回轉干餾爐內顆粒間傳熱特性的數值模擬

王擎，李建，王智超，張立棟

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

回轉干餾爐內顆粒間傳熱特性的數值模擬

王擎，李建，王智超，張立棟

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

將離散元方法與顆粒熱傳導模型相結合，研究了頁巖灰顆粒與油頁巖顆粒在回轉干餾爐內的混合傳熱過程，采用混合指數、顆粒平均溫度和溫度標準偏差作為評價混合傳熱效果的指標，分析了填充率、爐體轉速、油頁巖粒徑及抄板形式對顆粒間混合傳熱特性的影響規律。結果表明，爐體轉速和油頁巖粒徑是影響顆?；旌蟼鳠嵝Ч闹饕蛩?，而填充率和抄板形式對混合傳熱效果的影響相對較小。當爐內未設抄板時，隨著填充率和油頁巖粒徑的增大，顆粒間分層現象使混合傳熱效果變差，而隨爐體轉速的提高傳熱效果呈現出先增強后減弱的趨勢；設抄板時，抄板形式對爐內顆粒間的混合起到不同程度的擾動作用，從而使傳熱效果得到顯著改善。

回轉干餾爐；離散元方法；數值模擬；混合；傳熱

引 言

世界油頁巖資源豐富，其儲量折算成頁巖油資源量大約為5000億噸[1]，遠遠超過了世界原油可采儲量和原油資源量，因此油頁巖已經成為石油的重要補充能源[2]。油頁巖固體熱載體干餾技術是一種重要的油頁巖處理技術[3]，是指用高溫頁巖灰顆粒作為固體熱載體在回轉爐中與頁巖顆粒混合換熱并對其進行干餾從而制取頁巖油的過程[4]，該技術具有資源利用率高、油收率高等優點[5]。

回轉裝置在工業生產中處理顆粒狀物料有著廣泛的應用[6]，包括煅燒、干餾、滲碳、浸漬以及干燥等。目前，對回轉裝置中顆粒之間的傳熱過程進行仿真模擬的研究手段主要有兩種：計算流體力學方法（computational fluid dynamics，CFD）和離散元方法（discrete element method，DEM）。應用CFD將顆粒系統視為連續性介質，雖然能夠獲得顆粒與顆粒以及顆粒與周圍流體之間進行熱交換過程中的溫度場分布[7]，但在實際情況下必須考慮顆粒的離散性，無法揭示單個顆粒的具體運動情況以及溫度變化，而應用DEM既能揭示整個顆粒系統的混合情況和溫度分布，又能揭示單個顆粒溫度變化，因此離散元方法在工業分析仿真應用中有著非常好的前景[8]。

近十年來，離散元方法在研究流化床[9]、填充床[10]以及回轉爐[11]等方面得到了廣泛的應用，已經成為一種研究顆?；旌线\動和傳熱現象的有效方法。對于顆粒的混合運動，胡陳樞等[12]對不同轉速下滾筒內二組元顆粒的混合和分離過程進行了模擬，提出兩種衡量混合程度的方法——表觀混合指數和動態混合指數。李少華等[13-15]對回轉干餾爐內兩種不同粒徑顆粒的混合過程進行了模擬，利用顆粒間接觸數作為評價顆?；旌铣潭鹊闹笜耍芯糠治隽嘶剞D爐轉速、抄板形式、爐型結構等對二組元顆?；旌闲Ч挠绊?。

在模擬顆粒傳熱方面，Maio等[16]成功模擬預測了流化床中顆粒溫度場的變化，得到的結果與實驗數據相吻合，因此應用離散元方法模擬回轉爐內顆粒的傳熱過程是可行的。Gui等[17-18]采用DEM結合顆粒間熱傳導模型研究了顆粒在圓形滾筒和波形滾筒內的傳熱過程。Chaudhuri等[19-20]在不考慮內部氣體的情況下對以爐壁作為熱源的回轉窯中顆粒系統與爐體壁面間的傳熱過程進行了模擬，與實驗對比研究了顆粒材料特性參數（熱導率、比熱容）、爐體轉速、填充率和回轉窯內構件形式對顆粒溫度變化的影響規律。

雖然已經有許多學者對油頁巖干餾過程進行了大量的研究，但是對小顆粒油頁巖在固體熱載體回轉干餾爐中進行干餾時與頁巖灰顆粒間混合傳熱過程缺乏較為深入的分析。為此，應用離散元方法對非反應回轉干餾爐內高溫頁巖灰顆粒與油頁巖顆粒之間的混合傳熱過程進行模擬，綜合考慮干餾爐運行參數和抄板形式對兩種顆粒間混合傳熱特性的影響，旨在掌握各因素對顆粒狀油頁巖干餾過程的影響規律，為油頁巖固體熱載體技術的開發和工業應用提出合理有效的操作方法和優化方案。

1 模型及工況

1.1 顆粒熱傳導模型

根據3種傳熱機制（導熱、對流以及輻射）可知，在回轉爐中顆粒介質之間的熱傳遞過程[19]包括：①固體顆粒內部的熱傳導；②兩個顆粒之間通過接觸而產生的熱傳導；③兩個顆粒接觸之前通過之間的間隙流體而產生的熱傳導；④通過回轉爐內流體的對流換熱；⑤固體顆粒表面之間的輻射換熱。由于油頁巖的干餾過程是在隔絕空氣的條件下進行的，并且不考慮油頁巖干餾產生的氣體對顆粒間傳熱的影響，所以可忽略顆粒與顆粒之間通過間隙流體產生的熱傳導和對流換熱。對于回轉干餾爐中的單一密集相顆粒系統來說，顆粒與顆粒之間接觸非常頻繁，因此接觸熱傳導成為主要的傳熱方式[21]。運用離散元方法對工業設備中單相顆粒流系統內部的傳熱過程進行模擬仿真時，可建立一種簡單的熱交換模型，并運用此模型來預測和分析回轉干餾爐中顆粒間相互接觸并發生熱量交換時溫度場的變化。

顆粒間相互接觸時的傳熱量[22]可表示為

式中，Qpipj為單位時間內高溫頁巖灰顆粒與頁巖顆粒之間的傳熱量；Tpi和 Tpj為頁巖顆粒和頁巖灰顆粒的溫度；Hc為傳熱系數[23]，表達式為

式中，λ1、λ2分別為油頁巖顆粒和頁巖灰顆粒的熱導率；括號中的內容表示顆粒與顆粒間的接觸面積，FN為法向接觸力（normal force）；r*為Hertz完全彈性接觸理論中的顆粒幾何平均半徑；E*為等效楊氏模量（effective Young’s modulus）。

顆粒間的傳熱量計算出來后，根據熱力學第一定律，顆粒溫度隨時間的變化可以通過式（3）求解

式中，ΣQpipj為所有頁巖灰顆?；蝽搸r顆粒熱流量之和，Tp、ρp、cp和Vp分別為顆粒材料的溫度、密度、比定壓熱容和體積。式中忽略了固體顆粒內部的熱傳導對溫度分布的影響。當固體顆粒直徑較小時，顆粒內部的熱傳導在瞬間內便可完成，所以假設顆粒內部溫度視為均勻分布是合理的[24-25]。

1.2 假設條件

為了簡化計算，對于本模型可作如下假設。

（1）填充的頁巖灰顆粒和頁巖顆粒的粒徑假定為平均直徑的球形顆粒，不考慮干餾過程中顆粒形狀和結構的變化；

（2）模擬過程中設定的材料特性參數均為常數，不隨顆粒溫度發生變化；

（3）單位仿真時間步長內顆粒溫度為定值；

（4）回轉爐爐壁視為絕熱壁面；

（5）不考慮油頁巖干餾過程中有機質熱解產生油氣對傳熱的影響。

1.3 模型驗證

應用離散元方法顆粒熱傳導模型對回轉干餾爐內顆粒間的熱傳遞過程進行模擬，為了驗證此模型的正確性，設計了一個與Nafsun和Herz的實驗[26]相同的工況并進行模擬，得到的結果與之相對比。材料參數設置詳見表1，開始時30℃的石英砂顆粒和130℃玻璃顆粒按質量比1:1（兩種顆粒各100000顆，填充率為20%）填充入滾筒內，填充情況見圖1。顆粒填充完畢后，滾筒在轉速6 r·min-1(約0.628 rad·s-1)下勻速轉動，轉動時間為80 s。

圖2所示為本文數值模擬結果與Nafsun和Herz實驗結果的對比，由圖可見，對于模擬和實驗結果，隨著時間的推移，高溫顆粒（玻璃）的平均溫度呈下降趨勢，而低溫顆粒（石英砂）的平均溫度呈上升趨勢，說明顆粒在滾筒內通過接觸實現了熱交換。數值模擬得到的平均溫度較實驗結果略高，并且較光滑，這是由于在實驗中物料特性會隨溫度的改變而改變，同時在現實中熱量會通過筒壁散失到外界。但是從整體效果來看，數值模擬結果與實驗數據吻合良好，因此應用本文的顆粒間熱傳遞模型預測滾筒內顆粒間熱傳遞是可行的。

表1 材料特性參數Table 1 Materials’ parameters employed in DEM simulations

圖1 顆粒填充情況Fig.1 Particle filling condition

圖2 數值模擬結果與實驗結果對比Fig.2 Comparison between numerical simulation and experimental results

1.4 模型及參數

應用離散元軟件 EDEM 結合顆粒熱傳導模型對回轉爐內油頁巖顆粒和頁巖灰顆?；旌蟼鳠崆闆r進行模擬，其中油頁巖顆粒和頁巖灰顆粒均為球形顆粒，頁巖灰顆粒直徑為 3 mm，并將回轉爐尺寸按一定比例縮?。▋葟紻=60 mm，長度L=30 mm，壁厚δ=2 mm），這樣既可以獲得顆粒在回轉爐內混合和傳熱的一般規律，又可以大大縮短仿真用時，仿真用到的材料特性參數和接觸系數見表2、表3。爐內安置抄板形式及尺寸如圖3(a)～(c)所示。頁巖灰顆粒和油頁巖顆粒按質量比3:1填充，采用自由落體的方式先填充頁巖灰顆粒后填充頁巖顆粒的方式：0～0.5 s內為頁巖灰顆粒，0.5～1 s為油頁巖顆粒，填充完畢后回轉干餾爐從t=1 s時開始按逆時針方向勻速轉動。圖4為無抄板情況下填充率為50%，粒徑為4 mm的油頁巖顆粒與頁巖灰顆粒在爐內填充情況。由圖4可知，顆粒填充完畢時爐內顆粒分層現象最嚴重，上層黑色顆粒是初始溫度為110℃的油頁巖顆粒，下層深灰色顆粒為740℃的頁巖灰顆粒。

表2 材料特性參數Table 2 Materials’ parameters employed in DEM simulations

表3 材料接觸的相關系數Table 3 Some parameters of material contact

圖3 回轉爐抄板形式Fig.3 Flights forms equipped in rotary retorting

圖4 t=1 s時顆粒填充情況Fig.4 Particle filling condition in retort at t=1 s

2 結果與討論

在對回轉干餾爐內油頁巖顆粒與頁巖灰顆粒間的混合效果進行定量分析時，引入顆粒間接觸數指數作為混合指數來評價回轉爐內兩種顆粒的混合效果，定義混合指數（mixing index）為

式中，Coil-ash為油頁巖顆粒與頁巖灰顆粒的接觸數；Ctotal為爐內顆?？偟慕佑|數，包括油頁巖顆粒與頁巖灰顆粒，油頁巖顆粒與油頁巖顆粒，頁巖灰顆粒與頁巖灰顆粒。一般認為M在0.2～0.5之間混合效果較好，M越大，說明顆粒的混合程度越高[27]。

為了使顆粒間的傳熱過程以及溫度變化能夠更加清楚直觀地展現出來，引入兩個量化指標，分別為油頁巖顆?；蝽搸r灰顆粒的平均溫度（average temperature）和溫度標準偏差（standard deviation of temperature），表達式分別見式(5)、式(6)

式中，為某時刻油頁巖顆粒或頁巖灰顆粒的平均溫度；Ti為該時刻顆粒的溫度；N為該種顆?？倲?。顆粒溫度標準偏差表示顆粒溫度偏離顆粒整體平均溫度的程度，該值越小說明顆粒溫度偏離平均溫度的程度越小，溫度分布越均勻，傳熱效果就越好。

2.1 填充率對顆粒之間換熱的影響

研究填充率對爐內顆粒的混合傳熱特性的影響規律時，在爐內不設置抄板的情況下，填充粒徑為3 mm的頁巖灰顆粒和4 mm的油頁巖顆粒，改變回轉爐內顆粒的填充率φ，使其分別為30%、40%和50%，并使回轉爐保持在ω=0.3 rad·s-1下勻速轉動。圖5為不同填充率下回轉爐內油頁巖顆粒與頁巖灰顆粒的混合指數隨時間變化波動曲線。由圖5可見，在爐體轉動的初始階段，由回轉爐轉動產生的擾動使兩種顆粒混合指數急劇增大，直至混合指數M趨于相對平穩的波動狀態。填充率為30%時，M在回轉爐運行50 s左右達到最大，約為0.27；填充率為40%時，混合效果約在回轉爐運行80 s時達到最好，此時M約為0.25；填充率為50%時，M在回轉爐運行140 s左右達到最大，約為0.24。由此可見回轉爐轉速一定時爐內顆粒填充率越低，兩種顆粒在回轉爐中混合達到最佳狀態時所用的時間越少，并且混合指數越高，因此混合效果越好。

圖5 不同填充率下混合指數隨時間的變化Fig.5 Evolution of mixing index over time with different fill ratio

圖6(a)所示為3種不同填充率下油頁巖顆粒在被高溫頁巖灰顆粒加熱過程中平均溫度變化曲線。從圖6(a)中可以看出，爐內顆粒填充率對油頁巖顆粒平均溫度的影響相對較小。隨著回轉爐的轉動，高溫頁巖灰顆粒與油頁巖顆粒之間通過接觸發生熱傳遞，熱量由頁巖灰顆粒傳遞至油頁巖顆粒，使其溫度升高，最終達到干餾溫度。在傳熱過程中，二者的溫差逐漸減小，同時油頁巖顆粒的升溫速率也逐漸降低，兩種顆粒的溫度最終達到一個穩定狀態，即熱平衡狀態，并且要遠遠晚于混合達到最佳狀態用時，說明顆粒之間的傳熱過程是一個復雜而緩慢的過程。不同填充率下油頁巖顆粒溫度標準偏差隨時間變化曲線如圖6(b)所示，爐內顆粒填充率越低，油頁巖顆粒溫度標準偏差越小，顆粒溫度分布越均勻，這是因為在低填充率下，兩種顆粒在爐內的混合效果越好，油頁巖顆粒與高溫頁巖灰顆粒接觸越頻繁，使油頁巖顆粒可以被高溫頁巖灰顆粒均勻加熱。因此爐內顆粒填充率越低，顆粒之間傳熱效果越好。

圖6 不同填充率下油頁巖顆粒平均溫度隨時間的變化(a)和溫度標準偏差變化(b)Fig.6 Average oil shale particles temperature over time with different fill ratio (a) and variation of standard deviation of oil shale particles temperature over time (b) for different fill ratios

2.2 回轉爐轉速的影響

為了研究回轉爐轉速對爐內頁巖灰顆粒與油頁巖顆粒之間混合傳熱過程的影響規律，在爐內不設置抄板的情況下，使回轉爐分別在不同轉速下（0.1、0.2、0.3、0.4 和 0.5 rad·s-1）勻速轉動，保持其他參數不變：d=4 mm，φ=50%。圖7為不同回轉爐轉速下頁巖灰顆粒與油頁巖顆粒的混合指數隨時間變化波動曲線。由圖7可知，隨著回轉爐轉速的增加，顆粒間在達到相對穩定的混合狀態時M呈現先升高后降低的趨勢，而達到最佳混合狀態用時呈現先減小后增大的趨勢，這是由于回轉爐轉速較低時，回轉爐的轉動對爐內顆粒間混合產生的擾動較小，不足以使爐內顆粒得到充分混合；圖8為回轉爐轉速為0.4和0.5 rad·s-1時爐內顆粒分層現象對比，可見爐體轉速較高時，隨著爐體的轉動顆粒容易出現分層現象[28-29]，即大顆粒與小顆粒還未分離便又聚集在一起形成大顆粒區，使顆粒間不能充分混合。

圖7 不同回轉爐轉速下隨時間的變化Fig.7 Evolution of mixing index for different rotational speeds

圖9(a)所示為不同回轉爐轉速下爐內油頁巖顆粒平均溫度變化曲線。從圖9(a)中可以看出，隨著回轉爐轉速的增加，爐內油頁巖顆粒升溫速率呈現先上升后下降的趨勢，轉速為 0.4 rad·s-1的回轉爐內油頁巖顆粒升溫速率最快。為了更加直觀地反映轉速對爐內顆粒間混合及傳熱過程的影響，需要分析顆粒間混合達到最佳狀態用時tM及M值和油頁巖顆粒溫度達到最佳干餾溫度（500℃）用時 tT的對應關系，見表4。可見，顆?；旌系迷娇?，M越高，并且tT越小。圖9(b)中展示了不同轉速下油頁巖顆粒溫度標準偏差隨時間變化而變化曲線。從圖9(b)中可以看出，回轉爐轉速為0.1 rad·s-1時，爐內油頁巖顆粒溫度分布最不均勻，其偏離顆粒整體平均溫度的程度最大；而轉速為 0.4 rad·s-1時，顆粒溫度分布均勻性最好。就總體而言，油頁巖顆粒溫度分布均勻性隨著回轉爐轉速的增加呈現出先增大后減小的規律，與顆粒間混合效果以及油頁巖顆粒平均溫度隨轉速變化的規律是一致的。這是由于當爐體轉速為 0.4 rad·s-1時，回轉爐爐體的轉動對爐內顆粒的擾動效果最好，顆粒間的混合效果強于其他4種轉速下的顆粒混合效果，油頁巖顆粒能夠被頁巖灰顆粒均勻包裹加熱（圖8），使油頁巖顆粒溫度分布最均勻，顆粒間熱傳遞效果最好。

圖9 不同轉速下油頁巖顆粒平均溫度(a)和溫度標準偏差(b)隨時間的變化Fig.9 Average oil shale particles temperature (a) and variation of standard deviation of oil shale particles temperature (b) over time under rotational speeds

圖8 轉速為0.4和0.5 rad·s-1時爐內顆粒分層現象及溫度分布對比Fig.8 Segregation phenomenon and temperature field distribution of particles at 0.4 and 0.5 rad·s-1

表4 不同轉速下混合及傳熱參數Table 4 Parameters of mixing and heat transfer with different rotational speed

2.3 油頁巖粒徑的影響

在研究油頁巖粒徑對爐內顆粒間混合傳熱過程的影響時，在爐內不設置抄板的情況下，考慮 3種不同粒徑（3、4和5 mm），使顆粒填充率為30%，回轉爐在0.3 rad·s-1下勻速轉動。圖10為油頁巖粒徑不同時混合指數隨時間變化曲線。由圖10可知，粒徑為3 mm時混合指數M遠遠高于其他兩種粒徑下顆粒間的混合指數，并且混合效果最好，而d=4 mm時次之，d=5 mm時最差。

圖10 粒徑不同時混合指數隨時間的變化Fig.10 Evolution of mixing index for different oil shale particle diameters

圖11(a)所示為粒徑不同時爐內油頁巖顆粒平均溫度變化曲線。表5為油頁巖粒徑不同時tM、M和tT的對照表。從圖11(a)和表5中可以看出，油頁巖顆粒直徑越小，顆粒升溫速率越快，達到最佳干餾溫度和熱平衡狀態用時越少。圖11(b)所示是不同粒徑下油頁巖顆粒溫度標準偏差隨時間變化曲線。由圖11(b)可見，油頁巖粒徑為4 mm時溫度標準偏差最大，顆粒溫度分布最不均勻。隨著回轉爐的轉動，在初始階段，由于顆粒間混合不夠充分，油頁巖粒徑為5 mm時顆粒分層現象比較嚴重（圖12），使其不能被頁巖灰顆粒均勻加熱，整體溫度較低，所以會出現粒徑大反而溫度偏差小的現象。但是在125 s之后，粒徑越小混合越充分，油頁巖顆粒被頁巖灰均勻包裹并加熱，顆粒整體溫度分布越均勻。

圖11 不同粒徑下油頁巖顆粒平均溫度(a)和溫度標準偏差(b)隨時間的變化Fig.11 Average oil shale particles temperature (a) and variation of the standard deviation (b) over time under different diameters of oil shale particles

表5 油頁巖粒徑不同時混合及傳熱參數Table 5 Parameters of mixing and heat transfer with different diameter of oil shale particles

2.4 抄板形式的影響

圖12 油頁巖粒徑為3和5 mm時爐內顆粒分層現象及顆粒溫度分布對比Fig.12 Segregation phenomenon and temperature field distribution of particles at d=4 mm and d=5 mm

圖13 不同形式抄板下混合指數隨時間的變化Fig.13 Evolution of mixing index for different flights forms

為了研究抄板形式對回轉爐內頁巖灰顆粒與油頁巖顆粒之間混合傳熱過程的影響規律，在爐內分別填充粒徑為3 mm的頁巖灰顆粒和4 mm的油頁巖顆粒，并使填充率為30%，改變爐內抄板形式（圖3），回轉爐在轉速為0.3 rad·s-1下勻速轉動。圖13所示為不同抄板形式下回轉爐內顆?；旌现笖惦S時間變化曲線。由圖13可見，當爐內裝置抄板時，隨著回轉爐的轉動顆粒間的混合指數迅速增大。當爐內無抄板時顆粒間混合狀態最佳時混合指數約為0.27，直抄板時僅為0.24左右，直角抄板時為0.25左右，彎抄板時約在0.26上下波動，比較后可以發現安裝直抄板時顆粒間的混合效果最差，這是由于在低轉速下隨著爐體的轉動直抄板對顆粒的擾動效果不明顯并且抄板阻礙了顆粒間的接觸。而對于爐內安裝彎抄板時，抄板的擾動作用使得混合較快達到最佳狀態，并且相對較穩定。

圖14(a)所示為不同抄板形式下回轉爐內油頁巖顆粒平均溫度隨時間變化曲線。從圖14(a)中可以看出，回轉爐內設置抄板時，不同形式抄板對油頁巖顆粒的升溫速率及最高溫度無明顯影響，但溫度升高較無抄板情況明顯。圖14(b)為爐內設置不同形式抄板時油頁巖顆粒溫度標準偏差隨時間變化曲線。由圖14(b)可見：4種不同形式抄板下，不設置抄板時油頁巖顆粒溫度偏差值最大，直抄板次之，直角抄板更小，而設置彎抄板時最小，說明抄板形式對顆粒間的傳熱有一定的影響，設置彎抄板時抄板對顆?；旌线^程中擾動作用最強，使顆粒間能夠充分混合并傳熱，溫度分布最均勻，頁巖灰顆粒與油頁巖顆粒之間傳熱效果最好。

圖14 不同抄板下油頁巖顆粒平均溫度(a)和溫度標準偏差(b)隨時間的變化Fig.14 Average oil shale particles temperature (a) and variation of standard deviation of oil shale particles temperature (b)over time for under forms of flights

3 結 論

為提高固體熱載體回轉干餾爐中頁巖灰顆粒與油頁巖顆粒間的傳熱效率，將離散元方法與顆粒熱傳導模型相結合對非反應回轉干餾爐內油頁巖顆粒和頁巖灰顆粒的混合與傳熱過程進行了模擬研究，結果發現。

（1）在設定的模擬工況下，干餾爐轉速以及油頁巖粒徑對顆粒間混合效果、顆粒平均溫度和溫度標準偏差的影響較明顯，是影響顆粒間混合傳熱特性的主要因素，而爐內顆粒填充率和抄板形式對顆粒間混合情況和溫度變化的影響相對較小。

（2）頁巖灰顆粒與油頁巖顆粒之間混合效果越好，傳熱效果越好，當回轉干餾爐內未設抄板時，隨著顆粒填充率的降低、油頁巖粒徑的減小，爐內顆粒間的混合傳熱效果呈現出增強的趨勢，而隨著爐體轉速的提高則呈現出先增強后減弱的趨勢。

（3）爐內設置抄板時，抄板周期性的擾動加快了顆粒間的混合，提高了油頁巖顆粒的升溫速率以及爐內顆粒溫度均勻性，并且當爐內設置彎抄板時顆粒間的混合和傳熱效果最好。

綜上所述，最佳組合工況為爐內顆粒填充率φ=30%、干餾爐轉速ω=0.4 rad·s-1、油頁巖粒徑d=3 mm、爐內設置彎抄板。

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date:2017-02-16.

Prof. WANG Qing, rlx888@126.com

supported by the National Natural Science Foundation of China(51676032, 51276034) and the Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University(IRT13052).

Numerical simulation on characteristics of heat transfer between particles in rotary retorting

WANG Qing, LI Jian, WANG Zhichao, ZHANG Lidong
(Engineering Research Centre of Oil Shale Comprehensive Utilization,Ministry of Education,Northeast Electric Power University,Jilin132012,Jilin,China)

The processes of mixing and heat transfer between oil shale ash particles and oil shale particles in a non-reacting rotary retorting were investigated by using discrete element method combined with particle thermal conduction model. The mixing index, the average temperature of particles and the standard deviation of temperature were used as the quantitative indexes to evaluate the effect of mixing and heat transfer. The influences of fill ratio of particles, rotational speed of vessel, diameter of the oil shale particles and flights form on particles mixing and heat transfer characteristics were analyzed. Results indicated that the rotational speed of vessel and the diameter of the oil shale particles are the main factors which influence the mixing and heat transfer effect between particles, but the fill ratio and the flights form are relatively minor. When rotary retorting without flights equipped,with the increasing of the fill ratio or the diameter of oil shale particles, the more serious segregation phenomenon between two kinds of particles occurs, the worse the mixing and heat transfer performance are. But it goes up firstly then down with the increasing of vessel speed. Compared with the rotary retorting without flights, the flights forms have influence of disturbance on particle mixing inordinately, so that the mixing and heat transfer effect between particles can be improved remarkably.

rotary retorting; discrete element method (DEM); numerical simulation; mixing; heat transfer

TQ 051

A

0438—1157（2017）11—4137—10

10.11949/j.issn.0438-1157.20170147

2017-02-16收到初稿，2017-07-08收到修改稿。

聯系人及第一作者：王擎（1964—），男，教授。

國家自然科學基金項目（51676032，51276034）；教育部長江學者和創新團隊發展計劃項目（IRT13052）。