張立棟，韋慶文，秦宏，王擎

（東北電力大學(xué)油頁(yè)巖綜合利用教育部工程研究中心，吉林 吉林 132012）

柱狀生物質(zhì)顆粒在回轉(zhuǎn)干餾爐中的運(yùn)動(dòng)及導(dǎo)熱特性

張立棟，韋慶文，秦宏，王擎

（東北電力大學(xué)油頁(yè)巖綜合利用教育部工程研究中心，吉林 吉林 132012）

為探究柱狀生物質(zhì)顆粒在固體熱載體（鋼球顆粒）回轉(zhuǎn)干餾爐（回轉(zhuǎn)爐）內(nèi)的運(yùn)動(dòng)及導(dǎo)熱特性，采用離散單元法模擬了柱狀生物質(zhì)顆粒和鋼球顆粒在回轉(zhuǎn)爐中的運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)熱；分析了轉(zhuǎn)速和生物質(zhì)顆粒數(shù)量（鋼球顆粒數(shù)量固定）對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)熱的影響；探討了顆粒在回轉(zhuǎn)爐中的分布規(guī)律；用生物質(zhì)顆粒的平均溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)價(jià)鋼球顆粒對(duì)生物質(zhì)顆粒的加熱速率和生物質(zhì)顆粒溫度分布的均勻程度。結(jié)果表明：在本文設(shè)定的工況下，顆粒在回轉(zhuǎn)爐中可以分成3個(gè)區(qū)域，即左側(cè)的單層鋼球顆粒區(qū)、中間的顆粒混合區(qū)和右側(cè)的生物質(zhì)顆粒堆積區(qū)；單層鋼球顆粒區(qū)的不穩(wěn)定因素（不穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定線、不穩(wěn)定空穴）誘發(fā)了此區(qū)的周期性塌落；顆粒的運(yùn)動(dòng)模式為階梯模式；隨著轉(zhuǎn)速的升高，鋼球顆粒的加熱速率升高。在前20s，相較5r/min和25r/min，轉(zhuǎn)速為15r/min時(shí)的生物質(zhì)顆粒溫度分布均勻性最差。

柱狀生物質(zhì)顆粒；離散單元法；運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)熱

生物質(zhì)主要包括植物廢棄物、禽畜糞便、城市垃圾等，生物質(zhì)的利用多種多樣，如直接燃燒、發(fā)酵、熱解等。

顆粒物質(zhì)是由大量相互作用的顆粒組成的復(fù)雜體系，顆粒物質(zhì)在化工過(guò)程中很常見(jiàn)，如冶金、食品工業(yè)、制藥工業(yè)、農(nóng)業(yè)等。目前，國(guó)內(nèi)外不少研究學(xué)者對(duì)顆粒在回轉(zhuǎn)裝置中的混合進(jìn)行了研究，主要研究了顆粒在回轉(zhuǎn)裝置中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及混合效果，分析了回轉(zhuǎn)裝置的尺寸、轉(zhuǎn)速、物料填充率等因素對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及混合效果的影響[1-6]。

非球形顆粒在回轉(zhuǎn)裝置中的混合會(huì)表現(xiàn)出與球形顆?；旌喜煌奶匦?，王瑞芳等[7]利用離散單元仿真軟件對(duì)水平轉(zhuǎn)筒內(nèi)大豆顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬。朱立平等[8]運(yùn)用離散單元法（discrete element method，DEM）建立了絲狀顆粒傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型。DUBE等[9]則運(yùn)用粒子示蹤法研究非球形顆粒在滾筒中的運(yùn)動(dòng)。H?HNER等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的比較來(lái)分析顆粒形狀對(duì)顆?；旌系挠绊?。

可以通過(guò)直接或間接方法對(duì)回轉(zhuǎn)裝置中的顆粒進(jìn)行加熱，KOMOSSA等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬研究了單一粒徑顆粒在直接加熱轉(zhuǎn)鼓中的傳熱。GUI等[12]研究了顆粒在波形轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的導(dǎo)熱分布形態(tài)特性。FIGUEROA等[13]通過(guò)改變滾筒的截面形狀、轉(zhuǎn)速和填充率來(lái)研究顆粒在滾筒中的混合速率和傳熱速率。

本文基于吉林省汪清縣龍騰能源開(kāi)發(fā)有限公司新能源的綜合利用，以生物質(zhì)顆粒在固體熱載體（鋼球顆粒）回轉(zhuǎn)干餾爐（以下簡(jiǎn)稱回轉(zhuǎn)爐）內(nèi)干餾為背景，以生物質(zhì)顆粒分解前在回轉(zhuǎn)爐內(nèi)與固體熱載體的混合運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)熱為重點(diǎn)。采用離散單元法模擬了柱狀生物質(zhì)顆粒和固體熱載體鋼球顆粒在回轉(zhuǎn)爐中的運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)熱。在工程實(shí)際中，因顆粒在回轉(zhuǎn)爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，追蹤單個(gè)物料顆粒較為困難，難以獲得精確的顆粒運(yùn)動(dòng)及傳熱規(guī)律。而采用離散單元法（DEM）進(jìn)行數(shù)值模擬可以方便地追蹤每個(gè)顆粒，進(jìn)而可以對(duì)單個(gè)顆?；蛘哳w粒群的運(yùn)動(dòng)及傳熱進(jìn)行研究。近年來(lái)離散單元法已經(jīng)成為研究顆粒體系的重要數(shù)值試驗(yàn)工具[14]。因此本文借助離散單元法進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)柱狀生物質(zhì)顆粒在回轉(zhuǎn)爐中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和導(dǎo)熱特性進(jìn)行初步探索。分析了顆粒在回轉(zhuǎn)爐中的分布規(guī)律；分別用生物質(zhì)顆粒的平均溫度和生物質(zhì)顆粒的溫度標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)價(jià)鋼球顆粒對(duì)生物質(zhì)顆粒的加熱速率和生物質(zhì)顆粒溫度分布的均勻程度。探討了回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速和生物質(zhì)顆粒數(shù)量對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)及導(dǎo)熱的影響。為生物質(zhì)顆粒在回轉(zhuǎn)爐內(nèi)的混合運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)提供理論依據(jù)，為確定合理的回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速及生物質(zhì)顆粒填充量來(lái)干餾生物質(zhì)提供參考。

1 DEM模型

離散單元法由CUNDALL和STRACK提出[15]，它建立在基本的牛頓運(yùn)動(dòng)定律上，用于研究非連續(xù)性顆粒物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。顆粒在回轉(zhuǎn)爐中的運(yùn)動(dòng)屬于密集顆粒流，因此采用基于軟球模型的離散單元法。軟球模型將顆粒間的法向力簡(jiǎn)化為彈簧和阻尼器，切向力簡(jiǎn)化為彈簧、阻尼器和滑動(dòng)器。不考慮顆粒表面變形，依據(jù)顆粒間的法向重疊量和切向位移計(jì)算接觸力。單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)控制方程為式(1)。

式中，mi、a、Ii、β分別為顆粒i的質(zhì)量、加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度；g為重力加速度；為顆粒i受到的合力（法向分量加切向分量）；為顆粒i受到的合力矩。

1.1 接觸力和傳熱模型

不考慮顆粒間的粘連作用，顆粒間的接觸力模型采用Hertz-Mindlin（No Slip）模型。在Hertz-Mindlin(No Slip)模型中，法向力基于Hertz接觸理論，切向力基于Mindlin-Deresiewicz理論[15]。

對(duì)于在回轉(zhuǎn)爐中用固體熱載體加熱生物質(zhì)顆粒，傳熱機(jī)制有：顆粒與空氣之間的對(duì)流傳熱、顆粒與空氣之間的輻射傳熱、顆粒與顆粒之間的導(dǎo)熱、顆粒之間的熱對(duì)流、顆粒內(nèi)部的導(dǎo)熱、顆粒與筒壁之間的導(dǎo)熱、顆粒與筒壁之間的輻射傳熱、顆粒與顆粒之間的輻射傳熱。根據(jù)DING等[13,16]的研究，在轉(zhuǎn)鼓中，通過(guò)空氣的傳熱只占很小的一部分，因此不考慮空氣的傳熱。熱對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過(guò)程。熱對(duì)流僅能發(fā)生在流體中。單個(gè)顆粒為固體，當(dāng)顆粒物質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，顆粒整體表現(xiàn)出流體的性質(zhì)，因此顆粒之間的熱對(duì)流是顆粒之間的熱傳導(dǎo)和混合運(yùn)動(dòng)的綜合效果。在加入復(fù)雜的輻射模型之前，可首先探究主要的傳熱方式，忽略輻射傳熱[17]。本文主要考察顆粒之間的熱傳導(dǎo)和顆粒之間的熱對(duì)流，不考慮輻射傳熱，并且本文不研究顆粒內(nèi)部的溫度分布，所以視顆粒內(nèi)部的溫度分布均勻，忽略顆粒內(nèi)部的導(dǎo)熱。熱傳導(dǎo)模型為Hertz-Mindlin with Heat Conduction模型。

1.2 柱狀生物質(zhì)顆粒模型

由于離散單元法軟件（EDEM）中顆粒模型的基本單元是球形顆粒，所以柱狀生物質(zhì)顆粒要用球形顆粒拼接來(lái)合成[18]。本文建立了45球元模型（球形顆粒直徑為2mm），中間1個(gè)小球外層8個(gè)小球，外層小球的表面與中間小球的球心相接觸，中間小球的表面也與外層小球的球心相接觸。一共5組這樣的顆粒（9×5=45），45球元模型如圖1所示。

圖1 柱狀生物質(zhì)顆粒模型

1.3 仿真參數(shù)

考慮到合理的計(jì)算機(jī)計(jì)算量以及實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下回轉(zhuǎn)爐模型為小尺度回轉(zhuǎn)爐[19]，因此本文對(duì)小尺度物理模型，少物料填充量下，柱狀生物質(zhì)顆粒在固體熱載體法回轉(zhuǎn)干餾爐中的運(yùn)動(dòng)及導(dǎo)熱進(jìn)行了數(shù)值模擬。作為一種研究方法，一些學(xué)者[1,7,14]做了相似的工作，對(duì)小尺度物理模型下的顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究。本文也采用這種方法對(duì)柱狀生物質(zhì)顆粒在回轉(zhuǎn)爐中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及導(dǎo)熱特性進(jìn)行了初步探討。對(duì)于實(shí)際回轉(zhuǎn)爐尺寸下的物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律和導(dǎo)熱特性有待進(jìn)一步的深入探討和研究。模擬中的回轉(zhuǎn)爐采用圓形回轉(zhuǎn)爐，其半徑為93mm，深度為57mm，回轉(zhuǎn)爐材料為鋼材，其泊松比為0.25，剪切模量為7.5×1010Pa，密度為7800kg/m3，其與生物質(zhì)顆粒的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.3和0.01，與鋼球顆粒（固體熱載體）的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.2和0.01。在仿真中，鋼球顆粒直徑為3mm，生物質(zhì)顆粒的底面直徑為4mm、高度為6mm。生物質(zhì)顆粒采用小麥秸稈的性質(zhì)，仿真中用到的參數(shù)如表1和表2所示。

固體熱載體鋼球顆粒數(shù)量為3000，鋼球顆粒的初始溫度為1073.15K，生物質(zhì)顆粒的數(shù)量分別選取100和200，生物質(zhì)顆粒的初始溫度為373.15K，回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速分別取5r/min、15r/min和25r/min。一共分形成6種工況，如表3所示。前1.25s為顆粒生成過(guò)程，先生成鋼球顆粒，再生成生物質(zhì)顆粒?；剞D(zhuǎn)爐從1.25s開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。

表1 顆粒的物理性質(zhì)

表2 顆粒的力學(xué)性質(zhì)

表3 各工況的對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

冷態(tài)實(shí)驗(yàn)中采用半徑為93mm，深度為47mm的中碳鋼回轉(zhuǎn)爐，以直徑為3mm的鋼球和底面直徑為4mm、長(zhǎng)度為6mm的圓柱形木條為填料，以與模擬相同的顆粒數(shù)量和回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速，對(duì)6種工況做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖2對(duì)比了工況1在20s時(shí)實(shí)驗(yàn)與模擬過(guò)程中兩種顆粒在混合時(shí)的顆粒分布。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)和模擬過(guò)程中的顆粒分布都可以分成3個(gè)區(qū)域：左側(cè)的單層鋼球顆粒區(qū)，在這個(gè)區(qū)域只存在鋼球顆粒，并且只有一層；中間的鋼球顆粒和生物質(zhì)顆?；旌蠀^(qū)，在這個(gè)區(qū)域鋼球顆粒處于中心，生物質(zhì)顆粒分布在顆粒自由層表面以及壁面處，即生物質(zhì)顆粒分布在鋼球顆粒的外圍；右邊的生物質(zhì)顆粒堆積區(qū)，這個(gè)區(qū)域只有生物質(zhì)顆粒。通過(guò)對(duì)其他5個(gè)工況的比較，可以得到相同的結(jié)論。

圖2 顆粒在回轉(zhuǎn)爐中的分布

圖3為隨機(jī)選取的工況（工況5）下回轉(zhuǎn)爐中單層鋼球顆粒區(qū)的右視圖，圖中(a)為模擬，(b)為實(shí)驗(yàn)，圖中有各種形態(tài)的顆粒分布，在單層鋼球顆粒區(qū)中，有顆粒緊密排布的穩(wěn)定區(qū)（如圖中矩形所示），顆粒無(wú)規(guī)則排布的不穩(wěn)定區(qū)（如圖中正六邊形所示），還有不穩(wěn)定線（如圖中橢圓所示）和不穩(wěn)定空穴（如圖中圓形所示）。

實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了模型的合理性。

圖3 單層鋼球顆粒區(qū)的顆粒分布

3 結(jié)果與分析

3.1 顆粒的運(yùn)動(dòng)

隨著回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速的提高，顆粒在回轉(zhuǎn)爐中主要經(jīng)歷6種運(yùn)動(dòng)模式，依次為：滑移、階梯、滾動(dòng)、泄落、拋落和離心[20]。在本文中，6種工況下顆粒的運(yùn)動(dòng)皆為階梯模式，即當(dāng)顆粒整體受到的筒壁摩擦力和支持力的合力大于重力時(shí)，顆粒整體隨筒壁上升，當(dāng)顆粒整體的重力大于筒壁摩擦力和支持力的合力時(shí)，顆粒整體下滑。顆粒在回轉(zhuǎn)爐中運(yùn)動(dòng)受到混合和偏析的共同作用?；旌蠙C(jī)理主要有對(duì)流混合、擴(kuò)散混合和剪切混合[21]，偏析主要由體積差和密度差引起，偏析作用使體積大的顆粒在上、體積小的顆粒在下，密度小的顆粒在上、密度大的顆粒在下[22]。在本文中，在混合和偏析的共同作用下，顆粒在回轉(zhuǎn)爐中逐漸形成3個(gè)區(qū)域，左側(cè)的單層鋼球顆粒區(qū)、中間的鋼球顆粒和生物質(zhì)顆?；旌蠀^(qū)和右側(cè)的生物質(zhì)顆粒堆積區(qū)。

3.1.1 單層鋼球顆粒區(qū)的塌落

在回轉(zhuǎn)爐運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)單層鋼球顆粒區(qū)受到擾動(dòng)時(shí)，不穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定線、不穩(wěn)定空穴處的顆粒（如圖3所示）容易發(fā)生塌落。擾動(dòng)的來(lái)源主要有兩種：在階梯運(yùn)動(dòng)模式下，顆粒從上升變成下滑的瞬間，顆粒的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化而產(chǎn)生擾動(dòng)；中間顆?；旌蠀^(qū)的顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)單層鋼球顆粒區(qū)底部產(chǎn)生擾動(dòng)。擾動(dòng)促使了不穩(wěn)定因素（不穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定線和不穩(wěn)定空穴）上方的顆粒發(fā)生塌落，若不穩(wěn)定因素集中在單層鋼球顆粒區(qū)的底部或者較多不穩(wěn)定因素均勻分布在整個(gè)單層鋼球顆粒區(qū)時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致單層鋼球顆粒區(qū)整體的塌落。當(dāng)顆粒塌落后又有新的單層鋼球顆粒區(qū)生成，單層鋼球顆粒區(qū)一直重復(fù)著塌落-生成-塌落-生成這樣的過(guò)程。

3.1.2 生物質(zhì)顆粒在x軸方向上的分布概率

圖4為回轉(zhuǎn)爐的位置坐標(biāo)。

圖4 回轉(zhuǎn)爐的位置坐標(biāo)

定義生物質(zhì)顆粒在x軸方向上的分布概率Fx為式(2)。

式中，表示生物質(zhì)顆粒在某一時(shí)刻在x方向某一區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的個(gè)數(shù)（以0.01s為一個(gè)單位時(shí)刻，以10mm為一個(gè)單位區(qū)間，即表示生物質(zhì)顆粒在1.25s這一時(shí)刻在x方向上0～10mm區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的數(shù)量，表示生物質(zhì)顆粒在1.26s這一時(shí)刻在x方向上10～20mm區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的數(shù)量，依次類推）；Nt為生物質(zhì)顆粒的總數(shù)量；n為取樣時(shí)刻總數(shù)；1.25表示回轉(zhuǎn)爐從1.25s開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，所以從1.25s開(kāi)始取樣，每隔0.01s取一次樣。F10表示生物質(zhì)顆粒在1.25s到20s這段時(shí)間內(nèi)，在0～10mm區(qū)間內(nèi)平均出現(xiàn)的概率，F(xiàn)20表示生物質(zhì)顆粒在1.25s到20s這段時(shí)間內(nèi)，在10～20mm區(qū)間內(nèi)平均出現(xiàn)的概率，依次類推。

圖5為Fx隨x的變化曲線。從圖5中可以看出在0～110mm區(qū)間內(nèi)，生物質(zhì)顆粒出現(xiàn)的概率緩慢上升，在110～130mm區(qū)間內(nèi)急劇升高，各工況下的概率峰值都出現(xiàn)在110～130mm區(qū)間內(nèi)，即生物質(zhì)顆粒堆積區(qū)主要出現(xiàn)在110～130mm區(qū)間內(nèi)。F10不等于0，是因?yàn)樵诔跏紩r(shí)刻，生物質(zhì)顆粒均勻分布在鋼球顆粒上方，隨著回轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動(dòng)，少量生物質(zhì)顆粒被帶到0～10mm區(qū)間內(nèi)。之后隨著回轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動(dòng)，顆粒在回轉(zhuǎn)爐的帶動(dòng)下，整體上從左上方向右下方傾斜，生物質(zhì)顆粒逐漸向右下方堆積。而顆粒之間的混合作用又使部分生物質(zhì)顆粒與左側(cè)的鋼球顆?；旌希诨剞D(zhuǎn)爐的帶動(dòng)下部分生物質(zhì)顆粒向左移動(dòng)，但生物質(zhì)顆粒因體積比鋼球顆粒大，相比鋼球顆粒，生物質(zhì)顆粒的重心離筒壁的距離比鋼球顆粒遠(yuǎn)，所以在生物質(zhì)顆粒剛要到達(dá)單層鋼球顆粒區(qū)時(shí)便滾落下來(lái)。生物質(zhì)顆粒幾乎不能再到達(dá)0～10mm的區(qū)間，所以F10很小。生物質(zhì)顆粒的體積比鋼球顆粒大，密度比鋼球顆粒小，所以在回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，偏析作用使生物質(zhì)顆粒趨向于分布在鋼球顆粒上方，而在上方的生物質(zhì)顆粒隨著顆粒隨著顆粒整體的運(yùn)動(dòng)以及自身的滾落，又回到右下方。不斷有生物質(zhì)顆粒從右下方左移混入鋼球顆粒以及鋼球顆粒上方的生物質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)到右下方，于是便形成了中間的生物質(zhì)顆粒和鋼球顆?；旌蠀^(qū)。而回轉(zhuǎn)爐的帶動(dòng)僅能使少部分生物質(zhì)顆粒左移混入鋼球顆粒，仍有大量的生物質(zhì)顆粒堆積在右下方，所以在110～130mm區(qū)間內(nèi)Fx急劇上升，F(xiàn)x的峰值也出現(xiàn)在此區(qū)間內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，生物質(zhì)顆粒數(shù)量為100時(shí)的峰值比數(shù)量為200時(shí)的高，即顆粒的分布更加集中。當(dāng)生物質(zhì)顆粒數(shù)量為100時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，生物質(zhì)顆粒在110～120mm區(qū)間出現(xiàn)的概率減小，在130～140mm區(qū)間出現(xiàn)的概率增大，在回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速為15r/min和25r/min時(shí)的峰值分別為0.288和0.286，比轉(zhuǎn)速為5r/min時(shí)的0.246高。因此隨著轉(zhuǎn)速的升高，有更多的顆粒集中在120～140mm區(qū)間內(nèi)。當(dāng)生物質(zhì)顆粒數(shù)量為200時(shí)，隨著回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速的升高，概率峰值在減小，并且轉(zhuǎn)速為5r/min和15r/min時(shí)，生物質(zhì)顆粒在120～130mm區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的概率最高，而回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速為25r/min時(shí)，生物質(zhì)顆粒在110～120mm區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的概率最高，即隨著回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速的升高，峰值左移。6種工況下，在130～140mm區(qū)間內(nèi)，生物質(zhì)顆粒出現(xiàn)的概率急劇下降，140 mm之后已經(jīng)基本上沒(méi)有顆粒了，即在x方向上，顆粒的運(yùn)動(dòng)范圍限制在140mm之前。

3.2 鋼球顆粒對(duì)生物質(zhì)顆粒的加熱效果

圖5 不同回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速及生物質(zhì)顆粒數(shù)量在x方向上的分布概率

本文用生物質(zhì)顆粒的平均溫度來(lái)評(píng)價(jià)鋼球顆粒對(duì)生物質(zhì)顆粒的加熱速率，用生物質(zhì)顆粒的溫度標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)價(jià)生物質(zhì)顆粒溫度分布的均勻程度。

3.2.1 生物質(zhì)顆粒的溫升速率

圖6為生物質(zhì)顆粒的平均溫度隨時(shí)間的變化曲線。生物質(zhì)顆粒數(shù)量為100，回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速為5r/min、15r/min和25r/min時(shí)曲線的平均斜率分別為0.120、0.189和0.177；生物質(zhì)顆粒數(shù)量為200，回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速為5r/min、15r/min和25r/min時(shí)曲線的平均斜率分別為0.112、0.158和0.157。曲線的平均斜率越高，生物質(zhì)顆粒的溫升速率越快，表明鋼球顆粒對(duì)生物質(zhì)顆粒的加熱速率越快。顯然，鋼球顆粒數(shù)量固定，生物質(zhì)顆粒越少其溫升速率越快。當(dāng)生物質(zhì)顆粒數(shù)量相同時(shí)，回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速為15r/min和25r/min時(shí)的平均溫度明顯比轉(zhuǎn)速為5r/min時(shí)上升的快，即生物質(zhì)顆粒的溫升速率快。但15r/min和25r/min這兩種轉(zhuǎn)速下，生物質(zhì)顆粒的溫升速率相當(dāng)。因?yàn)殡S著回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速增加，顆粒的運(yùn)動(dòng)更加劇烈，生物質(zhì)顆粒與鋼球顆粒接觸的概率增加，但生物質(zhì)顆粒與鋼球顆粒的接觸時(shí)間縮短，所以增加回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速并不能一直提高生物質(zhì)顆粒的溫升速率。

圖6 生物質(zhì)顆粒平均溫度隨時(shí)間的變化曲線

3.2.2 生物質(zhì)顆粒溫度分布的均勻程度

標(biāo)準(zhǔn)差的公式為式(3)。

式中，為生物質(zhì)顆粒的平均溫度；Ti為第i個(gè)生物質(zhì)顆粒的溫度；N生物質(zhì)顆?？倲?shù)。

圖7為生物質(zhì)顆粒的溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間的變化曲線，從圖7中可以看出當(dāng)回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速相同時(shí)，當(dāng)生物質(zhì)顆粒的數(shù)量為200時(shí)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差比生物質(zhì)顆粒數(shù)量為100時(shí)的小，即生物質(zhì)顆粒數(shù)量為200時(shí)，顆粒的溫度分布更加均勻。這與前面生物質(zhì)顆粒在x方向上分布概率所得到的結(jié)論相符，當(dāng)回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速相同時(shí)，生物質(zhì)顆粒數(shù)量為200時(shí)概率峰值比生物質(zhì)顆粒數(shù)量為100時(shí)小，即生物質(zhì)顆粒的分布較均勻。當(dāng)生物質(zhì)顆粒的數(shù)量為100時(shí)，在16.5s之前，回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速為5r/min時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，16.5s之后，轉(zhuǎn)速為25r/min時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差最小。當(dāng)生物質(zhì)顆粒數(shù)量為200時(shí)，在16.8s之前，回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速為5r/min時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，16.8s之后，轉(zhuǎn)速為25r/min時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差最小。在前20s任意時(shí)刻，當(dāng)回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速為15r/min時(shí)，生物質(zhì)顆粒的溫度標(biāo)準(zhǔn)差均不能達(dá)到最小，即顆粒溫度分布的均勻性不能達(dá)到最好。所以雖然當(dāng)回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速為5r/min時(shí)生物質(zhì)顆粒溫升較轉(zhuǎn)速為15r/min時(shí)慢，顆粒整體溫度較低，但溫度分布較均勻。而轉(zhuǎn)速為15r/min和25r/min時(shí)顆粒溫升速率相當(dāng)，但轉(zhuǎn)速為25r/min時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)更加劇烈，有更多的生物質(zhì)顆粒有機(jī)會(huì)接觸到鋼球顆粒，所以轉(zhuǎn)速為25r/min時(shí)顆粒的溫度分布更加均勻。

圖7 生物質(zhì)顆粒溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié)論

在本文設(shè)定的工況下，通過(guò)對(duì)柱狀生物質(zhì)顆粒和鋼球顆粒（固體熱載體，數(shù)量固定為3000）混合運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)熱的分析，可得到如下結(jié)論。

（1）顆粒在回轉(zhuǎn)爐中的運(yùn)動(dòng)模式為階梯模式。在混合和偏析共同作用下，顆粒在回轉(zhuǎn)爐中的分布分成3個(gè)區(qū)域，即左側(cè)的單層鋼球顆粒區(qū)、中間的鋼球顆粒和生物質(zhì)顆?；旌蠀^(qū)、右側(cè)的生物質(zhì)顆粒堆積區(qū)。單層鋼球顆粒區(qū)的不穩(wěn)定因素（不穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定線、不穩(wěn)定空穴）誘發(fā)了此區(qū)的塌落，單層鋼球顆粒區(qū)重復(fù)著塌落-生成-塌落-生成這樣的過(guò)程。

（2）生物質(zhì)顆粒在x方向上集中分布在110～130mm區(qū)間內(nèi)。轉(zhuǎn)速相同時(shí)，生物質(zhì)顆粒數(shù)量為100時(shí)的顆粒分布更加集中。當(dāng)生物質(zhì)顆粒數(shù)量為200時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，生物質(zhì)在x方向的分布概率峰值左移。

（3）回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速相同，生物質(zhì)顆粒越少，溫升速率越快。生物質(zhì)顆粒數(shù)量相同時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，溫升速率越快，但轉(zhuǎn)速為15r/min和25r/min時(shí)生物質(zhì)顆粒平均溫度的變化趨勢(shì)相差不大，即提高轉(zhuǎn)速并不能一直提高生物質(zhì)顆粒的溫升速率；在前20s，轉(zhuǎn)速為15r/min時(shí)的生物質(zhì)顆粒溫度分布均勻性一直最差。

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Motion and heat conduction in rotary retorting filled with cylindrical biomass particles

ZHANG Lidong，WEI Qingwen，QIN Hong，WANG Qing
（Engineering Research Center of Ministry of Education for Comprehensive Utilization of Oil Shale，Northeast Electric Power University，Jilin 132012，Jilin，China）

In order to understand the characteristics of motion and heat conduction of biomass particles and solid thermal carriers（steel particles） in rotary retorting，the motion and heat conduction of biomass particles and steel particles in rotary retorting were simulated using discrete element methods.The effect of the rotational speed and quantity of biomass particles on particle motion and heat conduction was analyzed. The distribution of particles in the rotary retorting was investigated. The mean temperature of biomass particles and the temperature standard deviation of biomass particles were used to evaluate the heating rate of steel particles and the uniformity of biomass particles＇temperature. The result showed that particles in the rotary retorting was divided into three regions: the monolayer steel particles region in the left of the particles region，the mixing region of biomass particles and steel particles in the middle of the particles region，and the accumulating region of biomass particles in the right of the particles region. The unstable factors（unstable regions，unstable lines and unstable holes）led to the periodic collapse of the monolayer steel particles region. The motion mode was slumping in all six situations. With the increasing of rotational speed，the heating rate of steel particles was increased.When the rotational speed was 15r/min，the uniformity of biomass particles＇temperature was worst in the first 20s comparing to the rotational speed of 5r/min and 25r/min.

cylindrical biomass particles；discrete element method；motion；heat conduction

TQ 051

A

1000–6613（2017）11–3993–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0333

2017-03-01；修改稿日期2017-03-20。

教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT13052）、吉林省自然科學(xué)基金（20150101033JC）、吉林市科技計(jì)劃（201464044）及吉教科合字（2015-237）項(xiàng)目。

及聯(lián)系人：張立棟（1980—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橛晚?yè)巖綜合利用及回轉(zhuǎn)裝置混合與分離。E-mail：nedu1015@aliyun.com。