送料量對新型生物質干燥系統壓力損失影響研究

劉志超， 杜振雷， 高冠濤， 朱子明， 方長順

（河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作454003）

0 引 言

近年來，生物質材料具有越來越廣泛的應用，生物質材料的綜合利用在生態修復、環境改善、清潔低碳等方面具有巨大應用前景。任何利用方式均對生物質材料含濕量有較高的要求，因此在工業化利用前必須對生物質材料進行以干燥為主的前期預處理[1]。國內外許多專家學者對生物質的輸送和干燥進行了大量研究。D.J.Mason等[2]進行實驗比較了不同流動模式下的壓降和系統特性，得出氣固兩相流的流動狀態和管道長度之間無明顯的關系。Yan和Kuan等[3]通過實驗研究，得到在彎管內氣相和顆粒的速度分布和流動狀態。在彎管中粒子的流動狀態受到氣流作用的影響。王朝暉、楊霄等[4]基于設計的新型氣力提升結構，對系統的能耗和效率進行了分析和計算，得到了管徑和壓力損失補償系數對裝置能耗和效率的影響。李晟等[5]通過搭建的生物質粉料連續輸送試驗臺，對裝置中多種操作參數對系統的影響進行了探究，得到了在不同條件下生物質粉料的輸送特性。Quek等[6]對不同曲率半徑彎管內稀相氣固兩相流動進行了仿真模擬，發現顆粒濃度受到入口處湍流的影響較小，顆粒的粒徑大小對顆粒的分布影響程度較大。R. B. Bates等[7]提出一種動力學模型，探究流動過程中揮發物的釋放速率和組成。該模型用于描述反應能量平衡和放熱。S. Bhattarai等[8]用三維模型來研究氣流干燥的問題。劉偉等[9]對旋流燃燒器內氣固兩相流進行了仿真模擬，結果表明：燃燒室內部形狀和旋流葉片的安裝角度對湍流強度和顆粒流動有著較大的影響。Sun X等[10]采用響應曲面設計對Stairmand型旋風分離器進行結構參數優化設計，為旋風分離器的結構設計提供了一定的參考。

在現有研究的基礎之上，本文提出一種利用旋風分離器對生物質物料進行干燥的新型干燥系統。為了探究送料量對系統內壓力損失的影響，利用壓力計測量不同送料量下系統內各部分的壓強，并采用FLUENT軟件進行數值模擬，與試驗結果進行比較，得出系統最佳運行工況，為實際生產提供一定的參考。

1 試驗裝置

圖1 新型生物質干燥系統結構示意圖

生物質干燥系統結構示意圖如圖1所示，為了提高生物質物料干燥效率，使干燥更充分，生物質干燥系統采用封閉排氣管的旋風分離器使得物料在系統中進行離心脫水。此外，還采用多級串聯的方式，延長物料的輸運路徑，使得物料在輸運過程中能夠充分地與氣流混合, 從而帶走物料表面水分。

生物質干燥系統主要由離心式風機、負壓關風器、輸送管道和旋風分離器等組成。系統分別有送風口和送料口。離心式風機布置在送風口處，將空氣送入輸送管道中，隨后生物質物料在負壓關風器的輸送下進入管道與氣流混合，在氣流的作用下分散并懸浮于氣流中，同時隨氣流在系統內運動。流動過程中，在氣流的曳力作用下水分與生物質物料初步分離。然后氣流將生物質物料送入旋風分離裝置。在旋風分離裝置中，物料在摩擦力和離心力的作用下脫水干燥。生物質物料完成一次干燥后從旋風分離裝置下方再次進入輸送管道，隨氣流進入下一級的旋風分離裝置，提高生物質物料的干燥效率。

測量裝置主要為畢托管和U型管壓力計。在離心式風機出口處設置測量口利用畢托管測量入口風速；分別在系統的送料口后和出口處設置測量口，利用U型管壓力計測量當前位置的壓力，據此求得系統的壓力損失。

2 試驗結果及分析

在生物質干燥系統中，影響流動特性的因素有很多，例如風速、送料量、系統壁面表面粗糙度和生物質顆粒的粒徑等等，其中主要因素為入口風速和送料量。本實驗在固定入口風速的情況下，改變送料量來探究其對系統流動特性的影響，同時設置多組風速進行試驗對比。

首先調節風機，設置風速分別為20、25、30 m/s等3種風速，調節負壓關風器送料量分別為5、6、7、8、9 t/h。系統運行穩定后分別讀取流量計和壓力計的示數，得到實驗結果并加以分析。

當入口風速為20 m/s時，送料量從5 t/h提高到7 t/h，整個系統的壓降從26 278.7 Pa降低到19 456.3 Pa。在送料量為7 t/h時，系統的壓力損失最小。當送料量由7 t/h逐漸增大到9 t/h時，系統的壓降從19 456.3 Pa增大到28 733.4 Pa。不同工況下部分試驗數據如表1所示。

表1 不同工況下系統的壓力損失 Pa

將入口風速分別調節為25 m/s和30 m/s時，整個系統的壓降有著相同的變化規律，即隨著送料量的增大，系統的壓力損失逐漸變小，在7 t/h時達到最小，而在超過7 t/h后系統的壓力損失又會逐漸增大。在入口風速為25 m/s和30 m/s時，系統的最小壓力損失分別為31 057.8 Pa和43 524.5 Pa。

隨著送料量的變化系統的壓力損失出現先減小后增大的情況，原因是：當送料量小于7 t/h時，隨著送料量的增大，系統內輸送的顆粒濃度增加，同時顆粒對紊流脈動風速的抑制作用隨之增加，而由于紊流脈動作用消耗的能量減小，使得系統的壓力損失減小。當送料量超過7 t/h時，系統內輸送的顆粒濃度進一步增加，從而導致顆粒間的相互作用增大，顆粒與系統內產生的摩擦阻力增大，同時氣流輸送顆粒時需要的能量增加，導致系統的壓力損失增大。

3 數值模擬

針對新型生物質干燥系統的運行情況，可以利用FLUENT軟件對其進行計算模擬。這樣能夠更直觀地了解系統的運行情況和流動特性，并與試驗情況進行對比，以期得到更加全面的數據和優化方案。

3.1 三維網格模型的建立

采用Gambit軟件構建干燥裝置內流體模型并進行網格劃分，為保證計算結果準確性，對所有計算區域網格劃分采用結構與非結構網格混合，如干燥系統的三維網格模型圖2所示。

在新型生物質系統流動仿真計算中，對干燥系統的內部流動視為穩態運動，流體流動狀態為湍流運動。流體的流動遵循連續性方程、動量方程和能量方程，在模擬流動仿真中不涉及熱量的傳遞，所以視流場恒溫。主要采用RNG k-ε模型和離散相模型相結合的方式進行求解。

RNG k-ε模型對模擬高應變流動的情況有較大的改善，并且在湍流中加入了旋流的影響，使得計算旋流的精度大大提高，因此在模擬預測旋流流動中廣泛應用，是標準k-ε模型的一種變形，以上特點使得RNG k-ε模型比標準模型具有更精確、更可靠，適用于更廣泛的流體類別的優點。為了最大程度模擬系統的流動情況，流場的計算采用RNG k-ε湍流模型，入口邊界采用速度入口邊界條件，壁面設置為無滑移壁面。

圖2 新型生物質干燥系統三維網格模型

3.2 仿真結果與分析

模擬將入口風速分別設置為20、25、30 m/s，送料量分別設置為5、6、7、8、9 t/h。模擬不同情況下的系統流動特性，得出系統內的壓力分布變化。

生物質干燥系統在不同工況下的壓力損失變化如圖3所示。從圖中可以看出，隨著風速的增加，系統的壓降明顯上升。同時，隨著送料量的變化系統的壓降呈現出先減小后增大的變化趨勢，這一趨勢與試驗結果基本吻合。但是模擬結果與試驗存在一定的差異，這是因為在實際運行中，系統內會有生物質顆粒的殘留對流動形成阻礙作用，而且在運行過程中生物質顆粒的密度會產生一些變化。在對顆粒參數和邊界條件的設置中會對其進行理想化的設置，這些都使得模擬值與試驗結論產生一定的誤差。

圖3 系統壓損隨送料量的變化

生物質干燥系統在風速為20 m/s、送料量為7t /h時的氣相壓力分布如圖4所示。圖4表示X=0的橫向截面壓力分布。從圖中可以看出，在同一風速條件下系統內壓力在逐漸下降。模擬結果表明：在生物質干燥系統內壓力最大的區域主要在風機入口處到旋風分離器入口之間，以及每級旋風分離器的螺旋葉片部分；空氣從管道進入旋風分離器后壓力逐漸減小，在旋風分離器下半部壓力基本一致。壓力分布表現出較好的軸對稱特性，壓力隨徑向位置自上而下減小，在旋風分離器軸中心位置壓力遠小于入口處。

圖4 生物質干燥系統內壓力分布圖

圖5 壓力沿徑向位置分布曲線

圖5為在旋風分離器中壓力隨徑向位置變化分布圖，圖中所用數據為入口風速20 m/s，送料量為7 t/h時第一級裝置X=0截面不同高度處壓力分布曲線圖。從圖可以看出壓力在徑向位置上的分布，在上半部分壓力從外側向內側逐漸減小，在下半部分壓力在徑向位置變化不大，這是由于上半部分螺旋葉片對氣流和物料的摩擦作用導致壓力的下降，同時壓力隨位置高度的降低而逐漸減小。

4 結 論

1) 當入口風速一定時，隨著送料量的增大，系統的壓力損失先減小后逐漸增加。因此可以通過控制送料量來減小系統的壓力損失。

2) 系統內部壓力分布呈現出較好的軸對稱性，壓力值隨軸向位置自上而下減小，在軸中心位置靜壓的值小于壁面處和螺旋葉片處的壓力值。整個系統的壓力值隨入口風速的增加而上升。

3) 采用RNG k-ε模型和離散相模型相結合的方法對新型生物質干燥系統流動特性進行了模擬研究，驗證了模型可以有效地模擬旋風分離裝置內的湍流流動，得出的結論與實驗值基本吻合，證明模型可有效模擬新型生物質干燥系統流動過程。