王恭，苗宇，孫靈芳，劉宇峰

(1.東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林132012;2.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012)

目前，隨著國際油價的不斷上升，人們越來越重視石油替代能源的開發(fā)，油頁巖因其巨大的儲量和廣闊的開發(fā)前景已成為研究的熱點。油頁巖資源的開發(fā)模式多種多樣，其中采用回轉式干餾爐的固體熱載體(熱灰)干餾法具有資源利用效率高，便于維護的特點，在研究與實踐中得到了重點關注。油頁巖在干餾爐內的干餾過程主要受三方面因素影響:干餾爐的結構特點、油頁巖的物料特性和干餾爐的操作參數(shù)。其中干餾爐的結構特點包括爐體尺寸、翻料機構型式及安裝位置等;物料特性則主要有顆粒粒度、含油率、與固體熱載體的混合比例等;操作參數(shù)則包括爐體的傾角、轉速、填充率等。油頁巖與固體熱載體在干餾爐內的混合是一個非常復雜的過程，其混合效果決定了顆粒間的傳熱效果，最終影響到干餾過程的出油率［1］。研究表明，顆粒的混合效果與其在爐內的停留時間密切相關。然而在工程實踐中，受工業(yè)現(xiàn)場客觀條件的限制，無法對顆粒在回轉爐內的混合過程進行準確的觀察和分析。

隨著離散元理論和計算機技術的發(fā)展，現(xiàn)階段對于顆?；旌线^程的仿真得到了越來越多的應用，它可以對實驗難以實現(xiàn)的過程進行一定程度的分析和補充。喬斌等使用EDEM軟件模擬了回轉窯內石灰石的運動情況，研究了其停留時間的規(guī)律，并利用仿真結果修正了水泥行業(yè)回轉窯內顆粒停留時間的經驗公式［2］。劉安源等利用離散元法仿真分析了顆粒在振動給料機中的運動規(guī)律并歸納總結了實驗數(shù)據(jù)，得出了不同振動參數(shù)對顆粒運動影響的規(guī)律［3］。歐陽鴻武等人則在分析粉體混合過程的基本特征和混合機制的基礎上，介紹了數(shù)值模擬的理論基礎并對近年來數(shù)值模擬研究及實驗研究進展進行了總結［4］。離散元分析方法與計算流體力學相結合可以發(fā)揮各自在建模及數(shù)值分析的優(yōu)勢，近年來也得到了重點研究。潘振海等將離散元素法(DEM)與計算流體力學(CFD)方法結合起來，利用DEM的粒子軌跡、碰撞等力學的計算方面的優(yōu)勢以及CFD在流體計算方面的優(yōu)勢，模擬了矩形管內液固兩相的流動過程，分析了顆粒在流體的帶動下在矩形管中的運動規(guī)律［5］。盧洲針對物料在氣力輸送過程中特別是彎管部分易破碎的問題，采用CFD和DEM耦合模擬彎管內的柱狀顆粒氣力輸送過程，將EDEM與FLUENT耦合，模擬了顆粒在彎管處的輸送過程，對球形顆粒與柱狀顆粒在彎管處的運動規(guī)律進行了比較，分析了不同彎徑比下管壁在傳送過程中的力學特性［6］。

本文以回轉式油頁巖干餾實驗系統(tǒng)為研究平臺，通過合理簡化與假設，實現(xiàn)了爐內結構的建模。同時，以離散元素法為理論基礎，在設定一定的顆粒特性、填充率及爐體轉速的條件下，對三種爐體傾角下的顆粒停留時間進行了仿真研究。仿真分析有助于設備結構型式的改進以及操作工況的優(yōu)化。

1 離散元素法基本原理

離散元素法的基本思想是將所研究對象劃分為一個個相互獨立的單元，根據(jù)單元之間的相互作用和牛頓第二運動定律，采用動態(tài)或靜態(tài)松弛法等進行循環(huán)迭代計算，以確定每個時間步長中對象單元的受力及位移情況，并更新所有單元的位置。通過跟蹤計算每個單元的微觀運動情況，即可獲得整個研究系統(tǒng)的宏觀運動規(guī)律。離散元的基本假設是:選取的時間步長足夠小，使得在一個單獨的時間步長內，除了與選定的單元直接接觸的單元之外，來自其他任何單元的擾動都不能傳播過來;并且規(guī)定在任意的時間步長內，速度和加速度恒定［7］。

在離散元素法中，固體顆粒在空間的運動分解為平動和轉動兩種模型來進行分析處理，單個顆粒的運動行為是這兩種運動的疊加。

根據(jù)牛頓第二運動定律，顆粒的平動運動方程為

式中:mi為顆粒i的質量(Kg)是其速度(m/s)，∑為其所受的作用力的合力(N)，→Fn表示顆粒i所受的法向接觸力(N)，→Fi表示其切向接觸力(N)。

顆粒的轉動方程為

式中Ii是顆粒i的轉動慣量(Kg/m2)是顆粒i的角速度(rad/s)，∑是由顆粒間碰撞而對顆粒i產生的扭矩總和(Kg/m)。/dt即顆粒i的角加速度(rad/s2)。當顆粒j與顆粒i發(fā)生碰撞時，作用在顆粒上的扭矩用公式(3)計算。

2 油頁巖固體熱載體干餾實驗系統(tǒng)

油頁巖固體熱載體干餾實驗系統(tǒng)如圖1所示。由混合進料系統(tǒng)、回轉干餾爐、油氣回收系統(tǒng)、角度調節(jié)機構等幾個子系統(tǒng)組成?；旌线M料通過變頻器調節(jié)電機帶動螺旋式給料桿將顆粒送入干餾爐?；剞D干餾爐為圓筒式結構，其中內徑D為125 mm、長度L為600 mm;爐體內部沿軸向均勻布置6塊抄板:直板段長度為28 mm，彎板段長度為8 mm。干餾爐由電機帶動回轉，當固體熱載體與油頁巖在爐內充分混合后，混合物從出口進入集灰器。整個反應過程產生高溫油氣及含有半焦的灰渣，高溫油氣經旋風分離器二次分離、冷卻收集到集液箱，而半焦及灰分通過集灰器出口送出。

圖1 回轉式油頁巖干餾實驗系統(tǒng)

3 仿真模型的建立

根據(jù)離散單元法，并結合散體動力學，本文主要做如下假設:①當回轉爐內顆粒填充率、轉速、傾角等工況不變時，顆粒在爐內各段的運行狀況相同;②顆粒參數(shù)、爐體及翻料構件材料參數(shù)為所設定值，在分析的全過程中不發(fā)生變化;③物料在爐內的運動包括升舉和拋落兩種過程，一個單元內物料的停留時間視為兩者之和;④自由面上顆粒的滾落過程僅受重力支配，飄落過程中的軸向位移唯一決定顆粒的軸向移動距離，料床底部物料僅隨爐體轉動，且不產生軸向位移;⑤忽略橫向和軸向擴散及出口效應。

3.1 參數(shù)設置

結合上述假設及實際系統(tǒng)工況和結構，選擇顆粒半徑為2 mm，材料及接觸參數(shù)如表1、2所示。

表1 材料參數(shù)

表2 材料接觸的相關系數(shù)

3.2 系統(tǒng)建模

系統(tǒng)建模主要包括爐體結構建模以及顆粒生成，使用Gambit軟件建立幾何模型，如圖2、3所示。物料由螺旋葉片送入爐內，為加快計算速度，爐體段長度設置為30 mm。通過對數(shù)據(jù)的觀察估算，調整螺旋葉片的送料量，使每秒鐘進出30 mm滾筒橫截面顆粒數(shù)目基本吻合，從而保持爐內填充率。研究表明，顆粒在爐內發(fā)生軸向位移主要受拋落運動影響，為模擬實際工況，在爐體出口處設計一內徑為28 mm，外徑為32 mm的圓環(huán)擋板，其法線方向為顆粒運動方向，即仿真坐標系中的Z+方向。

圖3 爐內顆粒生成

圖2 爐體結構建模

3.3 工況設置

在完成顆粒生成過程后，由于最初顆粒為隨機生成，其在滾筒內的分布不太均勻，為與實際情況更為符合，設置爐體在不添加軸向加速度的情況下旋轉一定時間以使顆粒均勻混合?；旌贤瓿珊螅瑺t內約有1 800粒顆粒，填充率約占爐體的30%。同時為保證填充率的穩(wěn)定，在爐體前方螺旋葉片處生成顆粒以進行補充，如圖4所示。

圖413 s時顆粒在爐內分布基本均勻

圖5 示蹤粒子的選取

設置爐體以10 r/min的速度逆時針旋轉，爐體傾角分別為2.16°，3.24°，4.33°。由于針對不同傾角進行仿真，因此重力加速度會在Y－以及Z+產生不同的加速度分量，取當?shù)刂亓铀俣葹閅－方向9.8 m/s2，則對應三個傾角的各方向重力加速度如表3所示。

表3 不同傾角下重力加速度的設定

4 實驗結果及分析

4 .1實驗結果

為觀察顆粒在爐內的停留時間，在每個工況中選取螺旋葉片中靠近爐體側的20粒顆粒跟蹤觀察其運動情況，圖5為傾角為3.24°時選取的示蹤粒子圖。以所選所有顆粒全部離開爐膛為仿真結束時間。

顆粒在爐內升舉及拋落時，其運行軌跡類似拋物線，連續(xù)的運轉實現(xiàn)從爐膛內側到外側的Z+方向位移。對于每個傾角下所選擇的20個顆粒，為描述方便，按其在各自仿真工況中生成編號從小到大的順序，編為1－20號。三種傾角下的停留時間統(tǒng)計結果見表4，計算后的平均停留時間分別為9.51 s、8.44 s和6.67 s。

表4 三種傾角下顆粒的停留時間(s)

傾角不同時停留時間分布情況如圖6所示。分布結果符合正態(tài)分布規(guī)律，同時隨著傾角的加大，物料的平均停留時間越來越短。根據(jù)文中假設，認為顆粒在爐內各段運動規(guī)律一致，通過對30 mm的仿真結果預測在600 mm完整長度內顆粒的平均停留時間，則對應2.16°、3.24°、4.33°三種傾角的平均停留時間分別為3.17 min、2.81 min、2.22 min，與文獻［10］的實驗結果基本一致。

圖6 傾角不同時停留時間分布圖

5 結論

固體熱載體干餾法廣泛應用于頁巖油的提煉，仿真的方法可以為干餾爐內顆?；旌系姆治鎏峁┮环N新的研究手段。通過對系統(tǒng)的分析及對模型的合理簡化，以離散元素法為理論基礎，在填充率為30%、爐體轉速為10 r/min條件下，分析了爐體3種傾角時的顆粒停留時間。結果表明，爐內顆粒的平均停留時間隨著爐體傾角的增大而減少;雖然單個顆粒的停留時間具有一定的隨機性，但從總體觀察其平均停留時間在一定時間區(qū)間內則相對集中。仿真結果對于觀察和分析干餾爐內顆粒的運動規(guī)律，具有一定的參考價值。

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