我国年产秸秆近10亿吨,但综合利用水平较低。清华大学研发“先进固态发酵技术”(ASSF)乙醇化回收秸秆碎料内的糖分,分离乙醇后的酒糟仍可用于传统的燃烧、还田、饲畜等,显著提高秸秆综合利用率,该技术待解决问题有:回转筒内秸秆碎料的运动、发酵放热和传热规律;秸秆碎料的动、热耦合的仿真模拟方法;发酵料中乙醇的低成本提取分离方法。为解决上述问题,设计实验室级回转筒先进固态发酵罐及其周向物料运动研究实验台等设备,并部分使用仿真软件,进行研究。研究思路如下:(1)秸秆碎料的物性参数测定;(2)回转筒内秸秆碎料的运动规律研究;(3)回转筒内秸秆碎料固态发酵放热规律研究;(4)回转筒内秸秆碎料固态发酵的动、热耦合仿真模拟方法开发;(5)提出一种低成本分离发酵料中乙醇的新方法并进行理论分析。(1)针对秸秆碎料物性测量,基于国标原理,设计制作实验台测定了秸秆碎料的主要力学、热学物性参数。这些参数是后续研究和仿真方法开发的基础。(2)针对筒内秸秆碎料运动规律的研究,分为筒体周向与轴向两方面。①周向:料床下部和中心容易积累发酵热杀死酵母菌,转动筒体翻动料床可均匀床温,筒内料发酵热均匀化速度可由筒内秸秆碎料的周向混合速度来研究。基于图像分析建立混合度指标Imix及完全混合时间tc指标,基于混合完全实验研究了不同工况下筒体周向上物料的混合速度。对扬料板存在与否的两种情形,都细致分析了物料的运动模式,对有扬料板情况还分析了扬料板对物料运动混合的作用机理。研究发现了无扬料板情况的料床回转周期tc,推导出只需知晓填充率和筒体转速便可预测tc的公式。对有扬料板情况,得出了最快混合扬料板方案为4×0.55R,并通过观察物料运动、混合摄像,细致分析了物料的运动模式、扬料板的作用机理,归纳成表。②轴向:物料在筒内的平均停留时间MRT和轴向扩散程度σR直接关系着发酵程度。采用完全输运实验,研究了环肋对其的影响,并得出最佳轴向输运时间的环肋方案为肋高0.55R,肋中心距50mm。(3)针对发酵放热规律研究,是因为发酵效率与P密切相关,可用P表征发酵效率。p受多因素影响,在简化情况下仅考察料含糖量S和料温T的影响。通过稳定发酵完全实验,考察料初始含糖量0.1或0.15、温度18℃或24℃的前提下,料床T、S分布,计算P,回归P与T和S的函数关系。(4)针对动、热耦合仿真方法开发,研究基于颗粒离散元软件EDEM进行。基于虚拟颗粒参数标定,使仿真料床的宏观运动(如休止角,周向混合速度等)与实验台料床的一致,建立了秸秆碎料的运动仿真方法。基于EDEM二次开发,将颗粒发酵放热模型、料导热模型编入运动仿真方案中,建立秸秆碎料的动、热耦合仿真方法。基于该仿真方法进行了工艺深入研究。(5)针对低成本分离发酵料中乙醇,提出一种基于平面热源的发酵料中乙醇提取新方法。基于热重实验和数据分析,回归、推导出理想情况下发酵料中乙醇的平面热源提取速率模型。结合生产成本等经济因素,构建出平面热源提取工艺的成本计算模型,得到最经济分离方案。计算结果表明,该分离方法比起现有的蒸汽分离法,可显著降低工艺成本。本文研究较好解决了 ASSF技术的存在的难题,启示了回转筒发酵罐的结构、工况和发酵后料中乙醇提取的优化方向,为促进ASSF技术进一步推广提供了支撑。