生物質在回轉干燥窯中的動力學特性及模擬研究

李坤　靳世平

（1華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院湖北武漢4300742華中科技大學能源學院湖北武漢430074）

生物質在回轉干燥窯中的動力學特性及模擬研究

李坤1,2靳世平2

（1華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院湖北武漢4300742華中科技大學能源學院湖北武漢430074）

基于歐拉-歐拉模型研究生物質在回轉干燥窯中顆粒-顆粒，顆粒-載氣，顆粒-墻壁之間的相互作用及動態特性，并運用Taguchi正交實驗法分析生物質粒徑大小，干燥窯回轉速度，初始填充率等不同運行條件下生物質在回轉窯中的運動特性和凈通量特性。模擬結果表明：粒徑大小與回轉窯旋轉速度對生物質凈通量及軸向混合影響較大，初始填充率對生物質徑向混合作用明顯。

生物質；回轉干燥窯；歐拉-歐拉模型；Taguchi分析法；清潔能源

1　回轉干燥窯介紹

回轉干燥窯作為一種顆粒流量與熱傳遞的載體廣泛運用于生物質干燥過程，然而在回轉窯中粒子與粒子，粒子與熱載氣，粒子與壁面間的相互作用使得生物質干燥特性及粒子運動機制的研究變得相對復雜[1,2]。隨著計算處理速度的快速發展，計算機模擬已成為了研究粒子流動特征的有效工具，該實驗采用歐拉-歐拉模型來模擬生物質木屑在不同粒徑大小、回轉干燥窯旋轉速度以及回轉干燥窯初始填充率下顆粒-顆粒，顆粒-載氣，顆粒-壁面之間的相互作用，并使用Taguchi正交實驗法對模擬數據進行分析與處理，并對其中的生物質凈流通量，軸徑向運動速度進行對比分析，從而得到生物質木屑在回轉窯鐘干燥過程的一般適用性條件。

2　實驗設備與方法

該回轉干燥窯為半工業化實驗設備，由干燥圓筒系統、送料系統、燃燒系統，以及旋風除塵系統組成。如圖1所示，生物質由料斗進入螺旋進料口，再經入口閥門與鼓風機將生物質顆粒按照一定流量送入干燥圓筒，干燥圓筒長4.5m，直徑0.6m，為保證生物質顆粒在干燥圓筒中的易流動性，干燥圓筒的水平傾斜率為8mm/m。干燥回轉圓筒內均勻分布著承載葉片及導流葉片（見圖2）以加快生物質顆粒在圓筒內的攪拌及輸送，進而增強生物質與熱氣流間的熱交換，以達到快速干燥的效果。

Taguchi正交試驗法被運用于該次實驗中，為避免量化不同參數間的復雜作用，Taguchi正交試驗法著重于每個不同參數的獨立特性，精確每個參數對最終結果的影響比重，從而用最少的試驗次數得到所需結果。針對生物質粒徑大小（1mm，3mm，5mm）、回轉干燥窯初始填充率（20%，30%，40%）以及回轉干燥窯旋轉速度（2rpm，4rpm，6rpm）三種不同參數對生物質在回轉干燥窯中的運動狀態及干燥效率的影響，根據Taguchi正交試驗法原則，共9組實驗將各參數按照一定規律進行排列組合。

3　結果與討論

該實驗采用墻壁非滑移接觸的歐拉模型進行多重模擬，包括生物質回轉干燥窯凈流通量、生物質顆粒最大軸徑向運動速度以及平均軸徑向速度在內的五組特性指標被測出，根據Taguchi正交實驗5步分析法可進一步得到各參數對最終特性指標的影響比重值，見表1。

表1　各參數對生物質特性指標影響占比

凈流通量分析法是表達回轉干燥窯對生物質干燥的處理效率和產量最簡單有效的方法。從上圖可知，生物質粒徑大小是影響凈流通量最主要的因素，影響占比約為70%。這表明如若需要提高生物質干燥效率，改變生物質顆粒大小比改變回轉窯旋轉速度及回轉窯初始填充率更有效。

當討論生物質顆粒在回轉干燥窯中的軸向速度時，最大軸向速度與平均軸向速度被引出。從表1中可以看出回轉窯旋轉速度是影響最大軸向速度的一個重要因素（52.7%），其次是生物質粒徑大小。而對于平均軸向速度來說則恰恰相反，生物質粒徑大小對平均軸向速度的影響占比為64.8%。回轉干燥窯初始填充率在最大/平均軸向速度的影響上都只在10%左右，作用相對不明顯。

對于特性指標徑向速度來說，更多的是考慮到生物質在回轉窯內的充分混合情況。表1顯示出回轉窯初始填充率成為徑向速度的主導因素，但對于最大徑向速度與平均徑向速度的作用還是有所差異。隨著回轉窯初始填充率的增加，回轉窯內生物質顆粒-顆粒與顆粒-壁面之間的相互作用增強，顆粒的最大徑向速度相互抵消，導致最大徑向速度減小而平均徑向速度增大。

4　結語

基于實地測量與模擬研究，該文章分析了生物質顆粒在回轉干燥窯中的運動學狀態。歐拉-歐拉模型、流體動力學模型與Taguchi正交實驗法被運用于其中。為更好的了解顆粒運動狀態以及不同參數對生物質顆粒運動的具體影響，三個參數：回轉窯旋轉速度，生物質粒徑大小，回轉窯初始填充率被選為可變變量輸入，并對包括凈流通量在內的五個特性指標進行檢測。通過Taguchi正交試驗法分析，最終得出生物質粒徑大小對凈流通量以及軸向運動速度有很大的關系，并且當粒徑增大，回轉窯內的粒子活躍區域增大，凈流通量大大增加；回轉窯旋轉速度對軸向運動亦有很大的影響，進而影響凈流通量，但是回轉窯旋轉速度增大到一定程度，生物質粒子間的作用變強，當粒子在回轉窯中的流態為旋轉態時，最大正負粒子速度同時增大，最終分使得平均粒子軸徑向速度則趨于相對較低的水平。

[1]Lee C F,Chou H T,Capart H.Granular segregation in narrowrotational drums with different wall roughness:Symmetrical and asymmetrical patterns[J].Powder Technology,2013,233(2):103-115.

李坤（1990—），男，湖北鄂州人，華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院，碩士研究生。研究方向：生物質能清潔利用。