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连云港柱状生物质颗粒燃料与钢球颗粒在滚筒中的 混合特性

来源: 发布时间:2019-03-13 3671 次浏览

  摘要:采用离散单元法DEM(discrete element method)对圆柱形生物质颗粒燃料(fuel)和钢球颗粒在滚筒中的 混合进行了数值模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟),分析了滚筒转速和颗粒数量比对混合质量(Mass)的 影响。结果表明:在本文设定的 工况下,颗粒的 混合模式为阶梯模式,并且颗粒在混合时可以分成3个区域,即左面的 单层钢球颗粒区、中间的 钢球颗粒和生物质颗粒燃料混合区、右面的 生物质颗粒燃料堆积区。左右两边的 颗粒混合效果较差,中间的 颗粒混合效果较好。当滚筒转速相同时,钢球颗粒和生物质颗粒燃料数量比为3000∶200时的 颗粒混合效果比钢球颗粒和生物质颗粒燃料数量比为3000∶100时的 好,即当钢球颗粒数量远大于生物质颗粒燃料数量时,增加生物质颗粒燃料的 数量可以提高混合效果。在钢球颗粒和生物质颗粒燃料数量比相同的 情况下,当滚筒转速在5~25r/min的 范围内,滚筒转速越高,颗粒的 混合质量越好,并且颗粒混合达到稳定的 时间就越短。
  生物质主要包括植物废弃物、禽畜粪便、城市垃圾等。生物质颗粒燃料生物质颗粒的直径一般为6~8毫米,长度为其直径的4~5倍,破碎率小于1.5%~2.0%,干基含水量小于10%~15%,灰分含量小于1.5%,硫含量和氯含量均小于0.07%,氮含量小于0.5%。生物质的 利用多种多样,如直接燃烧[1-3]、沼气发酵、生物质热解[4-5]等。颗粒物质是由大量相互作用的 颗粒组成的 复杂体系[6]。颗粒物质在自然界很常见,如积雪、泥石流、土壤、沙漠等,在日常生活中也很常见,如堆积的 粮食、食盐等。
  目前,国内外不少研究学者对颗粒在滚筒中的 混合进行了研究,主要研究了颗粒在滚筒中的 运动状态以及混合效果,分析了滚筒大小、滚筒转速、物料填充率等因素对运动状态以及混合效果的 影响[7-12]。在DEM仿真模拟中,仿真参数对于DEM仿真十分敏感,ALIZADEH等[13]建立了以杨氏模量和摩擦系数为重点的 DEM分析模型,推导出量纲归一化运动方程和相应的 量纲归一化特征数,以此来研究仿真参数对颗粒运动的 影响。
  非球形颗粒在滚筒中的 混合会表现出与球形颗粒混合不同的 特性,王瑞芳等[14]利用EDEM软件对水平转筒内大豆颗粒的 运动进行了模拟。朱立平等[15]运用离散单元法建立了丝状颗粒传热传质数学模型。DUBE等[16]则运用粒子示踪法研究非球形颗粒在滚筒中的 运动。HOHNER等[17]通过比较实验研究和数值模拟来分析颗粒形状对颗粒混合的 影响。LU等[18]研究了非球形颗粒在水平滚筒内横截面中的 流动特性。陶贺等[19]运用球形颗粒拼接的 方法建立了异径玉米形颗粒模型、异径椭球形颗粒模型以及异径生物质颗粒燃料模型,研究了它们在移动床中的 运动情况。
  颗粒在滚筒中混合的 评价方法多种多样,李少华等[20]对变异系数、接触数以及Lacey指数这3种常用的 混合度评价方法进行了分析,变异系数适合评价轴向混合,接触数法主要适用于计算机数值模拟中涉及的 混合,Lacey指数算法适合评价径向混合。严建华等[21]用像法测量技术来获得混合指标从而评价颗粒的 混合程度。LIAO等[22]将混合过程用相机拍摄下来,并通过计算像素的 方法计算黑白颗粒所占的 比例,以此来得到颗粒的 混合指数。吕春旺等[23]则研究了颗粒在滚筒冷渣机中的 径向扩散运动,通过引入扩散系数的 概念来探讨颗粒物料的 扩散规律以及径向扩散对传热的 影响。
  本文通过EDEM软件模拟了圆柱形生物质颗粒燃料和钢球颗粒在滚筒中的 混合,用接触数指数作为混合指标比较了不同工况下颗粒的 混合效果,分析了滚筒转速和填充率的 变化对颗粒混合效果的 影响,并对滚筒划分区域,研究了不同区域颗粒的 混合效果。
  1EDEM仿真
  在EDEM仿真中生物(Organism)质颗粒燃料为圆柱形。本文通过球形拼接的 方法建立了圆柱形颗粒模型,并改变生物质颗粒燃料和钢球颗粒数量比以及滚筒转速来得到6种不同的 工况,从而对其进行模拟。
  1.1仿真参数
  模拟中的 滚筒采用圆形滚筒,其半径为93mm,深度为57mm,滚筒材料为钢材,其泊松比为0.25,剪切模量为7.5×1010Pa,密度为7800kg/m3,其与生物质颗粒燃料(fuel)的 静摩擦系数和动摩擦系数分别为0.3和0.01,与钢球颗粒的 静摩擦系数和动摩擦系数分别为0.2和0.01。在仿真中,钢球颗粒直径为3mm,生物质颗粒燃料的 底面直径为4m
  M、高度为6mm。生物质颗粒燃料采用小麦秸秆的 性质,仿真中用到的 参数如表1和表2所示。
  钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比分别选取3000∶100和3000∶200,滚筒转速分别取5r/mi
  N、15r/min和25r/min。一共形成6种工况,如表3所示。
  1.2生物质颗粒燃料模型的 建立
  由于EDEM软件中颗粒模型的 基本单元是球形颗粒,所以生物质(material)颗粒燃料(fuel)要用球形颗粒拼接来合成。本文建立了45球元模型(球形颗粒直径为2mm),中间1个小球外层8个小球,外层小球的 表面与中间小球的 球心相接触,中间小球的 表面也与外层小球的 球心相接触。一共5组这样的 颗粒(9×5=45),45球元模型如1所示。
  1.3实验对比
  用离散单元法模拟颗粒的 混合可以得到与实验接近的 颗粒分布规律,在前期工作中,对于颗粒在干馏炉以及带抄板干馏炉内的 混合,模拟与实验结果基本吻合[10,24]。本实验中的 滚筒采用半径为93m
  M、深度为47mm的 中碳钢滚筒,以直径为3mm的 钢球和底面直径为4m
  M、长度为6mm的 圆柱形木条为填料,以与模拟相同的 填充率和滚筒转速,对6种工况做对比实验。生物质锅炉燃料生物质颗粒作为一种新型的颗粒燃料以其特有的优势赢得了广泛的认可;与传统的燃料相比,不仅具有经济优势也具有环保效益,完全符合了可持续发展的要求。2对比了20s时实验与模拟过程中各工况下两种颗粒在混合时的 颗粒分布。从2中可以看出,在各个工况下,实验和模拟过程中的 颗粒分布都可以分成3个区域:左侧的 单层钢球颗粒区,在这个区域只存在钢球颗粒,并且只有一层;中间的 钢球颗粒和生物质颗粒燃料混合区,在这个区域钢球颗粒处于中心,生物质颗粒燃料分布在颗粒自由层表面以及壁面处,即生物质颗粒燃料分布在钢球颗粒的 外围;右边的 生物质颗粒燃料堆积区,这个区域只有生物质颗粒燃料。模拟与实验结果吻合良好,即本文所建立的 模型是合理的 。
  2仿真结果分析
  2.1颗粒在滚筒内的 运动描述
  颗粒在圆形滚筒内的 运动共有6种模式,随着滚筒转速增加,分别经历滑移、阶梯、滚动、泄落、抛落、离心6种运动模式。通过对混合运动过程的 观察,可以看出在各工况下颗粒的 运动模式都是阶梯模式。整个颗粒群随着滚筒的 转动交替地上升、下落。3是20s时的 仿真颗粒混合运动,可以明显地看到颗粒在混合时可以分成3个区域,左面的 单层钢球颗粒区、中间的 钢球颗粒和生物质颗粒燃料混合区、右面的 生物质颗粒燃料堆积区。之所以会形成左面的 单层钢球颗粒区,是因为本文中的 滚筒转速和填充率较低。从3中可以看出,随着滚筒转速的 提高,单层钢球颗粒区域的 长度在减小。所以低转速和低填充率的 情况(Condition)下会形成单层钢球颗粒区。在颗粒填充时钢球颗粒在下,生物质颗粒燃料在上,当滚筒转动时,下方处于平流层中的 钢球颗粒随着滚筒一起向上运动,而在上方的 生物质颗粒燃料处于活动层中,随着滚筒的 转动向下运动,便堆积在右下方,而颗粒的 混合时间不是足够长,生物质颗粒燃料不能充分混合在钢球颗粒中,由此便形成了右边的 生物质颗粒燃料堆积区。
  2.2整体混合效果的 比较
  本文采用接触数指数作为混合质量对颗粒的 混合程度进行分析。生物质颗粒原料的密度一般为 0.1—0.13t/m3,成型后的颗粒密度 1.1—1.3t/m3,方便储存、运输,且大大改善了生物质的燃烧性能。接触数指数用M来表示,见式
  (1)[20]。

  4为滚筒转速相同时接触数指数随时间的 变化曲线。从4(a)中可以看出,滚筒转速为5r/min时,钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比为3000∶200时的 M值一直比钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比为3000∶100时的 大,到20s时,颗粒数量比为2000∶200时的 M值已经达到0.050,而20s时颗粒数量比为3000∶100时的 M值只有0.027,因此在本文设定的 工况下钢球颗粒和生物质颗粒燃料数量比为3000∶200时的 颗粒混合效果更好。因为生物质颗粒燃料的 数量比钢球颗粒的 数量小很多,在这种情况下,生物质颗粒燃料所占的 比例越大,接触数指数越大,颗粒的 混合效果越好。从4(a)中可以看出,钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比为3000∶100时接触数指数处于下降状态,说明此时颗粒混合效果很差,并且到20s时仍然没有上升的 趋势。钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比为3000∶200时,接触数指数的 数值随着时间的 增加先下降后增加,以11s为界。11s之前,钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 混合质量在下降;11s之后,钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 混合质量在上升;到达20s时接触数指数仍然有上升的 趋势,说明即使到了20s颗粒的 混合仍然没有稳定。
  从4(b)和(c)中同样可以看出,在滚筒转速相同的 情况下,钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比为3000∶200时的 接触数指数数值比钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比为3000∶100时的 接触数指数数值要大,因此混合效果(effect)也就更好。从4中可以看出,在滚筒转速为15r/min时不管钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比是3000∶200还是3000∶100,接触数指数的 数值都随着时间的 增加而上升,到20s时接触数指数分别达到了0.074和0.043,但是仍都有上升的 趋势,说明在滚筒转速为15r/min时,两种颗粒数量比下的 混合在20s时都没有稳定(解释:稳固安定;没有变动)。当滚筒转速为25r/min时,当钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比为3000∶100时,M值在10s之前呈现出上升趋势,在10s之后趋于平稳,颗粒的 接触数指数稳定在0.045上下,颗粒的 混合已经稳定下来。当钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比为3000∶200时,接触数指数在14s之前呈现出上升趋势,在14s之后趋于平稳,颗粒的 M值稳定在0.083上下,说明两种颗粒在14s之后的 混合已经稳定。所以在滚筒转速相同的 情况下,尽管钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比为3000∶200时的 接触数指数数值比钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比为3000∶100时的 大,混合效果更好,但是钢球颗粒和生物质颗粒燃料数量比为3000∶200时两种颗粒混合稳定所需要的 时间也比钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比为3000:100时的 要长。
  钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比相同而滚筒转速不同的 情况下接触数指数随时间的 变化曲线如5所示。从5中可以看出,在本文设定的 工况下,当钢球颗粒和生物质颗粒燃料数量比相同时,滚筒转速越高,接触数指数越高。同时滚筒转速越高,颗粒混合达到稳定的 时间就越短。在钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比为3000∶100的 情况下,当滚筒转速为25r/min时,颗粒在10s时已经混合稳定。而滚筒转速为15r/min时,接触数指数数值一直上升,颗粒的 混合尚未稳定。滚筒转速为5r/mim时,接触数指数的 数值一直呈现出下降趋势,说明离颗粒混合稳定还需要更长的 时间。在钢球颗粒和生物质颗粒燃料的 数量比为3000∶200的 情况下,当滚筒转速为25r/min时,颗粒的 接触数指数数值在14s后已经渐趋平缓,说明颗粒在14s时已经混合稳定。滚筒转速为15r/min时,接触数指数数值一直在上升。当滚筒转速为5r/min时,接触数指数的 数值在11s之前呈现出下降趋势,而在11s之后呈现出上升趋势,但离颗粒混合稳定仍然需要一段时间。
  2.3各区域混合效果的 比较
  将滚筒进行4×1×4的 网格划分,将混合过程中有颗粒的 部分划分成4个区域,如6所示。并选取工况6对4个区域内颗粒的 混合情况进行分析(Analyse)比较。
  3结论
  在本文设定的 工况下,对滚筒转速和颗粒数量比对生物质(Biomass)颗粒燃料和钢球颗粒在滚筒中混合特性的 影响进行了研究,得出以下结论。
  (1)6种工况下,颗粒的 混合模式为阶梯模式,并且颗粒在混合时可以分成3个区域:左面的 单层钢球颗粒区,中间的 钢球颗粒和生物(Organism)质颗粒燃料混合区,右面的 生物质颗粒燃料堆积区。
  (2)当滚筒转速相同时,钢球颗粒和生物质颗粒燃料数量比为3000∶200时的 接触数指数一直比钢球颗粒和生物质颗粒燃料数量比为3000∶100时的 接触数指数高。到20s时,当滚筒转速为5r/min时,颗粒数量比为3000∶200和3000∶100时的 接触数分别达到0.050和0.027,在20s,滚筒转速为15r/min时,颗粒数量比为3000∶200和3000∶100时的 M值分别达到0.074和0.043,在滚筒转速为25r/min时,在颗粒数量比为3000∶200和3000∶100这两种情况下,颗粒混合稳定后的 M值分别稳定在0.083上下和0.045上下。即滚筒转速相同时,颗粒数量比为3000∶200时的 颗粒混合效果比颗粒数量比为3000∶100时的 颗粒混合效果好,因此当钢球颗粒数量远大于生物质颗粒燃料数量时,增加生物质颗粒燃料的 数量可以提高混合效果。
  (3)在钢球颗粒和生物(Organism)质颗粒燃料(fuel)数量比相同的 情况下,当滚筒转速(Rotational Speed)在5~25r/min的 范围内,滚筒转速越高,接触数指数越高,并且颗粒混合达到稳定(解释:稳固安定;没有变动)的 时间也各不相同,滚筒转速为5r/min时M值的 上升并不明显,甚至还会出现下降的 趋势(trend),转速为15r/min时,两种颗粒数量比下的 M值一直呈上升趋势,而滚筒转速为25r/min,颗粒数量比为3000∶200和3000∶100时颗粒分别在14s和10s时混合稳定,即转速越高,颗粒混合达到稳定的 时间就越短,颗粒的 混合效果也越好。
  (4)生物质颗粒燃料和钢球颗粒在滚筒中混合时,区域1到区域4的 均衡(Balance)钢球颗粒比例的 稳定(解释:稳固安定;没有变动)值分别为1、0.83、0.67和0.21,区域3的 Pb稳定值最接近0.5,其混合效果更好,即左右两边的 颗粒混合效果较差,中间的 颗粒混合效果较好。
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