張世軍，蔣恩臣，王明峰，杜衍紅，李世博

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣州 510642)

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生物質(zhì)熱解柔性輸送裝置性能研究

張世軍，蔣恩臣，王明峰，杜衍紅，李世博

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣州 510642)

為了解決生物質(zhì)連續(xù)熱解裝置的螺旋絞龍與熱解管因熱變形而發(fā)生的機(jī)械干涉現(xiàn)象，研究了一種用于生物質(zhì)熱解的無軸柔性連續(xù)輸送裝置，設(shè)計(jì)了該無軸柔性螺旋葉片參數(shù)。以稻殼、木屑和黃豆為輸送物料，探究了螺距、轉(zhuǎn)速和有軸、無軸等因素對輸送性能的影響。結(jié)果表明：柔性輸送裝置的輸送能力隨著螺距的增加而增強(qiáng)，在中低轉(zhuǎn)速下，物料的處理量隨著轉(zhuǎn)速的增加呈線性增加，表明物料的輸送量和通過時(shí)間可通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制；無軸螺旋輸送能力比有軸螺旋增加15%～30%，且輸送過程平穩(wěn)，避免了物料在輸送裝置與輸送管之間發(fā)生擠壓、進(jìn)而出現(xiàn)死機(jī)的現(xiàn)象。

生物質(zhì)；熱解；柔性輸送裝置

0 引言

生物質(zhì)能源因其分布廣、可再生等優(yōu)點(diǎn)，在我國的能源結(jié)構(gòu)中占有相當(dāng)重要的地位。其中，由于收集、運(yùn)輸和利用技術(shù)等原因，相當(dāng)一般分秸稈在田間焚燒，產(chǎn)生大量煙塵和余灰，導(dǎo)致空氣中PM2.5攀升，嚴(yán)重污染大氣。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，可以通過各種轉(zhuǎn)換技術(shù)高效地利用生物質(zhì)能，生產(chǎn)清潔電力和能源，來逐步替代煤、石油和天然氣等非可再生能源[1]。因此，綜合開發(fā)利用生物質(zhì)能源對廢棄資源回收利用、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、環(huán)境保護(hù)和改善等具有重大意義[2]。

生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化技術(shù)是生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化與利用的方式之一[3]。傳統(tǒng)的生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化裝置主要由熱解管和內(nèi)部的螺旋輸送絞龍組成，物料在螺旋輸送絞龍的推送下實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)，并在移動(dòng)過程中升溫，實(shí)現(xiàn)缺氧熱解炭化[4]。趙圓圓[5]用正交試驗(yàn)對切碎玉米秸稈的螺旋輸送性能進(jìn)行研究，表明對輸送量影響的主次順序依次是螺距、填充系數(shù)、轉(zhuǎn)速。李曉陽[6]通過螺旋輸送機(jī)對纖維物料的輸送性能研究表明，一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸送量隨著轉(zhuǎn)速和物料含水率的增大而增大。吳超[7]采用離散單元法，對螺旋輸送機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：螺旋轉(zhuǎn)速和填充率對輸送機(jī)內(nèi)顆粒的移動(dòng)速度和質(zhì)量流量影響顯著。趙翠蓮[8]利用EDEM離散元模型軟件仿真分析對比無軸和有軸螺旋兩種輸送裝置對粉料傳送精度，結(jié)果表明：無軸螺旋裝置對粉料傳送精度隨著轉(zhuǎn)速和填充率的提高而降低；有軸螺旋受影響不大，其送料精度高于無軸螺旋[9]。

實(shí)驗(yàn)室研究工作表明：采用生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化技術(shù)，由于螺旋輸送絞龍和熱解管長時(shí)間處于高溫環(huán)境條件下，易發(fā)生不同程度的變形現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)絞龍卡死現(xiàn)象[10]。為此，本文實(shí)驗(yàn)研究了一種無軸柔性輸送裝置，研究了螺距、轉(zhuǎn)速等因素對輸送性能的影響，并與有軸螺旋絞龍進(jìn)行了對比研究，對多種物料的輸送性能進(jìn)行了適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)。

1 螺旋輸送器設(shè)計(jì)

螺旋輸送器工作原理：電機(jī)帶動(dòng)螺旋葉片(見圖1)繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，物料從入料口依靠重力落入輸送管中，在螺旋葉片的側(cè)面支持力和摩擦力的作用下隨著螺旋葉片一起轉(zhuǎn)動(dòng)(如果無其他力阻礙作用，二者角速度相等)。由于輸送管內(nèi)壁對物料的摩擦力和物料保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)重力的共同作用，使得物料相對于螺旋葉片側(cè)面滑移[11-12](物料的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度小于螺旋葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度)，即物料相對于螺旋葉片向原螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)方向的反方向運(yùn)動(dòng)；由于螺旋葉片的傾斜面作用迫使物料產(chǎn)生一個(gè)軸向分速度，這樣物料在輸送管中不間斷地既做徑向轉(zhuǎn)動(dòng)又做軸向移動(dòng)，最終經(jīng)由出料口分前后兩部分依次交替排出，實(shí)現(xiàn)物料的連續(xù)輸送。

螺旋葉片是連續(xù)熱解輸送裝置的核心部件，決定著裝置的處理量和輸送停留時(shí)間[13]。本研究設(shè)計(jì)加工了無軸螺旋葉片，如圖1所示。螺旋葉片的主要尺寸有外徑D、內(nèi)徑d、螺距S、長度L。為傳遞扭矩，柔性螺旋的端部焊接一短軸。

圖1 螺旋葉片二維圖Fig.1 Structure of screw blade

螺旋輸送裝置螺旋葉片的物料輸送量為

Qm=3600FρV1c

(1)

Qv=3600FV1c

(2)

Qm—質(zhì)量輸送量(kg/h)；

Qv—體積輸送量(m3/h)；

F—料槽內(nèi)物料層橫截面積(m2)；

D—螺旋葉片直徑；

λ—填充系數(shù)；

ρ—物料的單位容積質(zhì)量(kg/m3)；

c—傾斜輸送系數(shù)；

V1—物料在料槽中的軸向移動(dòng)速度(m/s)。

本實(shí)驗(yàn)中，暫不考慮物料軸向移動(dòng)阻滯的影響，因此物料在料槽內(nèi)的軸向移動(dòng)速度V1=Sn/60[14]。其中，S為螺旋葉片螺距(m)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。

螺旋葉片的直徑和螺距設(shè)計(jì)。以輸送稻殼為例，輸送量Qm為5kg/h，輸送時(shí)間為8min，輸送長度L為1.57m，ρ=100kg/m3，裝置是水平放置，故取c=1。結(jié)合變頻器與電機(jī)的運(yùn)行狀況，取n=5r/min，取λ=1，代入?yún)?shù)計(jì)算得

(3)

(4)

(5)

式中K—物料特性系數(shù)；

ks—螺距直徑比；

A—物料綜合特性系數(shù)。

取ks=S/D=0.5，取A=30，得到K=0.073，D≥0.022m。加工因素是制作螺旋葉片時(shí)需要考慮的問題，當(dāng)ks很小時(shí)，即螺距相對于螺旋葉片的直徑較小，當(dāng)輸送摩擦困數(shù)較大的物料時(shí)，物料極易夾堵在相鄰的兩個(gè)螺旋葉片之間，造成物料輸送過程的堵塞；當(dāng)ks很大時(shí)，即螺距相對于螺旋葉片的直徑較大，物料軸向移動(dòng)的阻滯作用顯著增強(qiáng)，不利于物料的正常輸送。綜合考慮加工因素，直徑和螺距的關(guān)系ks宜取0.4～2.0之間。

序號軸性外徑D內(nèi)徑d葉片長L螺距SⅠ無軸7025165039.3Ⅱ無軸7025166057.2Ⅲ無軸7025170077.3Ⅳ有軸7025158041.6

2 結(jié)果與分析

螺旋輸送裝置的輸送性能包括輸送質(zhì)量、輸送體積、功耗與平穩(wěn)性等。螺旋葉片直徑、葉片螺距、轉(zhuǎn)速、填充系數(shù)、物料特性、物料與管壁之間的摩擦都會(huì)影響裝置的輸送性能[15]。

選用稻殼、木屑和黃豆3種物料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其物理特性如表2所示。

表2 不同物料物理特性分布

2.1 螺距對輸送性能的影響

電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為10r/min，3種物料均可平穩(wěn)輸送，3種螺距下，螺旋平均旋轉(zhuǎn)1周輸送的物料體積如表3所示。

表3 不同螺距螺旋葉片的物料輸送體積

小括號內(nèi)的數(shù)值表示此狀態(tài)下物料的填充系數(shù)。

由表3可以看出：在小螺距條件下，摩擦因數(shù)大的物料(稻殼、木屑)的輸送能力大于摩擦因數(shù)小的物料(黃豆)。隨著螺距的增加，3種物料的輸送能力均隨著螺距的增加而增加，但是摩擦因數(shù)小的物料的輸送能力增加得更快。當(dāng)螺距為77.3mm(ks為1.10)，螺旋葉片單轉(zhuǎn)輸送黃豆的體積為0.22L/r，已超過了稻殼的輸送量，與木屑的輸送量相當(dāng)。上述現(xiàn)象可能與稻殼和木屑在輸送中的壓縮性變化及填充系數(shù)有關(guān)。在小螺距條件下，稻殼和木屑這類松散物料，因軸向輸送分速度較低，徑向分速度較大，產(chǎn)生升溫和壓縮至密現(xiàn)象；當(dāng)從輸送裝置排出后物料發(fā)生回彈，體積增大，而隨著螺距的增加，升溫和壓縮致密現(xiàn)象逐漸變?nèi)酢?/p>

另一方面,隨著螺距的增大,稻殼和木屑的填充系數(shù)出現(xiàn)減小趨勢,稻殼尤為明顯,填充系數(shù)從1.00減小到0.78,木屑的填充系數(shù)從1.00減小到0.94。輸送過程當(dāng)中,物料在輸送管內(nèi)出現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,而且堆積角越大(如稻殼),翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象越明顯。

2.2 轉(zhuǎn)速對輸送性能的影響

2.2.1 不同轉(zhuǎn)速同一時(shí)間內(nèi)不同物料輸送量分析

選用螺距較小的39.3mm的無軸螺旋葉片，變頻器頻率設(shè)定為2.00(4.9r/min)、4.00(10.5 r/min)、6.00(15.8 r/min)、8.00(21.4 r/min)、10.00(26.7 r/min)、12.00(32.4 r/min)和14.00(37.5 r/min)，測量不同轉(zhuǎn)速下3種物料在120s內(nèi)的輸送量，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：3種物料兩分鐘內(nèi)的輸送量隨著轉(zhuǎn)速的增加而線性增加，線性擬合度R2大于0.99。在同一轉(zhuǎn)速下，3種物料輸送量表現(xiàn)為：黃豆>木屑>稻殼。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下不同物料兩分鐘的輸送量Fig.3 Throughput of different materials in 2 minutes under

different rotating speeds

2.2.2 轉(zhuǎn)速對物料輸送量影響

為直觀顯示稻殼、木屑和黃豆3種物料的輸送情況，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做處理，得到平均每轉(zhuǎn)物料的輸送量，如圖4所示。從圖4可以看出：平均每轉(zhuǎn)物料輸送量基本維持在各自的穩(wěn)定水平，并沒有隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提升而明顯變化；稻殼、木屑和黃豆的平均輸送量分別穩(wěn)定在10、28、74g/r。

圖4 平均每轉(zhuǎn)物料輸送量Fig.4 Throughput of average per revolution

2.3 有軸與無軸對輸送性能影響

有軸螺旋與無軸柔性螺旋都可以對物料進(jìn)行軸向輸送，但兩種送料形式各有特點(diǎn)：有軸螺旋葉片剛性強(qiáng)度大，不易產(chǎn)生彎曲和軸向伸縮變形，通過螺旋軸能夠產(chǎn)生很大的扭矩；無軸柔性螺旋葉片輸送平穩(wěn)，遇到阻力時(shí)自身可以發(fā)生變形，從而很好地解決了與熱解管發(fā)生機(jī)械干涉的技術(shù)難題，保證熱解反應(yīng)器內(nèi)生物質(zhì)物料穩(wěn)定輸送。

采用有軸螺旋和無軸柔性螺旋進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)可知：有軸螺旋葉片的螺距是41.6mm，無軸螺旋葉片的螺距是39.3mm。兩種螺旋葉片對物料的單轉(zhuǎn)輸送量如圖5所示。

圖5 有軸無軸狀態(tài)下物料每轉(zhuǎn)平均輸送量Fig.5 Throughput of average per rotation of shaft-less spiral

conveyor and a shaft one

由圖5可以看出：在各個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)條件下，對于稻殼單轉(zhuǎn)輸送量，有軸的螺旋穩(wěn)定在8g/r，無軸螺旋穩(wěn)定在10g/r；對于黃豆單轉(zhuǎn)輸送量，有軸的穩(wěn)定在64g/r，無軸螺旋穩(wěn)定在73g/r，無軸螺旋輸送量比有軸螺旋葉片高15%～30%。前述研究表明：螺距越大，螺旋對物料輸送能力越強(qiáng)。本對比實(shí)驗(yàn)中，有軸螺旋葉片的螺距比無軸螺旋葉片大2.3mm，但其輸送能力卻低于無軸螺旋葉片。這進(jìn)一步說明，采用柔性無軸輸送裝置有利于提高輸送能力。長期的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性試驗(yàn)還表明：有軸螺旋葉片在輸送木屑和油茶殼等大尺寸物料時(shí)，會(huì)出現(xiàn)物料卡在螺旋和管壁之間的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生死機(jī)現(xiàn)象，給安全運(yùn)行提出了較高要求。

3 結(jié)論

1)為了解決生物質(zhì)連續(xù)熱解裝置的螺旋絞龍與熱解管因熱變形而發(fā)生的機(jī)械干涉現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)研究了一種用于生物質(zhì)熱解的無軸柔性連續(xù)輸送裝置，設(shè)計(jì)了該無軸柔性螺旋葉片參數(shù)。以稻殼、木屑和黃豆為輸送物料，探究了螺距、轉(zhuǎn)速和中心軸等因素對輸送性能的影響。

2)在小螺距條件下，摩擦因數(shù)大的物料(稻殼、木屑)的輸送能力大于摩擦因數(shù)小的物料(黃豆)。隨著螺距的增加，各種物料的輸送能力均隨著螺距的增加而增加，但是摩擦系數(shù)小的物料的輸送能力增加得更快。當(dāng)螺距為77.3mm(ks為1.10)，螺旋葉片單轉(zhuǎn)輸

送黃豆的體積為0.22L/r，已超過了稻殼的輸送量，與木屑輸送量相當(dāng)。

3)有軸無軸對比實(shí)驗(yàn)表明：柔性無軸螺旋輸送量比有軸螺旋高15%～30%。轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：單位時(shí)間物料的輸送量隨著轉(zhuǎn)速的增加而線性增加，單個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)所排出的物料體積基本不變。長期的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性試驗(yàn)還表明：無軸柔性螺旋在輸送木屑和油茶殼等大尺寸物料時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)物料卡在螺旋和管壁之間的現(xiàn)象，提高了連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)工作的穩(wěn)定性。

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Study on Flexible Delivery Device Performance of Biomass Pyrolysis

Zhang Shijun, Jiang Enchen, Wang Mingfeng, Du Yanhong, Li Shibo

(College of Materials and Energy,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

In order to solve the mechanical interference for thermal deformation between screw auger of biomass pyrolysis and pyrolysis tube, this paper experimentally investigated a kind of flex shaft-less continuous delivery device for biomass pyrolysis and designed the parameters of shaft-less flexible spiral blade. Taking Rice husk,wood chips and soybeans as transportation materials, explored the effect on delivery performance since the factors of the pitch, speed and shaft or shaft-less. The results show that: the larger the pitch is, the stronger the throughput of the flexible delivery device is. At the lower speed, the throughput increases with the increasing speed of motor linearly, indicating that the throughput and time of processing can be controlled precisely by adjusting the motor speed; The throughput capacity of shaft-less spiral conveyor is 15-30% better than a shaft one, and the transportation process is more smoothly, efficiently avoid the crash phenomenon for the pinched of the material between the delivery device and the delivery tube.

biomass; pyrolysis; flexible delivery device

2016-05-04

科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2014GB2E000048)；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51576071)

張世軍(1988-)，男，河南扶溝人，碩士研究生，(E-mail) nescau@163.com。

蔣恩臣(1960-)，男，黑龍江富錦人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)ecjiang@scau.edu.cn。

S229+.1

A

1003-188X(2017)06-0250-05