制单位产量功耗随进水量的变化曲线。从图11可以看出，进水量为1.4倍饱和进水量时，洗涤装置的单位产量功耗最小，为7.62 kJ/kg。

2.3进料速度对洗涤装置洗涤效果的影响

试验操作条件：进水量为1.4倍饱和进水量，搅拌器转速为10 r/min，进料速度分别为500、1 000、1 500、2 000 kg/h。图12是玉米秸秆含水量随进料速度的变化曲线；图13是除杂率随进料速度的变化曲线。

从图12、图13中可以看出，随着进料速度的增大，含水量和除杂率减小，而且进料速度越大，减小速度越快；同一个进料速度下，随着洗涤次数的增加，含水量和洗涤装置除杂率的增大幅度均变小。这是因为，在相同搅拌转速下，秸秆在洗涤装置中的洗涤时间相同，但是随着进料速度的增大，叶片上秸秆的堆积厚度变大，不利于对秸秆进行分散搅拌洗涤，洗涤效果会变差。

从图12、图13中可以得到，在500、1 000、1 500、2 000 kg/h 进料速度条件下分别须要洗涤3、3、3、4次才能满足洗涤要求。通过公式（4）计算洗涤装置单位产量的功耗，并绘制单位产量功耗随进料速度的变化曲线。从图14中可以[CM（25]看出，进料速度为1 500 kg/h时洗涤装置单位产量功耗最[CM）][FL）]

3响应面试验研究

根据单因素试验结果，以搅拌器转速（A）、进水量（B）、进料速度（C）3个因素为变量，设计3因素3水平的响应面分析试验（表1）。在试验中对玉米秸秆进行洗涤时，主要考察达到洗涤要求时的单位产量功耗。因此，以洗涤装置单位产量功耗为响应值（Y），进行响应面分析试验，方案及结果如表2所示。表中1～12号是析因试验，13～17号是中心试验，中心试验用以估计试验误差[15]。

对模型进行方差分析和可信度分析，模型P<0.000 1，该回归模型具有统计学意义。判定系数R2=0.996 8说明该模型的拟合度非常好。模型失拟项F值为4.37（P>0.05），失拟值和纯误差没有显著性关系，回归模型在被研究的整个回归区域不失拟，该模型能用于指导试验。

对洗涤装置响应面优化试验研究，得到单位产量功耗最小的操作条件：搅拌器转速为9.51 r/min，进水量为1.37倍饱和进水量，进料速度为1 410 kg/h。此操作条件下，单位产量功耗为7.18 kJ/kg。在该操作条件下对洗涤装置进行3次试验研究，得到3次试验的平均单位产量功耗为7.31 kJ/h。试验结果与模型的预测值比较之间误差为1.81%，说明该模型可以较好地预测洗涤装置的单位产量功耗。

4多级洗涤装置

利用新型秸秆洗涤装置对玉米秸秆进行洗涤试验研究，均需要洗涤3次才能达到洗涤要求。该洗涤装置只能实现单级洗涤，不能实现连续化洗涤，需要多次洗涤时，操作麻烦。因此，可以设计1个多级洗涤装置，实现对原料进行连续多次洗涤，直接达到洗涤要求，操作简单。图15为1个三级洗涤装置，可以对原料进行连续3次洗涤。[FL）]

5结论

本试验设计一种新型秸秆洗涤装置，并设计2种结构的搅拌叶片。基于ANSYS Workbench软件，在卧式圆柱水流场下对不同的叶片进行流固耦合分析，得到不同叶片的搅拌扭矩，得到后弯半径为750 mm时，搅拌功耗最小。采用后弯半径为750 mm的叶片，以玉米秸秆为原料对新型秸秆洗涤装置进行单因素洗涤试验研究，主要研究搅拌转速、进水量和进料速度3个参数对玉米秸秆含水量、洗涤装置除杂率和单位产量功耗的影响。结果表明：搅拌器转速太大和太小时，洗涤效果均不好；進料量的增大有利于提高洗涤效果，但进水量太大时，不但不再提高洗涤效果，而且增加了进水功耗；随着进料速度的增大，玉米秸秆在洗涤装置中分散效果变差，洗涤效果变差。通过响应面优化试验研究，得到洗涤装置的最佳操作条件：搅拌转速为9.51 r/min，进水量为1.37倍饱和进水量，进料速度为1 410 kg/h。在此条件下对玉米秸秆进行洗涤时，洗涤装置的单位产量功耗最小，综合效率最高，并设计一种多级洗涤装置，实现对秸秆原料的连续多次洗涤，操作方便。

参考文献：

[1]刘飞，周岭. 农林剩余物综合利用的研究现状[J]. 农机化研究，2015（2）：230-235.

[2]车莉. 农作物秸秆资源量估算、分布与利用潜力研究[D]. 大连：大连理工大学，2014.

[3]李布青，代学猛，代永志，等. 农作物秸秆厌氧发酵制沼气工程设计研究[J]. 安徽农业科学，2015，43（9）：268-270.

[4]Mood S H，Golfeshan A H，Tabatabaei M，et al. Lignocellulosic biomass to bioethanol，a comprehensive review with a focus on pretreatment[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，27（6）：77-93.

[5]王风芹，尹双耀，谢慧，等. 前处理对玉米秸秆蒸汽爆破效果的影响[J]. 农业工程学报，2012，28（12）：273-280.

[6]闫军，冯连勋. 蒸汽爆破技术的研究[J]. 现代农业科技，2009（11）：278-280.

[7]陈洪章，陈继贞，刘健，等. 麦草蒸汽爆碎处理的研究——Ⅰ. 影响麦草蒸汽爆碎处理因素及其过程分析[J]. 纤维素科学与技术，1999，6（2）：60-67.[HJ1.7mm]

[8]Biswas A K，Umeki K，Yang W H，et al. Change of pyrolysis characteristics and structure of woody biomass due to steam explosion pretreatment[J]. Fuel Processing Technology，2011，92（10）：1849-1854.

[9]康鵬，郑宗明，董长青，等. 木质纤维素蒸汽爆破预处理技术的研究进展[J]. 可再生能源，2010，28（3）：112-116.[ZK）]

[10]王鑫. 蒸汽爆破预处理技术及其对纤维乙醇生物转化的研究进展[J]. 林产化学与工业，2010，30（4）：119-125.

[11]于宏. 湿法备料系统的设备选型[J]. 中华纸业，2006，27（9）：51-55.

[12]白晓莉，唐克伦，李辉，等. 基于Fluent的搅拌器三维流场数值模拟及其实验研究[J]. 机械工程师，2015（4）：17-21.

[13]石亚超，李伟敏，倪安国，等. 基于Fluent的圆盘涡轮搅拌器搅拌釜内流场测试及数值模拟[J]. 石油和化工设备，2014，17（11）：12-15.

[14]宋学官，蔡林，张华，等. ANSYS流固耦合分析与工程实例[M]. 北京：中国水利水电出版社，2012：17-41.

[15]陈宇，陈基棚，董映雪. 响应面法优化竹叶总黄酮的提取工艺[J]. 赤峰学院学报（自然科学版），2015，31（6）：54-57.[ZK）][HT][HJ][FL）]