褐煤颗粒堆积角数值模拟及试验研究

2021-05-10吴青卿王正助蔡永宁

化肥设计 2021年2期

吴青卿，刘波，王正助，蔡永宁

(中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223)

褐煤作为一种介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色的低级煤，具有储量大、价格低廉、挥发分高、化学活性好等特点，在未来能源供应中发挥着越来越重要的作用。但褐煤含水量较高，化学反应性强，在空气中容易风化，不易储存和运输。为提高褐煤的利用价值，提升市场竞争力，高效节能、绿色环保的绿色干燥技术，是当今乃至今后几十年的发展趋势。

褐煤干燥提质技术及关键设备的开发是高效利用褐煤的关键。随着国内设备向大型化和产业化发展，如果仅依托于试验装置指导工艺设备设计和开发，不仅投资巨大，还耗时长。运用计算机进行模拟计算已经成为未来设备制造行业的发展趋势。通过数值模拟，分析褐煤在耙齿作用下的运动轨迹、状态等，优化耙齿的结构参数及安装角度，对指导设备设计具有非常重要的意义。而完成耙齿仿真分析设计工作及后续工业装置局部简化模型和整体模型的数值模拟，首先需对褐煤物性参数进行标定。

离散元法 (Discrete Element Method，DEM)是由 Peter Cundall提出的一种处理非连续介质问题的数值模拟方法。EDEM是目前用先进的离散元技术进行颗粒系统仿真和分析的通用CAE软件，可以快速、简便地建立颗粒系统参数模型，添加颗粒的力学性质、物料特性及其他物理性质[1]。本文以低阶煤转化提质LCC(Low-rank coal conversion)技术为工程背景，依托于国内某工程公司LCC工艺关键单元设备的开发项目，以干燥炉为例，采用离散元法模拟研究褐煤颗粒的堆积行为，并通过试验装置来测定数值模拟中待定的物理参数，验证数值模拟结果。大量文献研究表明：影响物料堆积行为的主要因素为静摩擦系数和滚动摩擦系数。如Zhou等[2]通过对玻璃圆球颗粒落料堆积过程的模拟，发现颗粒间及颗粒与容器壁的滑动和滚动摩擦是影响堆积形态的主要因素。李燕洁[3]通过堆积问题多种工况的模拟，得到颗粒的表面摩擦系数是影响颗粒堆积角最重要的参数，其取值为经试验测出的结论。本文通过模拟离散数值并结合试验装置，对比研究了褐煤颗粒的堆积行为，同时验证了褐煤颗粒之间及褐煤颗粒与钢板之间的摩擦系数。

1 材料与方法

散体的堆积角又称休止角、安息角或静止摩擦角，它是反映散体在自然堆积过程中或结束后自然形成的外形与地平面的倾角(见图1)。离散元法在堆积角的测量中，需要进行颗粒及接触几何体参数的确定、颗粒建模、接触模型的选取、几何体建模4个过程。

图1 散料堆积角示意

1.1 物料参数

本文以某项目褐煤作为研究对象，对颗粒粒径在50～6mm之间(=6～0mm之间的粉煤不考虑)的褐煤堆进行人工采样，共采集90kg。因工业装置中实际褐煤颗粒量大、形状复杂多样，粒径分布广，若按实际情况建模，则仿真计算量巨大，且耗时过长。为提高计算效率，本文先按照粒径大小对褐煤进行筛分，得到粒径分布，然后再进行典型形状的分类，以简化EDEM计算模型。煤样按GB/T 477—2008《煤炭筛分试验方法》[4]进行筛分试验，得到的粒径分布质量比例见表1。

表1 褐煤粒径分布质量比例

经观察和区分，煤样的典型形状主要分为3类：块状、片状、条状(见图2)。由于50～13mm粒径段煤样的单个颗粒尺寸相对较大，便于区分典型形状，分别从50～25mm和25～13mm粒径中随机取出10kg、 1.25kg煤样，进行人工分类，典型形状质量比见表2a和表2b。从表中可以看出，50～25mm和25～13mm典型形状煤样比例比较接近，为减少计算量，50～6mm粒径段的褐煤均按照表2a中三种典型形状质量比，在EDEM中分别对应设置Factory1(块状)、Factory2(片状)、Factory3(条状)三种颗粒工厂。

图2 三类典型形状的煤样

表2a 50～25mm典型形状煤样的质量

表2b 25～13mm典型形状煤样的质量

EDEM中需设置的材料参数包括泊松比、剪切模量、密度、恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数。本文中褐煤密度值由实验测得，泊松比、剪切模量及钢板密度值通过查阅文献资料[5]、[6]所得，且文献[6]通过研究表明，煤粉颗粒间的静摩擦系数和滚动摩擦系数对堆积角的影响程度显著，泊松比和恢复系数则不明显。故恢复系数取经验值0.3，静摩擦系数和滚动摩擦系数为主要研究参数，先按经验值选取，再对其进行修正和验证。褐煤颗粒与钢板(碳钢)的材料属性和接触属性的参考值见表3和表4。

表3 材料属性

表4 接触属性

1.2 颗粒模型

1.2.1颗粒接触模型

离散元接触模型的选取对模拟结果的准确性有很大影响。EDEM软件中可选择的接触模型有Hertz-Mindlin、Hertz-Mindlin with RVD Rolling Friction、Hertz-Mindlin with JKR、Hertz-Mindlin with bonding、Linear Cohesion等，且它们的适用范围各不同[7]。经实验测量，装置所用褐煤含水率在25%～30%之间(且大部分水分为吸附水)，颗粒间的黏附力可忽略，近似理想颗粒体，本文选择Hertz-Mindlin无滑动接触模型。

1.2.2颗粒模型

在离散元软件EDEM中采用圆球进行多球填充建立褐煤几何模型，由于不规则颗粒都是由球颗粒填充来拟合的，因此，颗粒之间的接触关系就是球颗粒与球颗粒的接触关系。且球颗粒的质量中心在球心，能快速获取坐标和半径等三维信息，使建模和离散元计算相对简单，故球颗粒也是最容易实现的三维颗粒模型。

本文分别选取4个球、6个球和4个球填充块状、片状、条状这三种典型颗粒类型，其中单个球形颗粒的半径均为12.5mm，球心距均为12.5mm，颗粒填充模型见图3。

图3 颗粒填充模型

从图3可以看出，采用多球填充后的颗粒与真实褐煤形状比较接近，虽存在误差，但考虑建模效率及误差精度，采用多球模型近似褐煤颗粒形状是可行的。

1.3 接触几何模型

本文堆积角试验采用内部坍塌法和平板倾斜法，其中内部坍塌法主要对褐煤颗粒之间的静摩擦系数和滚动摩擦系数进行验证，平板倾斜法主要对褐煤颗粒与钢板之间的静摩擦系数和滚动摩擦系数进行验证。

1.3.1内部坍塌法几何模型

内部坍塌法几何结构主要由碳钢材料的箱体与盘面组成，整个仿真计算过程分为物料填充阶段和物料坍塌阶段，箱体几何尺寸为：长×宽×高=700mm×300mm×1 000mm，出口尺寸为300mm×300mm，盘面直径1 500mm，经仿真和试验装置测试调整，箱体底部离盘面的距离定为600mm，以保证落料速率及坍塌效果。内部坍塌法箱体几何模型见图4。

图4 箱体几何模型-内部坍塌法注：1—颗粒生成面；2—箱体；3—口面；4—盘面

1.3.2平板倾斜法几何模型

平板倾斜法的几何模型主要由碳钢材料的箱体与盘面组成，整个仿真计算过程分为物料填充阶段和物料倾斜阶段，箱体几何尺寸为长×宽×高=600mm×350mm×200mm；平板尺寸为长×宽=1000mm×600mm，平面倾斜法几何模型见图5。

图5 箱体几何模型-平板倾斜法注：1—颗粒生成面；2—箱体；3—盘面

1.4 褐煤颗粒堆的形成

1.4.1颗粒工厂的设置

褐煤质量90kg，分别按块状、片状和条状三个颗粒工厂进行填充，每个颗粒工厂的质量和颗粒参数采用表1和表2a中的数据进行定义和设置，详见表5和表6。

表5 颗粒工厂质量

表6 颗粒工厂参数设置

1.4.2内部坍塌法

箱体几何体建立后，设置颗粒工厂，采用静态生成颗粒法，待模拟的褐煤颗粒填满箱体后，将箱体底部开口板通过设置虚拟面移除，褐煤颗粒会逐渐流出，最终在圆盘上形成一个稳定的锥形颗粒堆。褐煤颗粒经内部坍塌法形成的堆积角见图6。

图6 内部坍塌法

1.4.3平板倾斜法

设置颗粒工厂，待颗粒填充后，在平板倾斜阶段，将箱体2设置为虚拟面，以平板宽度方向中心轴旋转，设置平板中间旋转速度为1r/min，当颗粒开始倾斜时减慢平板旋转速度，直至颗粒开始发生大面积滑落时停止旋转，整个箱体建模及坍塌形成过程见图7。

图7 平板倾斜法

1.5 堆积角的测量

EDEM中自带量角器，在量角器中采用手动定义方式，经多次测量，内部坍塌法堆积角测量结果取平均值37.83°，平板倾斜法堆积角测量结果取最大值为35.7°。

2 试验验证

为了验证堆积角模拟的有效性和可靠性，在国内某工厂建立了试验装置，进行内部坍塌法和平板倾斜法试验(见图8)。试验过程中，装料几何体、褐煤质量与数值模拟中一致，且褐煤粒径与形状经筛分挑选，与模拟过程褐煤模型外观接近。两种试验分别进行了3次，为减少测量误差，内部坍塌法堆积角只测量箱体长边两侧的堆积角，得到堆积角的平均值为37.45°，平板倾斜法得到的最大摩擦角为35.2°。与数值模拟中所得堆积角进行对比，误差均小于5%。文献[8]研究表明，当颗粒某些参数未知时，参数标定的方法是一种有效便捷的研究手段，当模拟过程中调节和拟合出的颗粒参数值符合实验结果时，认为该值为颗粒参数值。本文通过侧壁坍塌法和平板倾斜法，验证了褐煤颗粒之间、褐煤颗粒与钢板之间的静摩擦系数分别为0.5、0.5，滚动摩擦系数分别为0.06、0.3。