李 靜，黃金堤, 2，肖 勁

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基于三維離散元法的罐式爐排料運(yùn)動(dòng)行為

李 靜1，黃金堤1, 2，肖 勁1

(1. 中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2. 江西理工大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院，南昌 330013)

罐式爐排料過程中石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)行為對(duì)煅后焦的質(zhì)量至關(guān)重要?；陔x散元法，建立罐式爐內(nèi)石油焦排料過程的顆粒尺度運(yùn)動(dòng)行為的三維數(shù)學(xué)模型，并通過1/15比例的冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證離散元法模擬的可靠性，研究料罐內(nèi)固體石油焦顆粒的運(yùn)動(dòng)模式、顆粒間相互作用應(yīng)力及力鏈分布特性。結(jié)果表明：離散元法模擬能很好的再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；石油焦顆粒在料罐內(nèi)的加熱帶區(qū)域基本符合活塞流的運(yùn)動(dòng)特征，在冷卻水套區(qū)域呈漏斗流的運(yùn)動(dòng)特征；料罐內(nèi)石油焦顆粒間的作用力分布不均勻，強(qiáng)力鏈主要分布在料罐的中下部區(qū)域以及冷卻水套區(qū)域。

罐式爐；排料行為；力鏈；離散元；物理模型

罐式爐(又稱為罐式煅燒爐)是鋁用炭陽(yáng)極制備工序中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備[1]。罐式爐為典型的逆流移動(dòng)床式的黑箱反應(yīng)器，石油焦顆粒在重力作用下自上而下緩慢移動(dòng)，煅燒過程中產(chǎn)生的水分、揮發(fā)分穿過石油焦顆粒自由表面并經(jīng)由揮發(fā)分通道排出。石油焦煅燒過程中，石油焦顆粒固相層與析出的揮發(fā)分氣相間進(jìn)行著復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳輸及顆粒熱分解反應(yīng)。前期研究表明[2]，單位排料量嚴(yán)重影響料罐(又稱為煅燒罐)中石油焦的溫度分布及煅燒時(shí)間，進(jìn)而影響石油焦中水分和揮發(fā)分的析出行為。文獻(xiàn)[3]中指出，罐式爐生產(chǎn)運(yùn)行中，不合理的溫度分布易導(dǎo)致罐內(nèi)結(jié)焦、下生料等異常情況從而影響爐況順行。同時(shí)，石油焦顆粒在料罐中的分布情況影響石油焦堆積層的孔隙度、氣相(水分、揮發(fā)分)溢出速度及熱效應(yīng)。因此，罐式爐內(nèi)石油焦顆粒的運(yùn)動(dòng)行為是影響石油焦煅燒質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。研究罐式爐排料過程中石油焦顆粒的運(yùn)動(dòng)行為及石油焦在煅燒帶中的停留時(shí)間，對(duì)提高石油焦煅燒質(zhì)量及確保罐式爐的穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

目前，針對(duì)固相爐料運(yùn)動(dòng)行為的研究，主要采用物理模型實(shí)驗(yàn)研究[4]、連續(xù)擬流體模型計(jì)算[5]和離散元法模擬計(jì)算[6?9]方法。使用冷態(tài)物理模型及連續(xù)擬流體模型僅能簡(jiǎn)單定性描述顆粒運(yùn)動(dòng)模式，無法描述顆粒間的微觀動(dòng)力學(xué)行為和細(xì)節(jié)。而基于拉格朗日坐標(biāo)系包含顆粒之間及顆粒/壁面相互作用關(guān)系的離散元法(DEM)可根據(jù)顆粒尺寸和性質(zhì)，不做過多的假設(shè)條件，通過計(jì)算即可獲得顆粒之間各類宏觀和微觀力學(xué)信息。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用離散元法針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的各類顆粒物料輸送過程開展了廣泛的研究，如皮帶輸送[10]、提升管[11]、流態(tài)化床[12]以及高爐料罐內(nèi)顆粒流動(dòng)的研究[8, 13?15]。

目前，關(guān)于罐式爐內(nèi)固相爐料運(yùn)動(dòng)行為的研究鮮有報(bào)道。李猛等[16]采用SolidWorks建立罐式爐排料機(jī)構(gòu)模型，使用多體動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行了排料機(jī)構(gòu)受力分析。XIAO等[2, 17?18]基于質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建立了罐式爐數(shù)學(xué)模型，通過連續(xù)性方程描述了罐式爐內(nèi)的氣相、固相顆粒的溫度場(chǎng)及石油焦顆粒熱分解反應(yīng)程度，該模型中將石油焦排料運(yùn)動(dòng)過程假設(shè)為粘性流，未考慮顆粒間的相互作用，無法獲得顆粒層內(nèi)微觀動(dòng)力學(xué)行為及受力、應(yīng)力分布。石油焦在整個(gè)煅燒過程都處于封閉的料罐內(nèi)，對(duì)于這樣一個(gè)封閉性的反應(yīng)器，無法直接觀察到其內(nèi)部的爐料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，借助于冷態(tài)物理模型實(shí)驗(yàn)和離散元法模擬計(jì)算是研究罐式爐內(nèi)爐料運(yùn)動(dòng)行為的有效手段。

本文作者以24罐8層火道順流式罐式爐爐內(nèi)的石油焦排料運(yùn)動(dòng)行為為研究對(duì)象，基于離散元法建立罐式爐爐料顆粒尺度運(yùn)動(dòng)行為的三維數(shù)學(xué)模型，并通過1/15比例的冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了離散元法(DEM)模擬的可靠性。利用該數(shù)學(xué)模型研究石油焦顆粒在罐式爐爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特征，并深入顆粒尺度給出顆粒運(yùn)動(dòng)過程的接觸力鏈的分布及應(yīng)力分布情況。

1 研究方法

1.1 離散元模型

罐式爐排料過程中，石油焦顆粒下降運(yùn)動(dòng)為密集堆積慢速流。采用三維無粘連干顆粒圓球模型，假定石油焦顆粒為相互獨(dú)立的離散單元并視其為剛性體，顆粒間相互接觸采用軟球模型描述[4, 13, 19]，如圖1所示。采用無滑Hertz-Mindlin模型，顆粒運(yùn)動(dòng)分為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)符合牛頓第二定律，顆粒的平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)方程可描述為

式中：m與分別為顆粒的質(zhì)量和速度；為時(shí)間；m為顆粒的質(zhì)量；k為所有與顆粒接觸的顆?？倲?shù)；cn,ij為顆粒與之間的法向接觸力；ct,ij為顆粒與之間的切向接觸力；dn,ij為顆粒與之間的法向粘性接觸阻尼力；dt,ij為顆粒與之間的切向黏性接觸阻尼力；為重力加速度。

式中：與分別為顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角速度，為從單元質(zhì)心到單元質(zhì)心的位移向量。

參照參考文獻(xiàn)[4, 19?20]，顆粒所受接觸力如下

圖1 顆粒接觸受力示意圖

所述：

1.2 模擬條件

針對(duì)國(guó)內(nèi)廣泛采用的24罐8層火道順流式罐式爐，采用離散元法建立罐式爐內(nèi)石油焦排料運(yùn)動(dòng)過程的三維數(shù)學(xué)模型。罐式爐的各罐罐體結(jié)構(gòu)一致，罐式爐中每個(gè)料罐的左右兩側(cè)都有8層水平走向的加熱火道，火焰不與原料直接接觸，如圖2所示。石油焦由爐頂加料裝置加入料罐內(nèi)，物料在重力作用下自上而下緩慢移動(dòng)，并依次通過預(yù)熱帶、煅燒帶以及冷卻帶，受熱并發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，最后由罐底的排料裝置排出爐外[21]。

本模型除去與石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)過程無關(guān)的料罐的幾何特征(如揮發(fā)分通道等)，選取單個(gè)料罐為研究對(duì)象，其幾何邊界及尺寸如圖3所示。使用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件條件，無法完成工業(yè)尺度數(shù)億個(gè)顆粒的計(jì)算，為了減小計(jì)算規(guī)模，對(duì)模擬顆粒的尺寸進(jìn)行了適當(dāng)放大。模擬中假定顆粒為球形，半徑為0.03 m，總填充球個(gè)數(shù)為27226個(gè)，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為2.0×10?5s。模擬實(shí)現(xiàn)過程為：使用開源離散元法軟件Yade，在爐頂隨機(jī)生成顆粒，并在重力作用下顆粒下落堆積直至填滿爐頂料斗中部；由于罐式爐排料過程為排料?靜止過程交替進(jìn)行，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，每個(gè)排料周期通過移除冷卻水套底部0.06 m厚度的顆粒層完成排料過程[7]，并將底部移除的顆粒移至料斗上方，待顆粒自然下落堆積靜止穩(wěn)定后視為完成一個(gè)排料周期并進(jìn)入下一個(gè)排料周期。模型所用石油焦及爐壁物性參數(shù)如表1所列，具體參數(shù)來源見文獻(xiàn)[20，22]。

可以發(fā)現(xiàn)，高校擴(kuò)招政策的確增加了我國(guó)居民接受高等教育的機(jī)會(huì)，促使城鄉(xiāng)教育收益率顯著提高；同時(shí)，高校擴(kuò)招政策對(duì)于抑制城鄉(xiāng)間居民收入差距的進(jìn)一步擴(kuò)大有一定的作用，有助于縮小城鎮(zhèn)居民教育收益率差距，說明發(fā)展高等教育可在一定程度上弱化城鄉(xiāng)不同收入階層的過度分化。同時(shí)，高校擴(kuò)招政策使得優(yōu)質(zhì)的教育資源更傾向于城鎮(zhèn)居民和高收入群體。這應(yīng)當(dāng)引起政策設(shè)計(jì)者的足夠重視，在大力發(fā)展高等教育的同時(shí)，需要更加關(guān)注教育機(jī)會(huì)在城鄉(xiāng)之間和不同收入群體之間的公平分配問題。

圖2 罐式煅燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 料罐幾何尺寸

1.3 冷態(tài)物理實(shí)驗(yàn)

冷態(tài)物理實(shí)驗(yàn)是在1/15等比例縮小的料罐物理模型上進(jìn)行的，該實(shí)驗(yàn)裝置由料斗、料罐、冷卻水套及排料拉板等四部分組成。物理模型的壁面采用厚度為5 mm的有機(jī)玻璃板制作，并以鋼支架進(jìn)行固定安裝。采用帶有3個(gè)與冷卻水套底部截面一致的長(zhǎng)方形孔洞的有機(jī)玻璃板作為排料控制裝置，通過反復(fù)推拉排料拉板，使拉板的孔洞與冷卻水套底部出口重疊打開–分離閉合交替循環(huán)來實(shí)現(xiàn)石油焦排料過程，具體物理裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)物料采用經(jīng)過篩分的、粒度為2~3 mm的煅后焦顆粒。采用白色西米作為示蹤粒子來表征石油焦顆粒的運(yùn)動(dòng)行為。

物理模型實(shí)驗(yàn)包括以下步驟。

1) 將物料裝入料斗中，將料面整平。

2) 拉動(dòng)冷卻水套下部的排料拉板，當(dāng)冷卻水套底面與拉板孔洞重疊，底部部分物料顆粒沿著冷卻水套穿過拉板孔洞排出，隨著拉板的繼續(xù)拉動(dòng)，水套底面與拉板孔洞不再重疊，底部排料出口封閉，此時(shí)視為完成一次排料操作過程。

表1 石油焦顆粒及爐壁基本物理參數(shù)

圖4 冷態(tài)物理模型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3) 步驟(1)、(2)循環(huán)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)采用數(shù)碼攝像機(jī)記錄顆粒下降過程的位置變化。

2 物理模型驗(yàn)證

圖5所示為冷態(tài)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M的罐式爐內(nèi)石油焦顆粒料層運(yùn)動(dòng)。圖5(a)所示為爐料料層的初始填充狀態(tài)，示蹤顆粒層為直線型，此時(shí)開始排料。隨著時(shí)間的推移，由圖5(e)和(f)中可以看出，示蹤料層逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤癠”形，說明爐料在靠近爐壁側(cè)物料下降速度較罐體中心下降速度慢，這主要是由冷卻水套出口上寬下窄的結(jié)構(gòu)特征引起的。

圖6所示為間隔24個(gè)排料周期(單罐排料量取85 kg/h，堆積層密度為850 kg/m3，根據(jù)式(7)計(jì)算可等效約為8 h)的罐式爐內(nèi)DEM模擬石油焦顆粒料層運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果，為了便于與實(shí)驗(yàn)對(duì)照觀察顆粒流動(dòng)狀態(tài)的變化，將石油焦顆粒按高度分為3層，由上至下分別用紅色、綠色、藍(lán)色標(biāo)記石油焦顆粒層。對(duì)比圖5和6可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與離散元模擬結(jié)果較為吻合，表明離散元模型的適用性，可用于罐式爐爐料運(yùn)動(dòng)模擬研究。

式中：bottom為每個(gè)排料周期刪除的顆粒總體積；coke為堆積料層密度；m為單罐單位排料量；為模擬周期排料次數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 粒度對(duì)石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)的影響

模型中以10 h為一個(gè)研究時(shí)間步長(zhǎng)，單罐單位排料量85 kg/h，堆積層密度為850 kg/m3，研究不同顆粒半徑(20~30 mm)對(duì)石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，具體模擬計(jì)算條件見表2。模型中根據(jù)式(7)，算例1、2、3等效換算為31個(gè)模擬排料周期。

圖5 罐式爐冷態(tài)模型排料過程的石油焦顆粒料層運(yùn)動(dòng)

圖6 罐式爐排料過程的石油焦顆粒料層運(yùn)動(dòng)DEM模擬圖

表2 不同算例的計(jì)算條件

圖7~9所示分別為表2中各算例條件下料罐中心、截面及料罐壁面截面處示蹤石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)行為，其中由紅、黃、綠、藍(lán)四色(紅(＞9.0 m)、黃(＞7.8 m且＜9.0 m)、綠(＞7.4 m且＜7.8 m)、藍(lán)(＜7.4 m))進(jìn)行顆粒初始位置示蹤標(biāo)記。由圖7和8可知，不同粒度石油焦在料罐內(nèi)下降運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本一致，粒度越小，黃色及綠色示蹤層呈現(xiàn)的凹形輪廓越平緩，同時(shí)經(jīng)歷10 h后不同粒度的顆粒下降距離基本一致，表明顆粒粒度對(duì)石油焦在料罐內(nèi)下降運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)影響較小，均呈現(xiàn)中心快兩邊慢的下凹形運(yùn)動(dòng)分布；在加熱帶區(qū)域，顆粒運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)活塞流特征，黃色示蹤層顆粒并未超越綠色顆粒示蹤層進(jìn)行下降運(yùn)動(dòng)，主要是由于料罐的幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，不會(huì)因非對(duì)稱的邊壁的作用形成局部排料偏析。由圖8可知，不同粒度的石油焦在料罐壁面下降運(yùn)動(dòng)幅度較中心截面顆粒運(yùn)動(dòng)幅度小，表明顆粒在壁面處的下降運(yùn)動(dòng)速度小于料罐中心處，部分黃色示蹤層顆粒越過綠色示蹤層顆粒向下運(yùn)動(dòng)，表明由于受壁面摩擦力作用，石油焦顆粒在壁面處存在一定程度的滾動(dòng)。

3.2 料罐中不同區(qū)域的顆粒運(yùn)動(dòng)模式及停留時(shí)間

圖10所示為不同時(shí)間下料罐中心截面石油焦顆粒的運(yùn)動(dòng)行為，該模擬是在表2中算例1條件下進(jìn)行的。為了追蹤石油焦顆粒從料罐頂部下移至料罐底部的運(yùn)動(dòng)軌跡變化過程，將石油焦顆粒按高度分為4層，各層顆粒以不同的顏色表示(由下到上依次是藍(lán)(＜7.4 m)、綠(＞7.4 m且＜7.8 m)、黃(＞7.8 m且＜9.0 m)、紅(＞9.0 m))。圖11所示為罐式爐壁面的石油焦顆粒隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)行為。表3所列為不同時(shí)間下示蹤石油焦顆粒的運(yùn)動(dòng)距離。由圖10 (a)可知，在料斗下方喉口處，石油焦顆粒自然堆積形成約為30°~40°的堆積角；結(jié)合罐式爐揮發(fā)分通道高于堆積層的幾何結(jié)構(gòu)特征(見圖2(b))可知，石油焦顆粒不會(huì)堵塞揮發(fā)分通道。由圖10(a)和(b)可知，料斗喉部的黃色示蹤顆粒由最初的倒三角形轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€型，表明由料斗下降至料罐的顆粒以平鋪方式堆積。由圖10、圖11和表3可知，隨著排料運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，單位時(shí)間間隔內(nèi)示蹤顆粒下降運(yùn)動(dòng)的相對(duì)偏移值由1.44 m逐漸減小為1.19 m；受壁面摩擦作用，料罐壁面處的石油焦顆粒的下降速度較料罐中心處慢，表明顆粒在料罐內(nèi)中心區(qū)域的停留時(shí)間較壁面區(qū)域短，煅燒不如罐壁處充分。由圖10(a)~(d)可知，在排料初始階段，示蹤顆粒層呈直線排布，石油焦在料罐內(nèi)以先進(jìn)先出的方式向下運(yùn)動(dòng)，表明石油焦顆粒在煅燒帶(對(duì)應(yīng)于火道加熱區(qū)域)基本符合活塞流特征；在給定的單位排料量下，石油焦顆粒在加熱帶的停留時(shí)間約為30 h，這與文獻(xiàn)[1]所述原料通過料罐中煅燒帶的時(shí)間需24~36 h基本吻合。由圖10(d)~(f)可知，隨著排料的進(jìn)行，示蹤顆粒層在冷卻帶(冷卻水套區(qū)域)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹行目靸蛇吢穆┒妨鞯奶卣?，這是由底部冷卻水套上寬下窄的幾何結(jié)構(gòu)特征引起的。

圖7 料罐中心XZ截面處不同粒度的石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)行為

圖8 料罐中心YZ截面處不同粒度的石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)行為

圖9 料罐壁面處不同粒度的石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)行為

圖10 不同時(shí)間下料罐中心截面的石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)行為

圖11 不同時(shí)間下料罐壁面石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)行為

表3 不同時(shí)間下顆粒運(yùn)動(dòng)距離

由表3可知，在給定工況條件下，石油焦自料斗喉部下落至冷卻水套中部約經(jīng)歷了50 h，平均下移距離為6.75 m。石油焦在冷卻區(qū)域停留的時(shí)間約為20 h，在爐內(nèi)的總體停留時(shí)間大于50 h。

3.3 料罐內(nèi)部的應(yīng)力分布及接觸力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖12所示為料罐中不同區(qū)域的堆積石油焦剪切應(yīng)力值。由圖12可知，隨著料罐高度的下降，高剪切應(yīng)力比例逐漸增加，由最初的0.62%上升至10.87%。圖13所示為料罐中不同位置的堆積石油焦法向應(yīng)力值。由圖13可知，隨著料罐高度的下降，高法向應(yīng)力比例逐漸增加，由最初的0.57%上升至26.35%。

圖14所示為料罐中不同位置的堆積石油焦接觸力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過線條粗細(xì)表示接觸力的大小。為了便于與實(shí)驗(yàn)對(duì)照觀察顆粒的流動(dòng)狀態(tài)的變化，將石油焦顆粒按高度分為8層，自下到上依次使用白、藍(lán)、淺藍(lán)、淺綠、淺黃、綠、黃、紅8種顏色進(jìn)行料層區(qū)域劃分。由圖14可知，隨著料罐高度降低，兩側(cè)爐壁所受應(yīng)力逐漸增大；料罐內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，料罐頂部區(qū)域(見圖14(a)和(d))區(qū)域主要為弱力鏈(細(xì)線條)，石油焦對(duì)硅磚壁面上的接觸力較??；在中下部區(qū)域(見圖14(g)、(i)、(k))分布著強(qiáng)力鏈，尤其是冷卻水套壁面的區(qū)域(見圖14(i)和(k))承受著料罐內(nèi)石油焦顆粒的絕大部分重量，顆粒之間的接觸力較大，通過強(qiáng)力鏈(粗線條)承擔(dān)了上方堆積層的質(zhì)量，因此水套壁面受到較大的壓力，根據(jù)摩擦定律可知，在排料過程中，石油焦與水套壁面的摩擦力較料罐硅磚壁面大，因此，對(duì)于冷卻水套需要定期進(jìn)行更換，防止冷卻水套過度磨損。

圖12 料罐中不同區(qū)域的堆積石油焦剪切應(yīng)力分布

圖13 料罐中不同區(qū)域的堆積石油焦法向應(yīng)力分布

圖14 料罐內(nèi)不同區(qū)域的顆粒接觸力的鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

1) 離散元模擬結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，表明離散元模型能很好地描述罐式爐排料過程的石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)行為。

2) 顆粒尺寸大小對(duì)石油焦運(yùn)動(dòng)行為的影響并不顯著；在煅燒帶區(qū)域，石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)基本符合活塞流的特征，因此，石油焦在罐式爐內(nèi)煅燒以先進(jìn)先出的方式進(jìn)行，在給定的排料量下，石油焦顆粒在煅燒帶中的停留時(shí)間約為30 h。隨著排料的進(jìn)行，在冷卻水套區(qū)域，石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁┒妨鳌?/p>

3) 罐式爐內(nèi)冷卻水套壁面及底部存在較強(qiáng)的應(yīng)力區(qū)，料斗料面及揮發(fā)分通道附近料面應(yīng)力最弱。冷卻水套的上寬下窄的幾何特征，使得料罐中的石油焦顆粒的作用力大部分由冷卻水套壁面承擔(dān)，水套內(nèi)壁受到較大的顆粒摩擦力，因此需要定期更換冷卻水套，防止過度磨損。

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Discharging behavior of petroleum coke in vertical shaft calciner based on three-dimensional discrete element method

LI Jing1, HUANG Jin-di1, 2, XIAO Jin1

(1. School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China; 2. School of Energy and Mechanical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Nanchang 330013, China)

The descending behavior of petroleum coke in vertical shaft calciner (VSC) plays an important role in the quality of calcined petroleum coke. A three-dimensional(3D) mathematical model for the discharging behavior of petroleum coke in the VSC was established. Using this model, the motion trajectory of petroleum coke particles, and the distribution of stress and the contact force chain between particles was investigated. Moreover, the reliability of discrete element method (DEM) simulation was verified by 1/15-scale cold physical model experiment. The DEM simulation results agree very well with the experimental results. The petroleum coke flow in the heating zone of pot basically accords with the plug flow, and it presents a funnel flow in the cooling jacket region. The force distribution among the petroleum coke particles is not uniform and the strong chain is mainly distributed in middle and bottom of pot, especially the wall of the cooling water jacket area.

vertical shaft calciner; discharging behavior; force chain; discrete element method; physical model

Projects(51374253) supported by National Natural Science Foundation of China; Project(GJJ160664) supported by Science and Technology Plans of Jiangxi Province Education Department, China

2017-05-02;

2017-07-05

HUANG Jin-di; Tel: +86-15079128330; E-mail: hjd041@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.07.21

1004-0609(2018)-07-1471-11

TF806.1

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374253)；江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(GJJ160664)

2017-05-02；

2017-07-05

黃金堤，講師，博士；電話：15079128330；E-mail：hjd041@163.com

(編輯 李艷紅)