顆粒在橢圓形回轉干餾爐內運動分析*

張立棟 朱明亮 劉朝青 王 擎 李少華 于 鑫

(1.東北電力大學；2.中國大唐電力科學研究院；3. 華能吉林發電有限公司長春熱電廠)

顆粒物質正逐漸被人們所認知、研究，厚美瑛等對顆粒物質的基本性質、基本現象進行了闡述，對較常見的糧倉效應、加壓膨脹特性、應力分布與成拱現象、崩塌現象以及振動引起的巴西果效應與成各種圖案效應等現象進行系統描述[1～3]。在對顆粒進行研究的領域內，混合質量優異對產品質量有著至關重要的影響[4]，主要因素有運動空間、顆粒物性及運動速度等。目前國內外學者對這方面的研究主要采用數值模擬及實驗等方法對不同振動下顆粒運動及回轉裝置內顆粒運動模式進行分析[5～7]，其中最典型的是巴西果效應，從中發現諸多振動所引起的現象[8～10]。對于回轉裝置內顆粒運動模式的研究，在圓形回轉裝置上的較多，主要通過不同顆粒物性、不同轉速等實驗因素對顆粒在回轉裝置內運動情況的影響進行分析[11～14]。武錦濤等通過實驗與數值模擬對移動床中顆粒的運動進行研究，得出影響顆粒運動速度與內部受力的主要原因[15]。此外，國外對方形回轉容器、橢圓形滾筒內不同物性顆粒混合與分離情況進行了分析，并對不同混合裝置內顆粒隨時間推移所形成的混合花紋與偏析現象進行系統分析[16～18]。

為了研究橢圓形混合裝置對油頁巖固體熱載體干餾煉油過程的影響情況，應首先分析顆粒在橢圓形干餾爐中的運動狀態。因此，本實驗對橢圓形回轉裝置內不同長短軸比的橢圓筒形、不同轉速、不同填充率和不同顆粒粒徑下顆粒的運動模式進行對比分析，總結低轉速時橢圓形回轉裝置內顆粒的運動模式，為研究橢圓滾筒內油頁巖與固體熱載體間混合機理打下基礎。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1實驗裝置及物料物性

本實驗所使用的實驗臺如圖1所示，調速儀調節范圍為0～50r/min，實驗薄滾筒依據長短軸之比的不同分為兩類(長短軸之比10.0∶9.0和10.0∶8.5)。實驗物料采用直徑為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，與鋼球間摩擦系數為0.15。

圖1 實驗裝置

1.2實驗方案設計

實驗主要方案(實驗工況)見表1。此外為了研究不同粒徑顆粒對運動形式的影響，采用3mm鋼球顆粒重復進行10.0∶9.0橢圓形滾筒實驗。

表1 實驗工況

2 實驗結果與討論

顆粒在圓筒形混合器內的運動根據其不同物料與轉速大致有6種形態[19]，筆者觀察實驗過程中轉速對顆粒運動影響情況和長短軸隨時間的變化，提取長軸垂直水平面時顆粒的運動圖像進行處理，并對比分析異同點。

2.1不同轉速下顆粒運動情況

圖2所示為粒徑1mm的顆粒在10.0∶9.0橢圓滾筒不同轉速時的運動情況。轉速6r/min時顆粒總體運動形式呈圓形運動模式中的rolling(滾動)模式，20、40r/min轉速下顆粒總體運動形式呈現cascading(小瀑布)模式。圖2中箭頭代表顆粒運動趨勢，A區域為顆粒下落層，B區域為渦心，C區域為相對靜止層，曲線a為下落層與其他兩個區域的分界線。對3種轉速下顆粒的運動情況對比可知：顆粒群上表面在不同轉速下表現各不相同，隨著轉速的提高上表面由直線逐漸變為大弧度曲線；顆粒在下落層兩端所表現出的運動弧度隨轉速的增加而增大，渦心變長。這些現象與顆粒在圓形滾筒中相應運動模式下的運動現象基本相同。

圖2 不同轉速下顆粒的運動情況

2.2不同位置下顆粒運動情況

在不同位置下顆粒運動變化與圓形滾筒間差異很大(圖3)：隨著滾筒轉動，顆粒表層與橢圓中心距離會發生周期性變化，顆粒表層所處位置在滾筒縱向(即顆粒層與長軸垂直位置)位置時最高，橫向(即顆粒層與短軸垂直位置)位置時最低，這一結果導致渦心隨著轉動上下變化，并不像在圓形滾筒中渦心不變；隨著轉速的增大，顆粒表層切線a與水平線的夾角在不同位置發生變化，這一結果表明，在不同位置顆粒受到滾筒上拋力的作用，在橫向時，上拋力最大，導致曲線a與水平線夾角最大；根據對不同位置下顆粒表面曲線b的形狀對比發現，在較高轉速下，橫向位置曲線變化弧度較大，該現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 不同轉速、不同位置時顆粒的運動情況

2.3不同筒形下顆粒運動情況

根據對不同轉速下10.0∶9.0橢圓滾筒與10.0∶8.5橢圓滾筒顆粒運動情況對比得出，當長短徑比變大后，顆粒在低轉速下運動狀態相同，但進入小瀑布模式后運動有所改變，如圖4所示為轉速40r/min時滾筒(10.0∶8.5)內不同位置顆粒運動情況。

圖4 10.0∶8.5滾筒內不同位置顆粒運動情況

通過圖3、4對比發現，由于滾筒長短軸的變化，導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，顆粒運動模式進入小瀑布的最低轉速升高。

2.4不同填充率下顆粒運動情況

根據對實驗記錄的觀察與分析，得出10.0∶9.0滾筒與10.0∶8.5滾筒在低轉速(0～50r/min)下1/6填充率顆粒運動模式基本相同，但與1/3填充率下顆粒運動差別很大。圖5為10.0∶9.0滾筒內1/6填充率下40 r/min時滾筒在不同位置時顆粒的運動情況，整體可以運動模式介于滾動模式和小瀑布模式之間，根據滾筒不同位置顆粒運動模式有所不同。圖5a為豎直位置時顆粒的運動情況，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一定的上拋趨勢，此時的顆粒運動模式趨近于小瀑布模式，與之相反，橫向位置時顆粒運動平緩，運動模式更趨近于滾動模式；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模式。這組結果表明，在橢圓滾筒內，顆粒運動模式并不固定在圓形滾筒的6種模式，由于長短軸的變化會使顆粒出現兩種運動模式并存的模式，在這里可以看作過渡模式。

圖5 10.0∶9.0滾筒內1/6填充率下顆粒運動情況

2.53mm顆粒運動情況分析

粒徑為3mm的顆粒在10.0∶8.5滾筒不同轉速下的運動情況如圖6所示。通過觀察實驗發現，在各個轉速下，顆粒運動情況并非全程一個模式，在圖6a、b中，顆粒運動到長軸垂直水平位置時，顆粒開始做滾動模式運動，當顆粒經過長軸與橢圓交點位置后，顆粒以滑動模式運動；當轉速升高到30r/min左右時，在長軸垂直水平位置時出現小瀑布模式，之后變為滾動、滑動模式；在40r/min下顆粒運動模式由滾動、滑動相結合的模式轉變為小瀑布與滑動相結合的運動模式；隨著轉速的升高，滑動模式會漸漸被滾動模式所替代，在50 r/min左右時，滑動模式完全被滾動模式所替代，顆粒運動模式變為滾動模式與小瀑布模式相結合的形式。

圖6 10.0∶8.5滾筒內3mm顆粒運動情況

通過這組實驗表明，當顆粒變大后，在長軸平行水平位置附近運動時，顆粒受到重力作用導致其在運動過程中產生大規模滑動；而在長軸位置被短軸替代后，顆粒進入了一個“爬坡”階段，此時，顆粒靜摩擦力大于重力產生的推力，故而運動模式變為滾動模式；在轉速提高后，顆粒的滑動速度逐漸跟不上滾筒的轉動，致使滑動被滾動替代；又由于轉速增大后，顆粒在原滾動區域內所受到的慣性增大，導致顆粒慢慢被拋起，產生了小瀑布模式。

3 結論

3.1在低轉速下，顆粒在橢圓滾筒內運動模式與在圓形滾筒的運動模式基本相同，但在橢圓滾筒內，不同位置會出現不同的運動模式。

3.2長短軸比10∶9較10∶8.5，顆粒運動趨勢趨于平緩，進入小瀑布模式所需轉速被提高。

3.3填充率變低會導致引起顆粒運動模式變化的最低轉速增加，運動模式變化過渡區更明顯。

3.4顆粒粒徑變大，導致顆粒的運動模式更復雜，滑動模式、滾動模式與小瀑布模式組合出現。

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