黃文景　楊建紅　王小寧

摘要：針對(duì)熱拌混凝土生產(chǎn)過(guò)程中物料加熱、干燥能耗高等問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了滾筒內(nèi)揚(yáng)料葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)料簾分布特性的影響，對(duì)滾筒干燥器和料簾進(jìn)行離散元仿真建模，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)料葉片齒間距、寬度、折彎角最優(yōu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化計(jì)算后得到齒間距為39 mm、葉片寬度為40 mm、折彎角為128°。構(gòu)建能耗預(yù)測(cè)支持向量機(jī)模型，能耗預(yù)測(cè)誤差為±5%，實(shí)現(xiàn)滾筒干燥過(guò)程操作和生產(chǎn)參數(shù)的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：滾筒干燥器；能耗；離散元；核主元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U415.52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： High energy consumption in the process of heating and drying is a crucial problem for rotary dryer. Relationship between structural parameters of the blades and characteristics of material curtain distribution was studied based on tests. A simulation model of rotary dryer and material curtain was established based on discrete element method. Optimization of intertooth space of blade， tooth width and folding angle was realized， with the result being 39 mm， 40 mm and 128° respectively. Prediction model of energy consumption was built on support vector machine. The prediction error is about ±5%， meaning the optimization of the drying process and production parameters of rotary dryer could be achieved.

Key words： rotary dryer； energy consumption； discrete element； kernel principal component analysis

0引言

國(guó)內(nèi)外對(duì)滾筒干燥器的節(jié)能、環(huán)保技術(shù)及熱效率方面都進(jìn)行了深入的研究，取得了豐富的研究成果[1]。Andrew Hobbs等人以數(shù)值模擬的方式，通過(guò)離散元和空氣流場(chǎng)的耦合（DEMCFD）分析了固體顆粒在滾筒干燥器內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況，得到令人滿(mǎn)意的結(jié)果[2]。M.Kwapinska基于離散單元（DEM）和連續(xù)介質(zhì)方法對(duì)自由流動(dòng)顆粒在水平旋轉(zhuǎn)干燥器中的傳熱進(jìn)行了仿真，所構(gòu)建的DEM模型與連續(xù)介質(zhì)法得到的結(jié)果基本一致[3]。孫祖望教授分析了熱拌混凝土連續(xù)式相比于間歇式攪拌設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)以及不同的滾筒參數(shù)與加熱方式對(duì)瀝青混合料的影響[4]。江蘇大學(xué)的田晉躍等利用流體分析理論對(duì)滾筒干燥器內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)及溫度分布進(jìn)行了研究，基于熱效率實(shí)現(xiàn)了滾筒干燥器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。黃志剛等人對(duì)顆粒物料在滾筒干燥器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較為吻合[510]。長(zhǎng)安大學(xué)的李海鵬等人對(duì)滾筒干燥器的熱效率進(jìn)行了三維仿真分析，仿真結(jié)果提高了干燥滾筒的熱效率。Jullien研究了操作參數(shù)對(duì)回收瀝青在攪拌過(guò)程中的能耗和排放的情況。U. amdal在研究中發(fā)現(xiàn)瀝青對(duì)煙氣中的有機(jī)物排放有一定影響。從對(duì)環(huán)境影響的角度，美國(guó)的一些科研機(jī)構(gòu)對(duì)美國(guó)的幾百個(gè)瀝青攪拌站進(jìn)行了系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)研究。Paranhos研究了瀝青攪拌站的污染物排放的測(cè)量方法，通過(guò)集中相關(guān)氣體的測(cè)量結(jié)果對(duì)熱拌瀝青的效率進(jìn)行預(yù)測(cè)。

針對(duì)滾筒干燥生產(chǎn)過(guò)程中能耗問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了顯著的研究成果，但是關(guān)于結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)參數(shù)對(duì)能耗和排放影響的系統(tǒng)研究較少[1121]。本文通過(guò)試驗(yàn)研究了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)參數(shù)對(duì)能耗和排放的影響機(jī)理；滾筒干燥器內(nèi)的料簾分布特性對(duì)能耗和排放有至關(guān)重要的影響，對(duì)滾筒干燥器進(jìn)行離散元建模，基于料簾分布面積和均勻性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)；在線檢測(cè)滾筒干燥生產(chǎn)過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)，提取影響能耗和排放的有效特征，構(gòu)建了能耗和排放的支持向量機(jī)模型，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中操作參數(shù)的優(yōu)化。通過(guò)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)和操作參數(shù)實(shí)現(xiàn)了滾筒干燥過(guò)程的節(jié)能、減排。

1滾筒干燥器的結(jié)構(gòu)及存在的問(wèn)題

1.1滾筒干燥器的結(jié)構(gòu)

本文研究的滾筒干燥器結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部主要由進(jìn)料區(qū)、料簾區(qū)和出料區(qū)等組成，燃燒器安裝在出料區(qū)，采取逆流式加熱方式。需要加熱的物料由進(jìn)料口加入，進(jìn)料區(qū)中有含料葉片，含料葉片使物料緊貼滾筒內(nèi)壁，通過(guò)葉片的導(dǎo)料作用使物料順利進(jìn)入料簾區(qū)；料簾區(qū)由大量的揚(yáng)料葉片組成，揚(yáng)料葉片在滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)下使物料沿著徑向形成均勻的料簾，燃燒器在滾筒內(nèi)形成的熱氣流和料簾充分接觸，帶走物料中的水，從而達(dá)到物料干燥的目的。因此，在揚(yáng)料區(qū)形成的料簾分布特性直接決定了干燥效率和能耗。干燥好的物料在出料區(qū)含料葉片和燃燒器火焰的作用下緊貼滾筒內(nèi)壁被加熱到設(shè)定的溫度，同時(shí)物料也對(duì)滾筒壁起到保護(hù)的作用，避免燃燒器火焰和滾筒壁直接接觸，導(dǎo)致滾筒變形。

1.2物料干燥、加熱過(guò)程中存在的問(wèn)題

物料干燥過(guò)程中的能耗和排放主要取決于燃燒器的燃燒效果和干燥滾筒的結(jié)構(gòu)。燃燒器的燃燒效果主要和配風(fēng)量、燃油品質(zhì)、油溫、滾筒內(nèi)正負(fù)壓、燃燒器的機(jī)構(gòu)參數(shù)等有關(guān)，燃燒效果直接影響煙氣的排放。滾筒干燥器的料簾分布不均勻?qū)a(chǎn)生風(fēng)洞，會(huì)導(dǎo)致熱氣流排除過(guò)多而帶走過(guò)多的熱量，同時(shí)煙塵溫度過(guò)高又會(huì)直接燒毀除塵布袋；料簾太厚時(shí)，煙塵無(wú)法排除，同時(shí)熱氣流和物料之間交換不充分，煙塵溫度過(guò)低將導(dǎo)致除塵布袋冷凝，從而堵死除塵布袋，因此料簾的分布特性對(duì)物料干燥效果、節(jié)能環(huán)保至關(guān)重要。料簾分布特性與揚(yáng)料葉片結(jié)構(gòu)、滾筒運(yùn)行參數(shù)等密切相關(guān)，實(shí)際工程中需要通過(guò)大量的試驗(yàn)才能確定最優(yōu)的料簾分布方案。若使用的渣油品質(zhì)波動(dòng)較大，將導(dǎo)致配風(fēng)量的波動(dòng)，從而影響燃燒效率。滾筒的正負(fù)壓直接影響燃燒器火焰的形狀，燃燒器火焰形狀的改變對(duì)物料加熱、干燥效果影響明顯，出料溫度、煙塵排放溫度對(duì)能耗和排放也具有重要的影響。一直以來(lái)，物料干燥過(guò)程的操作參數(shù)需要在工地不斷地調(diào)試，如果幾個(gè)參數(shù)同時(shí)影響，操作參數(shù)的調(diào)試將更加復(fù)雜，需要提取影響能耗和排放的有效特征向量，明確各種生產(chǎn)參數(shù)的影響機(jī)制。

2能耗影響因素試驗(yàn)研究

2.1葉片滾筒干燥器結(jié)構(gòu)對(duì)能耗的試驗(yàn)研究

研究表明滾筒干燥生產(chǎn)過(guò)程中的能耗與葉片結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)狀態(tài)參數(shù)及燃燒器結(jié)構(gòu)相關(guān)，本文以同一種燃燒器，通過(guò)試驗(yàn)研究了不同的揚(yáng)料葉片和生產(chǎn)狀態(tài)參數(shù)（物料溫度、一級(jí)煙道溫度、配風(fēng)量及生產(chǎn)率）對(duì)能耗的影響關(guān)系。分別改變揚(yáng)料葉片的折彎角θ、齒間距A、葉片寬度L，如圖2（a）所示。揚(yáng)料葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)能耗的影響如圖2（b）所示。試驗(yàn)采用自行研制的小滾筒，生產(chǎn)率為5 t·h-1。燃燒介質(zhì)采用渣油，試驗(yàn)中油耗的測(cè)量采用懸掛的稱(chēng)重傳感器，對(duì)渣油用量實(shí)時(shí)計(jì)量；物料最大粒徑為15 mm，保持所有的狀態(tài)參數(shù)不變，采用了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的揚(yáng)料葉片，每次測(cè)試時(shí)間為10 min；試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整出料時(shí)間來(lái)保證出料溫度為180 ℃，物料粒徑為6～15 mm。由圖2（b）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葉片寬度從5 mm增加到80 mm的過(guò)程中，油耗有較大的變化，葉片寬度L=40 mm時(shí)油耗最低，這主要因?yàn)閷挾炔煌?，葉片承載物料的能力也不同。短葉片承載能力差，從而形成的料簾厚度較薄，熱氣流直接穿過(guò)料簾，熱量損耗大；如果寬度大，葉片的承載能力雖然較大，但是物料下落傾角增大，導(dǎo)致料簾在一側(cè)形成較大的風(fēng)洞，熱氣流直接從風(fēng)洞流出，從而增加能耗。齒間距的大小和物料的粒徑大小直接相關(guān)，隨著齒間距增大，物料在一側(cè)的拋撒量增大，在另一側(cè)拋撒量減小，容易導(dǎo)致料簾形成風(fēng)洞，和葉片寬度的情況類(lèi)似導(dǎo)致能耗增加。折彎角不同將導(dǎo)致物料拋撒起始角度不同，從而影響料簾的分布特性和能耗。

2.2狀態(tài)參數(shù)對(duì)能耗的試驗(yàn)研究

滾筒干燥器的干燥過(guò)程狀態(tài)參數(shù)對(duì)能耗有重要的影響，如物料的出料溫度、煙塵的溫度等。渣油的溫度、配風(fēng)量等對(duì)燃燒器的燃燒效果也有影響。試驗(yàn)中以某公司生產(chǎn)的燃燒器配合試驗(yàn)用滾筒干燥器，物料溫度采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量，保證溫度測(cè)量實(shí)時(shí)性；配風(fēng)量的風(fēng)機(jī)采用變頻控制，通過(guò)改變頻率調(diào)節(jié)配風(fēng)量的大??；入料量采用皮帶秤計(jì)量，入料量減去粉塵重量即為單位時(shí)間內(nèi)的出料量。分別對(duì)上述狀態(tài)參數(shù)和實(shí)際能耗之間進(jìn)行回歸分析，分析結(jié)果如圖3所示。圖3（a）為燃燒器配風(fēng)量和能耗之間的回歸分析，可以發(fā)現(xiàn)配風(fēng)量較小時(shí)，燃燒器燃燒不充分，同時(shí)和物料的熱交換不充分，能耗較高。隨著配風(fēng)量的增加，燃燒器的燃燒效果逐步改善，能耗下降。繼續(xù)增加配風(fēng)量時(shí)，能耗開(kāi)始增加，主要因?yàn)榕滹L(fēng)量增加導(dǎo)致空氣過(guò)剩系數(shù)增大，通過(guò)煙塵排出更多的熱量，從而使能耗增加，因此燃油供給量和配風(fēng)量比值（風(fēng)油比）必須取合適的值。圖3（b）為出料溫度和能耗的回歸分析，基本為線性正比關(guān)系。圖3（c）為生產(chǎn)率和能耗的關(guān)系，生產(chǎn)率較低，滾筒內(nèi)未充滿(mǎn)物料，料簾分布特性較差，使排出的煙塵熱量損失大，生產(chǎn)率在5 t·h-1時(shí)，干燥能耗最小，生產(chǎn)率進(jìn)一步增大導(dǎo)致熱氣流和物料熱交換變差，從而增加能耗。為了使燃燒介質(zhì)燃燒充分，需要對(duì)渣油進(jìn)行霧化，增加霧化壓力有助于減小油霧的粒徑，使燃燒更加充分，減小能耗。但霧化壓力過(guò)高會(huì)使油槍出口速度過(guò)快，造成火焰不穩(wěn)定，甚至直接斷火，同時(shí)把油頂回去，造成出油量減少，增大空氣過(guò)剩系數(shù)，從而增加能耗。

3干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1滾筒干燥器料簾特性離散元仿真

對(duì)滾筒干燥器進(jìn)行離散單元法建模，設(shè)定模型參數(shù)：接觸模型為HertzMindlin，顆粒密度為2 900 kg·m-3，顆粒直徑為 10 mm，顆粒的楊氏模量為138×107，顆粒泊松比為 025；滾筒為幾何體，幾何體密度為7 800 kg·m-3，幾何體楊氏模量為 75×107，幾何體泊松比為 03；顆粒之間的恢復(fù)系數(shù)為045，顆粒之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為055，顆粒之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為03，顆粒和幾何體之間恢復(fù)系數(shù)為05，顆粒和幾何體之間滑動(dòng)摩擦系數(shù)為045，顆粒和幾何體之間滾動(dòng)摩擦系數(shù)為03；仿真時(shí)間步長(zhǎng)為0001 s，顆粒生成量為135 kg·s-1。為了評(píng)價(jià)料簾的分布特性，沿水平方向取15個(gè)單元體，如圖4（a）所示。對(duì)每個(gè)單元體在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的顆粒數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，單元體內(nèi)顆粒個(gè)數(shù)的分布均勻性能表征料簾特性，仿真試驗(yàn)過(guò)程中滾筒干燥器的運(yùn)行參數(shù)和實(shí)際試驗(yàn)一致。圖4（b）為齒間距不同的情況下料簾的分布特性，齒間距在30～425 mm時(shí)，料簾分布的均勻性較好，如齒間距較小或較大會(huì)分別在左側(cè)和右側(cè)形成風(fēng)洞，從而影響干燥效果，與回歸分析結(jié)果基本一致。圖4（c）為不同齒寬下料簾分布特性仿真結(jié)果，葉片寬度為40 mm時(shí)，料簾分布均勻性最好，和能耗的回歸分析結(jié)果基本一致。圖4（d）為揚(yáng)料葉片折彎角不同的料簾分布特性仿真結(jié)果，折彎角在120°～135° 時(shí)，料簾分布均勻性較好，上述的回歸分析過(guò)程中折彎角在130°時(shí)能耗最小。

3.2滾筒干燥器料簾分布特性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述料簾分布離散元仿真結(jié)果正確性，設(shè)計(jì)了滾筒干燥器揚(yáng)料葉片試驗(yàn)平臺(tái)，主要由滾筒、揚(yáng)料葉片、物料運(yùn)輸機(jī)及高速攝像系統(tǒng)等組成，如圖5所示。對(duì)上述仿真的不同參數(shù)葉片進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)過(guò)程中采用高速相機(jī)在線提取料簾分布圖像，對(duì)圖像進(jìn)行灰度、降噪濾波和分割等處理，并對(duì)整個(gè)料簾圖像的孔隙率進(jìn)行識(shí)別，以孔隙率表征料簾分布特性。圖5和圖6對(duì)比了實(shí)際和仿真的料簾分布特性，通過(guò)對(duì)比反復(fù)調(diào)整顆粒顆粒、顆粒葉片之間的摩擦系數(shù)，直到料簾分布特性接近，確定離散單元法仿真模型參數(shù)。

4滾筒干燥器生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化

4.1干燥器生產(chǎn)參數(shù)核主成分分析

核主元分析通過(guò)非線性映射Y=Φ（x）將輸入空間的樣本x1，x2，…，xn映射到高維特征空間，在高維特征空間進(jìn)行主元分析，從而提取樣本的非線性信息，假設(shè)映射數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣為

通過(guò)粒子群算法（PSO）對(duì)公式（5）進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定前3個(gè)核主元累積貢獻(xiàn)率為90%。選擇滾筒干燥器中燃燒器配風(fēng)量、出料物料溫度、生產(chǎn)率、燃油霧化壓力、煙塵溫度、燃油溫度作為生產(chǎn)參數(shù)，風(fēng)機(jī)變頻控制的頻率代表配風(fēng)量，將6組生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理；對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行核主元分析，通過(guò)粒子群算法對(duì)核參數(shù)σ進(jìn)行優(yōu)化，得到當(dāng)前3個(gè)核主元累積貢獻(xiàn)率為90%時(shí)σ=0253；取前3個(gè)核主元導(dǎo)入預(yù)測(cè)模型，對(duì)滾筒干燥器的燃油消耗進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.2生產(chǎn)參數(shù)對(duì)能耗影響預(yù)測(cè)

采用最小二乘支持向量機(jī)對(duì)某滾筒干燥器的能耗進(jìn)行建模分析和預(yù)測(cè)，最小二乘支持向量機(jī)將其學(xué)習(xí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為解線性方程組。對(duì)上述的核主成分分析的前3個(gè)主成分，取前20個(gè)樣本和對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)油耗作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集（xi，yi），i=1，…，20， xi為前3個(gè)核主成分向量，yi為實(shí)測(cè)油耗。利用高維特征空間的線性函數(shù)y（x）=WTφ+B擬合輸入樣本集，其中映射函數(shù)φ（·）將數(shù)據(jù)從輸入空間映射到特征空間，將非線性擬合轉(zhuǎn)換成線性擬合，上述回歸問(wèn)題轉(zhuǎn)化成約束優(yōu)化問(wèn)題。

5結(jié)語(yǔ)

熱拌混凝土攪拌過(guò)程中對(duì)物料進(jìn)行干燥、加熱將產(chǎn)生大量的能耗和污染物排放，優(yōu)化滾筒干燥器結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)能有效降低能耗。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)滾筒干燥器中影響能耗的結(jié)構(gòu)參數(shù)和生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行分析，構(gòu)建滾筒干燥器和物料離散元模型，對(duì)影響干燥效果的揚(yáng)料葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到當(dāng)齒間距為30～42.5 mm、葉片寬度為40 mm、折彎角為120° ～135° 時(shí)，揚(yáng)料葉片產(chǎn)生的料簾分布特性最優(yōu)，物料干燥過(guò)程中能耗最低。對(duì)熱拌混凝土攪拌過(guò)程中生產(chǎn)狀態(tài)參數(shù)采用核主元分析提取影響能耗的狀態(tài)特征參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化取前3個(gè)核主元，構(gòu)建滾筒干燥過(guò)程能耗預(yù)測(cè)支持向量機(jī)模型，預(yù)測(cè)能耗與實(shí)測(cè)能耗誤差小于5%，通過(guò)預(yù)測(cè)模型能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)參數(shù)優(yōu)化，降低能耗。通過(guò)葉片結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)狀態(tài)參數(shù)優(yōu)化能有效降低滾筒干燥過(guò)程中能耗。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]