生物質(zhì)在回轉(zhuǎn)干燥窯中的動力學特性及模擬研究

李坤　靳世平

（1華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院湖北武漢4300742華中科技大學能源學院湖北武漢430074）

生物質(zhì)在回轉(zhuǎn)干燥窯中的動力學特性及模擬研究

李坤1,2靳世平2

（1華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院湖北武漢4300742華中科技大學能源學院湖北武漢430074）

基于歐拉-歐拉模型研究生物質(zhì)在回轉(zhuǎn)干燥窯中顆粒-顆粒，顆粒-載氣，顆粒-墻壁之間的相互作用及動態(tài)特性，并運用Taguchi正交實驗法分析生物質(zhì)粒徑大小，干燥窯回轉(zhuǎn)速度，初始填充率等不同運行條件下生物質(zhì)在回轉(zhuǎn)窯中的運動特性和凈通量特性。模擬結(jié)果表明：粒徑大小與回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)速度對生物質(zhì)凈通量及軸向混合影響較大，初始填充率對生物質(zhì)徑向混合作用明顯。

生物質(zhì)；回轉(zhuǎn)干燥窯；歐拉-歐拉模型；Taguchi分析法；清潔能源

1　回轉(zhuǎn)干燥窯介紹

回轉(zhuǎn)干燥窯作為一種顆粒流量與熱傳遞的載體廣泛運用于生物質(zhì)干燥過程，然而在回轉(zhuǎn)窯中粒子與粒子，粒子與熱載氣，粒子與壁面間的相互作用使得生物質(zhì)干燥特性及粒子運動機制的研究變得相對復(fù)雜[1,2]。隨著計算處理速度的快速發(fā)展，計算機模擬已成為了研究粒子流動特征的有效工具，該實驗采用歐拉-歐拉模型來模擬生物質(zhì)木屑在不同粒徑大小、回轉(zhuǎn)干燥窯旋轉(zhuǎn)速度以及回轉(zhuǎn)干燥窯初始填充率下顆粒-顆粒，顆粒-載氣，顆粒-壁面之間的相互作用，并使用Taguchi正交實驗法對模擬數(shù)據(jù)進行分析與處理，并對其中的生物質(zhì)凈流通量，軸徑向運動速度進行對比分析，從而得到生物質(zhì)木屑在回轉(zhuǎn)窯鐘干燥過程的一般適用性條件。

2　實驗設(shè)備與方法

該回轉(zhuǎn)干燥窯為半工業(yè)化實驗設(shè)備，由干燥圓筒系統(tǒng)、送料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)，以及旋風除塵系統(tǒng)組成。如圖1所示，生物質(zhì)由料斗進入螺旋進料口，再經(jīng)入口閥門與鼓風機將生物質(zhì)顆粒按照一定流量送入干燥圓筒，干燥圓筒長4.5m，直徑0.6m，為保證生物質(zhì)顆粒在干燥圓筒中的易流動性，干燥圓筒的水平傾斜率為8mm/m。干燥回轉(zhuǎn)圓筒內(nèi)均勻分布著承載葉片及導(dǎo)流葉片（見圖2）以加快生物質(zhì)顆粒在圓筒內(nèi)的攪拌及輸送，進而增強生物質(zhì)與熱氣流間的熱交換，以達到快速干燥的效果。

Taguchi正交試驗法被運用于該次實驗中，為避免量化不同參數(shù)間的復(fù)雜作用，Taguchi正交試驗法著重于每個不同參數(shù)的獨立特性，精確每個參數(shù)對最終結(jié)果的影響比重，從而用最少的試驗次數(shù)得到所需結(jié)果。針對生物質(zhì)粒徑大?。?mm，3mm，5mm）、回轉(zhuǎn)干燥窯初始填充率（20%，30%，40%）以及回轉(zhuǎn)干燥窯旋轉(zhuǎn)速度（2rpm，4rpm，6rpm）三種不同參數(shù)對生物質(zhì)在回轉(zhuǎn)干燥窯中的運動狀態(tài)及干燥效率的影響，根據(jù)Taguchi正交試驗法原則，共9組實驗將各參數(shù)按照一定規(guī)律進行排列組合。

3　結(jié)果與討論

該實驗采用墻壁非滑移接觸的歐拉模型進行多重模擬，包括生物質(zhì)回轉(zhuǎn)干燥窯凈流通量、生物質(zhì)顆粒最大軸徑向運動速度以及平均軸徑向速度在內(nèi)的五組特性指標被測出，根據(jù)Taguchi正交實驗5步分析法可進一步得到各參數(shù)對最終特性指標的影響比重值，見表1。

表1　各參數(shù)對生物質(zhì)特性指標影響占比

凈流通量分析法是表達回轉(zhuǎn)干燥窯對生物質(zhì)干燥的處理效率和產(chǎn)量最簡單有效的方法。從上圖可知，生物質(zhì)粒徑大小是影響凈流通量最主要的因素，影響占比約為70%。這表明如若需要提高生物質(zhì)干燥效率，改變生物質(zhì)顆粒大小比改變回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)窯初始填充率更有效。

當討論生物質(zhì)顆粒在回轉(zhuǎn)干燥窯中的軸向速度時，最大軸向速度與平均軸向速度被引出。從表1中可以看出回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)速度是影響最大軸向速度的一個重要因素（52.7%），其次是生物質(zhì)粒徑大小。而對于平均軸向速度來說則恰恰相反，生物質(zhì)粒徑大小對平均軸向速度的影響占比為64.8%?；剞D(zhuǎn)干燥窯初始填充率在最大/平均軸向速度的影響上都只在10%左右，作用相對不明顯。

對于特性指標徑向速度來說，更多的是考慮到生物質(zhì)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的充分混合情況。表1顯示出回轉(zhuǎn)窯初始填充率成為徑向速度的主導(dǎo)因素，但對于最大徑向速度與平均徑向速度的作用還是有所差異。隨著回轉(zhuǎn)窯初始填充率的增加，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)生物質(zhì)顆粒-顆粒與顆粒-壁面之間的相互作用增強，顆粒的最大徑向速度相互抵消，導(dǎo)致最大徑向速度減小而平均徑向速度增大。

4　結(jié)語

基于實地測量與模擬研究，該文章分析了生物質(zhì)顆粒在回轉(zhuǎn)干燥窯中的運動學狀態(tài)。歐拉-歐拉模型、流體動力學模型與Taguchi正交實驗法被運用于其中。為更好的了解顆粒運動狀態(tài)以及不同參數(shù)對生物質(zhì)顆粒運動的具體影響，三個參數(shù)：回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)速度，生物質(zhì)粒徑大小，回轉(zhuǎn)窯初始填充率被選為可變變量輸入，并對包括凈流通量在內(nèi)的五個特性指標進行檢測。通過Taguchi正交試驗法分析，最終得出生物質(zhì)粒徑大小對凈流通量以及軸向運動速度有很大的關(guān)系，并且當粒徑增大，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的粒子活躍區(qū)域增大，凈流通量大大增加；回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)速度對軸向運動亦有很大的影響，進而影響凈流通量，但是回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)速度增大到一定程度，生物質(zhì)粒子間的作用變強，當粒子在回轉(zhuǎn)窯中的流態(tài)為旋轉(zhuǎn)態(tài)時，最大正負粒子速度同時增大，最終分使得平均粒子軸徑向速度則趨于相對較低的水平。

[1]Lee C F,Chou H T,Capart H.Granular segregation in narrowrotational drums with different wall roughness:Symmetrical and asymmetrical patterns[J].Powder Technology,2013,233(2):103-115.

李坤（1990—），男，湖北鄂州人，華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院，碩士研究生。研究方向：生物質(zhì)能清潔利用。