基于離散元法的生物質熱解螺旋抄板優化設計與試驗

中圖分類號：S776 文獻標識碼：A DOI：10.7525/j.issn.1006-8023.2025.04.017

Abstract： Inrecent years，biomass pyrolysis equipment has emergedasafocal pointofresearch inthe globalenergy sector.To ackle challenges such asuneven material heating andaccumulation at the tail section commonlyobserved in fixed-bed pyrolysis systems，this study focuses onoptimizing andanalyzing theperformanceof spiral combined flights，a keycomponent in fixed-bedreactors.Anovel variable-pitch combinedflightsstructure was designed，anditscritical parameters were systematicallydetermined.Using Altair EDEM simulations，the effects of rotational speedand equipment inclination angleon the discharge rate were evaluated，and the simulationoutcomes were validated through experiments. Simulationresults demonstratedthatthe variable-pitchcombinedflightsstructure effctivelyliftedmaterialsandredirected tail-end accumulation towards the discharge outlet，enabling uniform heating andresolving the isue of particle buildupatthetail.Meanwhile，theinclinationangle exertedasignificantlystronger influenceonthedischargerate，with a between-group to within-group mean squareratioof 240.OO，farsurpassing theratioof 25.60 observedforrotational speed.Experimental results aligned closely with the simulations，yielding a correlation coeficientof 0.998 7.

Keywords：Biomass；spiralcombined flight；discrete elements；optimization design；correlation analysis

0引言

機問題，減少溫室氣體排放，并有助于減輕全球變暖和環境污染等問題[1]。生物質具有分布廣泛、可再生和低污染的特性。然而，直接利用生物質原料存在諸多缺點，如直接燃燒的熱值低等。利用生物質能源轉化技術，可以將其轉化為高品位、高效能、商品化、易于運

生物質能以化學能的形式貯存于生物質中，是一種具有替代石油、煤炭等化石能源潛力的可再生能源。生物質能的開發和利用能夠在一定程度上解決能源危輸、使用方便的新能源產品[2]。然而，如何高質高效轉化和利用生物質成為當前研究熱點。

生物質熱解技術是指生物質在無氧或缺氧環境下，在高溫條件下使生物質原料進行熱分解，主要產物為生物油、生物炭、焦油、醋液及燃氣等[3-5]。熱解在清潔能源生產和固碳減排方面展現出巨大的應用潛力，同時也是自前熱化學方法中獲得生物油的唯一技術[6-7]。熱解反應器是實現該技術的重要裝置，不同類型的反應器對于熱解產物的分布和反應效率有重要影響。目前，主要的熱解反應器包括固定床、流化床、回轉窯、旋轉錐、燒蝕、攜帶床和真空熱解等，生物油的制備主要采用流化床，生物炭的制備主要采用固定床和移動床。目前國內外試驗室常用管式爐作為熱解設備進行相關機理研究，但存在反應室各部位溫度梯度較大，物料在爐體內處于停滯不能均勻受熱，導致設備生產效率低、炭化質量差及未完全炭化等問題[8-12]。Aschenbrenner等[13]以及Moorthi等[14]對螺旋裝置進行了優化設計，系統性地優化了能效與物料輸送性能，通過數值驗證方法驗證了設計的合理性，并探討了其在固定床反應器中的應用。Ou等[15]以及Liu[16]通過離散元法對熱解設備關鍵部件的結構優化設計，能夠顯著提升熱解過程的效率和顆粒流動特性。通過離散元法對熱解設備關鍵部件的結構優化設計，能夠顯著提升熱解過程的效率和顆粒流動特性。為進一步提升物料受熱均勻性并解決尾部堆料的問題，提出一種針對固定床核心部件螺旋抄板的新型變螺距結構設計，并通過離散元法對設備內部的顆粒運動狀態進行了仿真分析。

1 材料與方法

1.1 連續熱解反應裝置結構

生物質連續熱解反應裝置結構，如圖1所示。該裝置由爐體、前后爐蓋、螺旋抄板和陶瓷纖維加熱器等組成。

1. 2 變螺距抄板結構優化設計

螺旋抄板通過螺旋葉片繞軸線自轉，將物料沿軸傳輸至所需位置[17]。針對傳統的定螺距抄板在固定床熱解反應中易導致物料受熱不均勻和尾部堆料等問題，對其進行優化設計，提出一種變螺距設計。根據熱解反應器各位置的功能需求，將反應器的螺旋抄板結構優化為螺距不同的三段式結構，如圖2所示。密螺旋段主要負責推動物料向前輸送；寬螺旋段的主要功能是揚起物料，確保其在熱解設備內均勻受熱。此外，該段也具有推動物料向前輸送的功能；而反向螺旋段的主要功能為將堆積在尾部的物料反向推進至出料口。

螺旋抄板設計的關鍵參數如下[18-20]。

S=（0.5～0.22）D

式中： D 為螺旋外徑， mm;S 為螺距， mm;n 為螺旋軸轉速， Δ_r/min;K 為物料特性系數， K=0.05;Q 為生產率， Q= 30kg/h;ψ 為填充系數， ψ 取 為容積密度，取 110～270kg/m³;C 為傾角系數，水平軸時 為綜合系數， A=50 。

由式（1）計算出螺旋外徑 D≥61.25mm ，取 D= 171.5mm ；由式（2）計算出螺距的范圍在 38.0～167.2mm 由式（3）計算出 n_max=36.38r/min ，試驗控制螺旋軸轉速在 1～150r/min 。

同時，要保證物料沿軸向移動，需要滿足軸向的合力大于0，即必須保證 $F _ _ { ＼ast ＼ddag ＼} } gt; 0$ ，通過分析生物質顆粒的受力情況可得

式中： α 為軸體傾角； β 為抄板螺旋角； ω 為轉動角速度， ω=1.57rad/s;t 為時間， t=0s;r 為爐體半徑， r=D/2 μ 為摩擦系數 ，μ=0.3;_g 為重力加速， 。

由式（4）計算可得出，螺旋角在 17.9^°～27.9^° 時具有較好的推進作用，對應螺距的范圍為 64.6～105.9mm 此時抄板的輸送能力最強，故設計密螺旋螺距 S₁= 100mm ，長度 L₁=100mm ；寬螺旋螺距 S₂=1000mm ，長度 L₂=300mm ；反向螺旋螺距 S₃=100mm ，長度 L₃= 100mm ;連續熱解要求反應裝置在 300～600^°C 條件下連續穩定工作，螺旋外徑與反應管間隙選擇為 4～8mm 。因此，設計筒式反應器為外徑 175mm 、壁厚 3mm 長度 500mm 的304不銹鋼管，葉片采用實體螺旋面，利用厚度 2mm 寬度 20mm 的304不銹鋼條，纏繞并焊接在螺旋軸上。

2 研究方法

2. 1 仿真模擬

為研究變螺距抄板對出料效率的影響，采用EDEM 2022^[21] 模擬生物質顆粒的運動狀況，并針對仿真結果進行分析。

2.1. 1 離散單元模型相關假設

為能夠簡化分析顆粒之間的接觸情況，將顆粒模型進行簡化，做出假設如下。1）顆粒整體剛性假設下，其接觸點的變形反映整體顆粒集合的變形行為。2）顆粒間的接觸產生在有限的范圍內，可近似成點接觸。3）顆粒之間的接觸為軟接觸。4）顆粒自身的微小擾動對周圍顆粒的影響可忽略不計。5）假設生物質顆粒在仿真受熱過程中物理形態沒有發生變化。

2.1. 2 模型建立

使用SolidWorks2022對定螺距和變螺距螺旋抄板進行簡化建模，以提高模擬質量和仿真效率，分別對螺旋抄板的支撐部分、傳動部分進行簡化。簡化后模型如圖3所示，并將簡化后的模型劃分為如圖4所示的4個區域，在EDEM2022中按照區域位置創建顆粒追蹤器，以便觀察仿真結果中4個區域的顆粒總數。

2.1.3 參數設置

選擇48目粒徑的核桃殼粉作為顆粒材料，同時選用亞克力作為爐體及螺旋抄板的材料。相關參數設置見表1。

利用離散單元法模擬抄板對顆粒運動軌跡和分布的影響，研究定螺距抄板與變螺距抄板在不同轉速和傾角下對顆粒運動情況的影響。其中螺旋外徑為74mm 、螺旋內徑為 35mm ，將定螺距抄板與變螺距抄板分別編號為a和b，相關仿真參數設置見表2。

2.1.4接觸模型選擇

顆粒與顆粒及顆粒與幾何模型之間的接觸采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，該模型適用于球狀散裝物料接觸問題的仿真模擬。粉碎后的核桃殼粉顆粒大部分呈長條狀，小部分呈不規則形狀，為提高仿真效率，選擇四球連接體22作為仿真所用的核桃殼粉顆粒模型，如圖5所示。

2.2 驗證試驗設計

通過3D打印技術制作了定螺距和變螺距抄板的實物模型，并選用亞克力管作為爐體模型，結合進料斗、抄板、驅動電機和減速器等，搭建了試驗裝置，如圖

6所示。通過錄制高幀率視頻，觀察并記錄常溫狀態下顆粒的運動軌跡以及電子天平示數，以驗證仿真結果的準確性。

3 結果與分析

3.1 仿真分析

3.1.1 定螺距抄板與變螺距抄板中的顆粒運動情況分析

選取仿真進行1s后熱解設備入口處的50個顆粒作為示蹤顆粒，記錄其在抄板內的運動軌跡。2種不同結構的螺旋抄板內的示蹤顆粒運動軌跡及速度云圖如圖7所示，在設備中段，變螺距抄板內運動至頂部的顆粒軌跡明顯多于定螺距抄板。由圖8可知，變螺距抄板結構使得生物質顆粒在Ⅱ區和Ⅲ區的顆粒數量相較定螺距抄板結構有所增加，表明變螺距抄板可以延長物料在反應器內的停留時間。同時，V區的顆粒數量相較定螺距抄板結構明顯減少。這表明變螺距抄板對物料提升的能力更強，同時定螺距抄板尾部的運動軌跡明顯少于定螺距抄板，尾部堆料得到了有效改善。

3.1.2不同參數對出料量的影響

（1）轉速對出料量的影響。在顆粒間摩擦系數為0.3、顆粒與螺旋葉片摩擦系數為0.25、顆粒與滾筒筒壁摩擦系數為0.25，以及進料速率為6000個/s的條件下，變螺距抄板在不同轉速下的出料量和出料速率隨時間的變化如圖9所示。不同轉速條件下，出料量曲線顯示出較高一致性，且在時間軸上未觀察到顯著變化，表明在本試驗的參數設置下，轉速對出料量的影響有限。變螺距抄板的出料速率呈周期性變化。這表明轉速相同時，旋轉一圈輸送的顆粒數基本保持恒定，轉速越快，周期越短，出料量也越大。

圖10為轉速的相關性熱圖，觀察到不同轉速條件下的顆粒數量之間存在高度正相關，相關系數接近1。這表明顆粒數量在各轉速條件下的變化趨勢一致，即當某一轉速下的顆粒數量增加時，其他轉速下的顆粒數量也同步增加，同時表明轉速并不是影響顆粒生成效率的關鍵因素。

（2）傾角對出料量的影響。顆粒之間摩擦系數為0.3，顆粒與螺旋葉片之間的摩擦系數為0.25，顆粒與滾筒筒壁之間的摩擦系數為0.25，進料速率為6000個/s時，抄板在不同轉速下的出料和出料速率隨時間的變化如圖11所示。在測量初期，所有傾角的出料量均較少，接近于零，表明初始階段環境中的顆粒量較低或顆粒分布較為均勻。隨著時間的推移，不同傾角之間的顆粒收集量出現了顯著差異。隨著傾角的增大，出料量呈現先增加后減小的趨勢，其中在 15^° 和 30^° 時達到相對峰值，表明這2個傾角是顆粒收集效率的最優條件。

圖12為不同轉速條件下的相關性熱圖，觀察到30^°?45^° 和 60^° 之間表現出極高的正相關性，相關系數接近于1，說明這些傾角下出料量的變化趨勢非常相似，這表明不同傾角在相似的環境條件下會同時發生顆粒堆積或減少。而 0^° 傾角與所有其他傾角的相關性都較低，這表明 0^° 傾角的出料量變化與其他傾角的關系較弱。可能是因為重力等物理因素的影響較大，導致其獨立性較強。

綜上所述，在所觀察的條件下， 15^° 和 30^° 傾角在顆粒收集方面的效率明顯高于其他角度，其中 30^° 傾角表現最佳。結果表明傾角對顆粒收集效率有顯著影響，30^°，45^° 和 60^° 傾角在收集與釋放方面更敏感，表現出較高的速率峰值和波動性。未來研究應集中于進一步理解這些傾角在不同環境條件下的動態響應機制，以優化顆粒收集系統的設計與應用。

圖13為不同轉速和傾角對出料量進行方差分析后的結果。由圖13可知，傾角對出料量的F（F-statistic）

為240.00，顯著高于轉速的 F（25.60） ，表明傾角在顆粒收集中的影響更為顯著。這表明傾角在模型中對顆粒收集的影響更為顯著。

3.1.3 顆粒軸向分布

設置摩擦系數為顆粒間0.3、顆粒與螺旋葉片0.25、顆粒與滾筒筒壁0.25，進料速率6000個/s，轉速30rpm 。分別選取傾角為 0^° 和 30^° 的仿真結果進行數據分析。

在對4個區域隨時間變化的顆粒數量進行分析時，發現各區域的粒子顆粒量變化趨勢存在顯著差異，如圖14所示。I區為設備尾部收集裝置，隨著時間逐步增大到一定程度后保持不變；Ⅱ區和Ⅲ區的粒子數量在測量初期迅速增加，并在較高水平波動；V區的粒子數量整體較低，同樣呈現出一定的波動性。

綜上所述，傾角為 0^° 和 30^° 時的整體趨勢相似，顆粒主要集中在I區和ⅢI區，而V區的顆粒數量最少。這種分布使生物質顆粒在主反應區停留時間更長，有助于提高受熱均勻性，符合設計自標。

3.2 驗證試驗

驗證試驗以粒徑為80目的核桃殼粉為試驗對象，通過調速器調節螺旋抄板轉速，在出料口處放置紙杯并放置于電子秤上，試驗參數見表3，利用手機實時記錄電子天平示數（即掉落核桃殼粉的實時質量）。此外，在紙杯內放置一塊海綿，以避免顆粒落入紙杯時的沖擊對試驗結果的準確性造成影響。

圖15和圖16為試驗數據與仿真數據的對比，結果顯示抄板的出料量呈周期性變化。試驗結果與顆粒相互間的摩擦系數為0.25、顆粒與滾筒壁面之間摩擦系數為0.25時的模擬結果匹配度較高；相關系數為0.9987。

4結論

1）針對現有熱解設備受熱不均和尾部堆料問題，對其核心部件螺旋抄板進行優化設計。通過設計變螺距抄板，可延長物料在反應器內的停留時間，同時有效解決尾部堆料問題，從而提高能量利用率。并確定變螺距抄板的關鍵結構參數。

2）采用離散元法分析變螺距抄板的設計參數如何影響設備性能，研究轉速、傾角等關鍵操作參數對設備出料速率的影響，并進一步通過試驗驗證仿真結果的準確性和可靠性。仿真分析表明，通過調整抄板的轉速和設備的傾角，可以有效控制生物質顆粒在熱解裝置內的流動特性，從而優化熱解過程并提高出料速率；其中，傾角對出料量的影響起主導作用，其 F=240.00 顯著高于轉速對出料量影響的 F（25.60） 。

3）試驗結果與仿真數據的試驗結果高度一致，驗 證了仿真模型的準確性，相關系數為 0.9987 。

參考文獻

[1] SOBEK S，WERLE S. Solar pyrolysis of waste biomass ： Part1 reactor design [J].Renewable Energy，2019，143： 1939-1948.

[2]劉榮厚，牛衛生，張大雷.生物質熱化學轉換技術[M]. 北京：化學工業出版社，2005：22-24. LIU R H，NIU W S，ZHANG D L. Biomass thermochemical conversion technology [M].Beijing：Chemical Industry Press，2005：22-24.

[3］楊磊，孫強，王化，等.林源活性物質提取生產中固形剩 余物的熱解利用[J].森林工程，2009，25（2）：5-8，27. YANGL，SUNQ，WANGH，etal. Pyrolysis utilization of residue production in the extraction of active substances from forestbiomass[Jl.Forest Engineering，2009，25（2）：5-8，27.

[4]張燕，佟達，宋魁彥.生物質能的熱化學轉化技術[J]. 森林工程，2012，28（2）：14-17. ZHANG Y，TONG D，SONG K Y. Study on biomass thermo-chemical conversion techniques[J]. Forest Engineering，2012，28（2）：14-17.

[5] BARR M，VOLPE R，KANDIYOTI R. Influence of reactor design on product distributions from biomass pyrolysis [J]. ACS Sustainable Chemistry amp; Engineering，2019，7（16） ： 13734-13745.

[6] BAI X，XU D，SUN W，et al. Physico-mechanical properties of Sapindus mukorossi seed[J].BioResources，2023，18 （1） ：1008-1024.

[7］何詠濤．利用農林廢棄物聯產生物油和生物炭[D].杭 州：浙江工業大學，2012. HE Y T.Co-production of bio-oil and biochar from agricultural and forestry wastes[D]. Hangzhou： Zhejiang University of Technology，2012.

[8]張蕾蕾，矯云學，黃超.連續式生物質熱解炭化設備設 計與試驗[J].農業工程，2024，14（7）：76-84. ZHANG L L， JIAO Y X，HUANG C. Design and experiment of continuous biomass pyrolysis carbonization equipment[J].Agricultural Engineering，2024，14（7） ：76-84.

[9]路冉冉，商輝，李軍.生物質熱解液化制備生物油技術 研究進展[J].生物質化學工程，2010，44（3）：54-59. LU R R，SHANG H，LI J. Research progress on biomass pyrolysis technology for liquid oil production[J].Biomass Chemical Engineering，2010，44（3）：54-59.

[10] GERASIMOV G，VOLKOV E. Modeling study of oil shale pyrolysis in rotary drum reactor by solid heat carrier[J]. Fuel Processing Technology，2015，139：108-116.

[11] ZHENG S，ZHANG X，QI C，et al. Modeling of heat transfer and pyrolysis reactions in ethylene cracking furnace based on 3-D combustion monitoring[J]. International Journal of Thermal Sciences，2015，94：28-36.

[12]BORIOUCHKINE A.SHARIFI V.SWITHENBANK J.et al.Experiments and modeling of fixed-bed debarking residue pyrolysis ： The effect of fuel bed properties on product yields[J].Chemical Engineering Science，2015，138： 581-591.

[13] ASCHENBRENNER E，FUNKE A. Numerical validation of a screw conveyor design method[Jl.Energyamp;Fuels， 2024，38（14） ：13019-13028.

[14] MOORTHI S，MEGARAJ M. Design and development of single screw conveying machine for pyrolysis of waste plastics using nano zeolite particles in fixed bed reactor [J].Materials Today ：Proceedings，2021，47：880-884.

[15]OU W，LIU T，WANG C，et al.DEM simulation of biomass pyrolysis in a novel interconnected screw reactor [J]. International Journal of Chemical Reactor Engineering，2023，21（8）：937-949.

[16]LIU B. Structural optimization of baffle internals for fast particle pyrolysis in a downer reactor using the discrete element method[J].Chemical Engineering，2021，5（2）： 167-179.

[17]馮莉，李天舒，徐凱宏．生物質燃料粉碎成型機螺旋運 輸裝置設計[J].森林工程，2015，31（3）：101-105. FENG L，LI T S，XU K H. Design of screw conveyor device for biomass crushing and molding machine[J]. Forest Engineering，2015，31（3）：101-105.

[18]XIONGQ，XUF，RAMIREZ E，et al. Modeling the impact of bubbling bed hydrodynamics on tar yield and its fluctuations during biomass fast pyrolysis[J]. Fuel，2016， 164 ：11-17.

[19]胡勇克，戴莉莉，皮亞南．螺旋輸送器的原理與設計 [J].南昌大學學報（工科版），2000（4）：29-33，91. HU YK，DAI L L，PIY N. Theories and calculation of the auger-type conveyer[J]. Journal of Nanchang University （Engineeringamp; Technology），2000（4）：29-33，91.

[20]王曉艷，董良杰，李玉柱，等.生物質熱裂解制取生物 油裝置的螺旋給料機設計[J].吉林農業大學學報， 2005（5） ：114-117. WANG XY，DONGLJ，LIY Z，et al.Design of a worm distributor for the equipment of producing bio-oil by biomass pyrolysis [J]. Journal of Jilin Agricultural University，2005（5） ：114-117.

[21]石呈.連續熱解炭化窯溫度場仿真與優化設計[D].杭 州：中國計量大學，2021. SHI C.Continuous pyrolysis carbonization kiln temperature field simulation and optimization design[D].Hangzhou：China Jiliang University，2021.

[22]張曉明.有機肥顆粒熱風干燥工藝及裝備研究[D].北 京：中國農業大學，2017. ZHANG X M. Research on hot air drying process and equipment for organic fertilizer granules[D].Beijing： China Agricultural University，2017.