生物质在回转干燥窑中的动力学特性及模拟研究

李坤　靳世平

（1华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院湖北武汉4300742华中科技大学能源学院湖北武汉430074）

生物质在回转干燥窑中的动力学特性及模拟研究

李坤1,2靳世平2

（1华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院湖北武汉4300742华中科技大学能源学院湖北武汉430074）

基于欧拉-欧拉模型研究生物质在回转干燥窑中颗粒-颗粒，颗粒-载气，颗粒-墙壁之间的相互作用及动态特性，并运用Taguchi正交实验法分析生物质粒径大小，干燥窑回转速度，初始填充率等不同运行条件下生物质在回转窑中的运动特性和净通量特性。模拟结果表明：粒径大小与回转窑旋转速度对生物质净通量及轴向混合影响较大，初始填充率对生物质径向混合作用明显。

生物质；回转干燥窑；欧拉-欧拉模型；Taguchi分析法；清洁能源

1　回转干燥窑介绍

回转干燥窑作为一种颗粒流量与热传递的载体广泛运用于生物质干燥过程，然而在回转窑中粒子与粒子，粒子与热载气，粒子与壁面间的相互作用使得生物质干燥特性及粒子运动机制的研究变得相对复杂[1,2]。随着计算处理速度的快速发展，计算机模拟已成为了研究粒子流动特征的有效工具，该实验采用欧拉-欧拉模型来模拟生物质木屑在不同粒径大小、回转干燥窑旋转速度以及回转干燥窑初始填充率下颗粒-颗粒，颗粒-载气，颗粒-壁面之间的相互作用，并使用Taguchi正交实验法对模拟数据进行分析与处理，并对其中的生物质净流通量，轴径向运动速度进行对比分析，从而得到生物质木屑在回转窑钟干燥过程的一般适用性条件。

2　实验设备与方法

该回转干燥窑为半工业化实验设备，由干燥圆筒系统、送料系统、燃烧系统，以及旋风除尘系统组成。如图1所示，生物质由料斗进入螺旋进料口，再经入口阀门与鼓风机将生物质颗粒按照一定流量送入干燥圆筒，干燥圆筒长4.5m，直径0.6m，为保证生物质颗粒在干燥圆筒中的易流动性，干燥圆筒的水平倾斜率为8mm/m。干燥回转圆筒内均匀分布着承载叶片及导流叶片（见图2）以加快生物质颗粒在圆筒内的搅拌及输送，进而增强生物质与热气流间的热交换，以达到快速干燥的效果。

Taguchi正交试验法被运用于该次实验中，为避免量化不同参数间的复杂作用，Taguchi正交试验法着重于每个不同参数的独立特性，精确每个参数对最终结果的影响比重，从而用最少的试验次数得到所需结果。针对生物质粒径大小（1mm，3mm，5mm）、回转干燥窑初始填充率（20%，30%，40%）以及回转干燥窑旋转速度（2rpm，4rpm，6rpm）三种不同参数对生物质在回转干燥窑中的运动状态及干燥效率的影响，根据Taguchi正交试验法原则，共9组实验将各参数按照一定规律进行排列组合。

3　结果与讨论

该实验采用墙壁非滑移接触的欧拉模型进行多重模拟，包括生物质回转干燥窑净流通量、生物质颗粒最大轴径向运动速度以及平均轴径向速度在内的五组特性指标被测出，根据Taguchi正交实验5步分析法可进一步得到各参数对最终特性指标的影响比重值，见表1。

表1　各参数对生物质特性指标影响占比

净流通量分析法是表达回转干燥窑对生物质干燥的处理效率和产量最简单有效的方法。从上图可知，生物质粒径大小是影响净流通量最主要的因素，影响占比约为70%。这表明如若需要提高生物质干燥效率，改变生物质颗粒大小比改变回转窑旋转速度及回转窑初始填充率更有效。

当讨论生物质颗粒在回转干燥窑中的轴向速度时，最大轴向速度与平均轴向速度被引出。从表1中可以看出回转窑旋转速度是影响最大轴向速度的一个重要因素（52.7%），其次是生物质粒径大小。而对于平均轴向速度来说则恰恰相反，生物质粒径大小对平均轴向速度的影响占比为64.8%。回转干燥窑初始填充率在最大/平均轴向速度的影响上都只在10%左右，作用相对不明显。

对于特性指标径向速度来说，更多的是考虑到生物质在回转窑内的充分混合情况。表1显示出回转窑初始填充率成为径向速度的主导因素，但对于最大径向速度与平均径向速度的作用还是有所差异。随着回转窑初始填充率的增加，回转窑内生物质颗粒-颗粒与颗粒-壁面之间的相互作用增强，颗粒的最大径向速度相互抵消，导致最大径向速度减小而平均径向速度增大。

4　结语

基于实地测量与模拟研究，该文章分析了生物质颗粒在回转干燥窑中的运动学状态。欧拉-欧拉模型、流体动力学模型与Taguchi正交实验法被运用于其中。为更好的了解颗粒运动状态以及不同参数对生物质颗粒运动的具体影响，三个参数：回转窑旋转速度，生物质粒径大小，回转窑初始填充率被选为可变变量输入，并对包括净流通量在内的五个特性指标进行检测。通过Taguchi正交试验法分析，最终得出生物质粒径大小对净流通量以及轴向运动速度有很大的关系，并且当粒径增大，回转窑内的粒子活跃区域增大，净流通量大大增加；回转窑旋转速度对轴向运动亦有很大的影响，进而影响净流通量，但是回转窑旋转速度增大到一定程度，生物质粒子间的作用变强，当粒子在回转窑中的流态为旋转态时，最大正负粒子速度同时增大，最终分使得平均粒子轴径向速度则趋于相对较低的水平。

[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，华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院，硕士研究生。研究方向：生物质能清洁利用。