張立棟 朱明亮 劉朝青 王 擎 李少華 于 鑫
(1.東北電力大學(xué);2.中國(guó)大唐電力科學(xué)研究院;3. 華能吉林發(fā)電有限公司長(zhǎng)春熱電廠)
顆粒物質(zhì)正逐漸被人們所認(rèn)知、研究,厚美瑛等對(duì)顆粒物質(zhì)的基本性質(zhì)、基本現(xiàn)象進(jìn)行了闡述,對(duì)較常見的糧倉(cāng)效應(yīng)、加壓膨脹特性、應(yīng)力分布與成拱現(xiàn)象、崩塌現(xiàn)象以及振動(dòng)引起的巴西果效應(yīng)與成各種圖案效應(yīng)等現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)描述[1~3]。在對(duì)顆粒進(jìn)行研究的領(lǐng)域內(nèi),混合質(zhì)量?jī)?yōu)異對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響[4],主要因素有運(yùn)動(dòng)空間、顆粒物性及運(yùn)動(dòng)速度等。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這方面的研究主要采用數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)不同振動(dòng)下顆粒運(yùn)動(dòng)及回轉(zhuǎn)裝置內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行分析[5~7],其中最典型的是巴西果效應(yīng),從中發(fā)現(xiàn)諸多振動(dòng)所引起的現(xiàn)象[8~10]。對(duì)于回轉(zhuǎn)裝置內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)模式的研究,在圓形回轉(zhuǎn)裝置上的較多,主要通過不同顆粒物性、不同轉(zhuǎn)速等實(shí)驗(yàn)因素對(duì)顆粒在回轉(zhuǎn)裝置內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況的影響進(jìn)行分析[11~14]。武錦濤等通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)移動(dòng)床中顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究,得出影響顆粒運(yùn)動(dòng)速度與內(nèi)部受力的主要原因[15]。此外,國(guó)外對(duì)方形回轉(zhuǎn)容器、橢圓形滾筒內(nèi)不同物性顆?;旌吓c分離情況進(jìn)行了分析,并對(duì)不同混合裝置內(nèi)顆粒隨時(shí)間推移所形成的混合花紋與偏析現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)分析[16~18]。
為了研究橢圓形混合裝置對(duì)油頁(yè)巖固體熱載體干餾煉油過程的影響情況,應(yīng)首先分析顆粒在橢圓形干餾爐中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此,本實(shí)驗(yàn)對(duì)橢圓形回轉(zhuǎn)裝置內(nèi)不同長(zhǎng)短軸比的橢圓筒形、不同轉(zhuǎn)速、不同填充率和不同顆粒粒徑下顆粒的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行對(duì)比分析,總結(jié)低轉(zhuǎn)速時(shí)橢圓形回轉(zhuǎn)裝置內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)模式,為研究橢圓滾筒內(nèi)油頁(yè)巖與固體熱載體間混合機(jī)理打下基礎(chǔ)。
1.1實(shí)驗(yàn)裝置及物料物性
本實(shí)驗(yàn)所使用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示,調(diào)速儀調(diào)節(jié)范圍為0~50r/min,實(shí)驗(yàn)薄滾筒依據(jù)長(zhǎng)短軸之比的不同分為兩類(長(zhǎng)短軸之比10.0∶9.0和10.0∶8.5)。實(shí)驗(yàn)物料采用直徑為1、3mm的軸承鋼GCr15鋼球顆粒,其硬度為HRC62~66,密度為7.85g/cm3,彈性模量為21.14MPa,顆粒間摩擦系數(shù)為0.15;滾筒材料為中碳鋼,其硬度約為HRC55,與鋼球間摩擦系數(shù)為0.15。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置
1.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)主要方案(實(shí)驗(yàn)工況)見表1。此外為了研究不同粒徑顆粒對(duì)運(yùn)動(dòng)形式的影響,采用3mm鋼球顆粒重復(fù)進(jìn)行10.0∶9.0橢圓形滾筒實(shí)驗(yàn)。
表1 實(shí)驗(yàn)工況
顆粒在圓筒形混合器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)根據(jù)其不同物料與轉(zhuǎn)速大致有6種形態(tài)[19],筆者觀察實(shí)驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)速對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)影響情況和長(zhǎng)短軸隨時(shí)間的變化,提取長(zhǎng)軸垂直水平面時(shí)顆粒的運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行處理,并對(duì)比分析異同點(diǎn)。
2.1不同轉(zhuǎn)速下顆粒運(yùn)動(dòng)情況
圖2所示為粒徑1mm的顆粒在10.0∶9.0橢圓滾筒不同轉(zhuǎn)速時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。轉(zhuǎn)速6r/min時(shí)顆粒總體運(yùn)動(dòng)形式呈圓形運(yùn)動(dòng)模式中的rolling(滾動(dòng))模式,20、40r/min轉(zhuǎn)速下顆粒總體運(yùn)動(dòng)形式呈現(xiàn)cascading(小瀑布)模式。圖2中箭頭代表顆粒運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),A區(qū)域?yàn)轭w粒下落層,B區(qū)域?yàn)闇u心,C區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)靜止層,曲線a為下落層與其他兩個(gè)區(qū)域的分界線。對(duì)3種轉(zhuǎn)速下顆粒的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)比可知:顆粒群上表面在不同轉(zhuǎn)速下表現(xiàn)各不相同,隨著轉(zhuǎn)速的提高上表面由直線逐漸變?yōu)榇蠡《惹€;顆粒在下落層兩端所表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)弧度隨轉(zhuǎn)速的增加而增大,渦心變長(zhǎng)。這些現(xiàn)象與顆粒在圓形滾筒中相應(yīng)運(yùn)動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象基本相同。
圖2 不同轉(zhuǎn)速下顆粒的運(yùn)動(dòng)情況
2.2不同位置下顆粒運(yùn)動(dòng)情況
在不同位置下顆粒運(yùn)動(dòng)變化與圓形滾筒間差異很大(圖3):隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng),顆粒表層與橢圓中心距離會(huì)發(fā)生周期性變化,顆粒表層所處位置在滾筒縱向(即顆粒層與長(zhǎng)軸垂直位置)位置時(shí)最高,橫向(即顆粒層與短軸垂直位置)位置時(shí)最低,這一結(jié)果導(dǎo)致渦心隨著轉(zhuǎn)動(dòng)上下變化,并不像在圓形滾筒中渦心不變;隨著轉(zhuǎn)速的增大,顆粒表層切線a與水平線的夾角在不同位置發(fā)生變化,這一結(jié)果表明,在不同位置顆粒受到滾筒上拋力的作用,在橫向時(shí),上拋力最大,導(dǎo)致曲線a與水平線夾角最大;根據(jù)對(duì)不同位置下顆粒表面曲線b的形狀對(duì)比發(fā)現(xiàn),在較高轉(zhuǎn)速下,橫向位置曲線變化弧度較大,該現(xiàn)象在滾筒右上端最為明顯,這是由于顆粒在滾筒不同位置所受力的大小不同,力越大顆粒表面弧度越大。
圖3 不同轉(zhuǎn)速、不同位置時(shí)顆粒的運(yùn)動(dòng)情況
2.3不同筒形下顆粒運(yùn)動(dòng)情況
根據(jù)對(duì)不同轉(zhuǎn)速下10.0∶9.0橢圓滾筒與10.0∶8.5橢圓滾筒顆粒運(yùn)動(dòng)情況對(duì)比得出,當(dāng)長(zhǎng)短徑比變大后,顆粒在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同,但進(jìn)入小瀑布模式后運(yùn)動(dòng)有所改變,如圖4所示為轉(zhuǎn)速40r/min時(shí)滾筒(10.0∶8.5)內(nèi)不同位置顆粒運(yùn)動(dòng)情況。
圖4 10.0∶8.5滾筒內(nèi)不同位置顆粒運(yùn)動(dòng)情況
通過圖3、4對(duì)比發(fā)現(xiàn),由于滾筒長(zhǎng)短軸的變化,導(dǎo)致在小瀑布模式下顆粒表面弧度變小,即小瀑布模式被減弱,顆粒運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)入小瀑布的最低轉(zhuǎn)速升高。
2.4不同填充率下顆粒運(yùn)動(dòng)情況
根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)記錄的觀察與分析,得出10.0∶9.0滾筒與10.0∶8.5滾筒在低轉(zhuǎn)速(0~50r/min)下1/6填充率顆粒運(yùn)動(dòng)模式基本相同,但與1/3填充率下顆粒運(yùn)動(dòng)差別很大。圖5為10.0∶9.0滾筒內(nèi)1/6填充率下40 r/min時(shí)滾筒在不同位置時(shí)顆粒的運(yùn)動(dòng)情況,整體可以運(yùn)動(dòng)模式介于滾動(dòng)模式和小瀑布模式之間,根據(jù)滾筒不同位置顆粒運(yùn)動(dòng)模式有所不同。圖5a為豎直位置時(shí)顆粒的運(yùn)動(dòng)情況,在此位置右上部位顆粒線速度最大,因此顆粒在右上部位出現(xiàn)一定的上拋趨勢(shì),此時(shí)的顆粒運(yùn)動(dòng)模式趨近于小瀑布模式,與之相反,橫向位置時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)平緩,運(yùn)動(dòng)模式更趨近于滾動(dòng)模式;圖5b中,顆粒表面形成的弧度最大,呈月亮形模式,也是一種典型的滾動(dòng)模式。這組結(jié)果表明,在橢圓滾筒內(nèi),顆粒運(yùn)動(dòng)模式并不固定在圓形滾筒的6種模式,由于長(zhǎng)短軸的變化會(huì)使顆粒出現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)模式并存的模式,在這里可以看作過渡模式。
圖5 10.0∶9.0滾筒內(nèi)1/6填充率下顆粒運(yùn)動(dòng)情況
2.53mm顆粒運(yùn)動(dòng)情況分析
粒徑為3mm的顆粒在10.0∶8.5滾筒不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)動(dòng)情況如圖6所示。通過觀察實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在各個(gè)轉(zhuǎn)速下,顆粒運(yùn)動(dòng)情況并非全程一個(gè)模式,在圖6a、b中,顆粒運(yùn)動(dòng)到長(zhǎng)軸垂直水平位置時(shí),顆粒開始做滾動(dòng)模式運(yùn)動(dòng),當(dāng)顆粒經(jīng)過長(zhǎng)軸與橢圓交點(diǎn)位置后,顆粒以滑動(dòng)模式運(yùn)動(dòng);當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到30r/min左右時(shí),在長(zhǎng)軸垂直水平位置時(shí)出現(xiàn)小瀑布模式,之后變?yōu)闈L動(dòng)、滑動(dòng)模式;在40r/min下顆粒運(yùn)動(dòng)模式由滾動(dòng)、滑動(dòng)相結(jié)合的模式轉(zhuǎn)變?yōu)樾∑俨寂c滑動(dòng)相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)模式;隨著轉(zhuǎn)速的升高,滑動(dòng)模式會(huì)漸漸被滾動(dòng)模式所替代,在50 r/min左右時(shí),滑動(dòng)模式完全被滾動(dòng)模式所替代,顆粒運(yùn)動(dòng)模式變?yōu)闈L動(dòng)模式與小瀑布模式相結(jié)合的形式。
圖6 10.0∶8.5滾筒內(nèi)3mm顆粒運(yùn)動(dòng)情況
通過這組實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)顆粒變大后,在長(zhǎng)軸平行水平位置附近運(yùn)動(dòng)時(shí),顆粒受到重力作用導(dǎo)致其在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生大規(guī)?;瑒?dòng);而在長(zhǎng)軸位置被短軸替代后,顆粒進(jìn)入了一個(gè)“爬坡”階段,此時(shí),顆粒靜摩擦力大于重力產(chǎn)生的推力,故而運(yùn)動(dòng)模式變?yōu)闈L動(dòng)模式;在轉(zhuǎn)速提高后,顆粒的滑動(dòng)速度逐漸跟不上滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng),致使滑動(dòng)被滾動(dòng)替代;又由于轉(zhuǎn)速增大后,顆粒在原滾動(dòng)區(qū)域內(nèi)所受到的慣性增大,導(dǎo)致顆粒慢慢被拋起,產(chǎn)生了小瀑布模式。
3.1在低轉(zhuǎn)速下,顆粒在橢圓滾筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)模式與在圓形滾筒的運(yùn)動(dòng)模式基本相同,但在橢圓滾筒內(nèi),不同位置會(huì)出現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)模式。
3.2長(zhǎng)短軸比10∶9較10∶8.5,顆粒運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)趨于平緩,進(jìn)入小瀑布模式所需轉(zhuǎn)速被提高。
3.3填充率變低會(huì)導(dǎo)致引起顆粒運(yùn)動(dòng)模式變化的最低轉(zhuǎn)速增加,運(yùn)動(dòng)模式變化過渡區(qū)更明顯。
3.4顆粒粒徑變大,導(dǎo)致顆粒的運(yùn)動(dòng)模式更復(fù)雜,滑動(dòng)模式、滾動(dòng)模式與小瀑布模式組合出現(xiàn)。
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