基于离散元法的生物质热解螺旋抄板优化设计与试验

Optimization Design and Experiment of Spiral Combined Flights for Biomass Pyrolysis Based on Discrete Element Method

摘要

近年来，生物质热解设备的研究在全球能源领域获得广泛关注。针对目前固定床热解设备普遍存在的物料受热不均和尾部堆料等问题，对固定床中的核心部件螺旋抄板进行优化设计与仿真分析，提出一种全新的变螺距抄板结构，确定相关参数。利用Altair EDEM仿真分析转速、设备倾角等参数对设备出料速率的影响，并通过试验验证仿真结果的准确性。仿真结果表明，变螺距抄板结构可以有效地将物料扬起并将尾部的物料反向推进至出料口，从而实现对物料的均匀加热并解决尾部颗粒堆积的问题。此外，倾角对出料量的影响更为显著，其组间均方与组内均方的比值为240.00，显著高于转速对出料量影响中的F (F-statistic)(25.60)；试验结果与模拟结果匹配度较高，相关系数为0.998 7。

Abstract

In recent years， biomass pyrolysis equipment has emerged as a focal point of research in the global energy sector. To tackle challenges such as uneven material heating and accumulation at the tail section commonly observed in fixed-bed pyrolysis systems， this study focuses on optimizing and analyzing the performance of spiral combined flights， a key component in fixed-bed reactors. A novel variable-pitch combined flights structure was designed， and its critical parameters were systematically determined. Using Altair EDEM simulations， the effects of rotational speed and equipment inclination angle on the discharge rate were evaluated， and the simulation outcomes were validated through experiments. Simulation results demonstrated that the variable-pitch combined flights structure effectively lifted materials and redirected tail-end accumulation towards the discharge outlet， enabling uniform heating and resolving the issue of particle buildup at the tail. Meanwhile， the inclination angle exerted a significantly stronger influence on the discharge rate， with a between-group to within-group mean square ratio of 240.00， far surpassing the ratio of 25.60 observed for rotational speed. Experimental results aligned closely with the simulations， yielding a correlation coefficient of 0.998 7.

Graphical abstract

关键词

生物质 / 螺旋抄板 / 离散元 / 优化设计 / 相关性分析

Key words

Biomass / spiral combined flight / discrete elements / optimization design / correlation analysis

0 引言

生物质能以化学能的形式贮存于生物质中，是一种具有替代石油、煤炭等化石能源潜力的可再生能源。生物质能的开发和利用能够在一定程度上解决能源危机问题，减少温室气体排放，并有助于减轻全球变暖和环境污染等问题^［1］。生物质具有分布广泛、可再生和低污染的特性。然而，直接利用生物质原料存在诸多缺点，如直接燃烧的热值低等。利用生物质能源转化技术，可以将其转化为高品位、高效能、商品化、易于运输、使用方便的新能源产品^［2］。然而，如何高质高效转化和利用生物质成为当前研究热点。

生物质热解技术是指生物质在无氧或缺氧环境下，在高温条件下使生物质原料进行热分解，主要产物为生物油、生物炭、焦油、醋液及燃气等^［3-5］。热解在清洁能源生产和固碳减排方面展现出巨大的应用潜力，同时也是目前热化学方法中获得生物油的唯一技术^［6-7］。热解反应器是实现该技术的重要装置，不同类型的反应器对于热解产物的分布和反应效率有重要影响。目前，主要的热解反应器包括固定床、流化床、回转窑、旋转锥、烧蚀、携带床和真空热解等，生物油的制备主要采用流化床，生物炭的制备主要采用固定床和移动床。目前国内外试验室常用管式炉作为热解设备进行相关机理研究，但存在反应室各部位温度梯度较大，物料在炉体内处于停滞不能均匀受热，导致设备生产效率低、炭化质量差及未完全炭化等问题^［8-12］。Aschenbrenner等^［13］以及Moorthi等^［14］对螺旋装置进行了优化设计，系统性地优化了能效与物料输送性能，通过数值验证方法验证了设计的合理性，并探讨了其在固定床反应器中的应用。Ou等^［15］以及Liu^［16］通过离散元法对热解设备关键部件的结构优化设计，能够显著提升热解过程的效率和颗粒流动特性。通过离散元法对热解设备关键部件的结构优化设计，能够显著提升热解过程的效率和颗粒流动特性。为进一步提升物料受热均匀性并解决尾部堆料的问题，提出一种针对固定床核心部件螺旋抄板的新型变螺距结构设计，并通过离散元法对设备内部的颗粒运动状态进行了仿真分析。

1 材料与方法

1.1 连续热解反应装置结构

生物质连续热解反应装置结构，如图1所示。该装置由炉体、前后炉盖、螺旋抄板和陶瓷纤维加热器等组成。

1.2 变螺距抄板结构优化设计

螺旋抄板通过螺旋叶片绕轴线自转，将物料沿轴传输至所需位置^［17］。针对传统的定螺距抄板在固定床热解反应中易导致物料受热不均匀和尾部堆料等问题，对其进行优化设计，提出一种变螺距设计。根据热解反应器各位置的功能需求，将反应器的螺旋抄板结构优化为螺距不同的三段式结构，如图2所示。密螺旋段主要负责推动物料向前输送；宽螺旋段的主要功能是扬起物料，确保其在热解设备内均匀受热。此外，该段也具有推动物料向前输送的功能；而反向螺旋段的主要功能为将堆积在尾部的物料反向推进至出料口。

螺旋抄板设计的关键参数如下^［18-20］。

D\ge K{\left(\frac{Q}{\psi \gamma C}\right)}^{\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}}。（1）

S=\left(\mathrm{0.5}~\mathrm{0.22}\right)D。（2）

n\le n_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\frac{A}{\sqrt[]{D}}。（3）

式中：D为螺旋外径，mm；S为螺距，mm；n为螺旋轴转速，r/min；K为物料特性系数，K=0.05；Q为生产率，Q=30 kg/h；ψ为填充系数，ψ取0.25~0.35；γ为容积密度，取110~270 kg/m³；C为倾角系数，水平轴时C=1.0；A为综合系数，A=50。

由式（1）计算出螺旋外径D≥61.25 mm，取D=171.5 mm；由式（2）计算出螺距的范围在38.0~167.2 mm；由式（3）计算出n_max=36.38 r/min，试验控制螺旋轴转速在1~150 r/min。

同时，要保证物料沿轴向移动，需要满足轴向的合力大于0，即必须保证F_轴＞0，通过分析生物质颗粒的受力情况可得

F_{\mathrm{轴}}=g\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta -g\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\omega t+\frac{\mu g\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta }{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega t}-\frac{{\omega }^{\mathrm{2}}r\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta }{\mu \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega t\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta }-\frac{\mu {\omega }^{\mathrm{2}}r\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega t\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta }{\mu \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega t\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta }。 (4)

式中：α为轴体倾角；β为抄板螺旋角；ω为转动角速度，ω=1.57 rad/s；t为时间，t=0 s；r为炉体半径，r=D/2；\mu为摩擦系数，\mu =0.3；g为重力加速，g=9.8 m/s²。

由式（4）计算可得出，螺旋角在17.9°~27.9°时具有较好的推进作用，对应螺距的范围为64.6~105.9 mm，此时抄板的输送能力最强，故设计密螺旋螺距S₁= 100 mm，长度L₁=100 mm；宽螺旋螺距S₂=1 000 mm，长度L₂=300 mm；反向螺旋螺距S₃=100 mm，长度L₃= 100 mm；连续热解要求反应装置在300~600 °C条件下连续稳定工作，螺旋外径与反应管间隙选择为4~8 mm。因此，设计筒式反应器为外径175 mm、壁厚3 mm、长度500 mm的304不锈钢管，叶片采用实体螺旋面，利用厚度2 mm、宽度20 mm的304不锈钢条，缠绕并焊接在螺旋轴上。

2 研究方法

2.1 仿真模拟

为研究变螺距抄板对出料效率的影响，采用EDEM 2022^［21］模拟生物质颗粒的运动状况，并针对仿真结果进行分析。

2.1.1 离散单元模型相关假设

为能够简化分析颗粒之间的接触情况，将颗粒模型进行简化，做出假设如下。

1）颗粒整体刚性假设下，其接触点的变形反映整体颗粒集合的变形行为。

2）颗粒间的接触产生在有限的范围内，可近似成点接触。

3）颗粒之间的接触为软接触。

4）颗粒自身的微小扰动对周围颗粒的影响可忽略不计。

5）假设生物质颗粒在仿真受热过程中物理形态没有发生变化。

2.1.2 模型建立

使用SolidWorks 2022对定螺距和变螺距螺旋抄板进行简化建模，以提高模拟质量和仿真效率，分别对螺旋抄板的支撑部分、传动部分进行简化。简化后模型如图3所示，并将简化后的模型划分为如图4所示的4个区域，在EDEM 2022中按照区域位置创建颗粒追踪器，以便观察仿真结果中4个区域的颗粒总数。

2.1.3 参数设置

选择48目粒径的核桃壳粉作为颗粒材料，同时选用亚克力作为炉体及螺旋抄板的材料。相关参数设置见表1。

利用离散单元法模拟抄板对颗粒运动轨迹和分布的影响，研究定螺距抄板与变螺距抄板在不同转速和倾角下对颗粒运动情况的影响。其中螺旋外径为 74 mm、螺旋内径为35 mm，将定螺距抄板与变螺距抄板分别编号为a和b，相关仿真参数设置见表2。

2.1.4 接触模型选择

颗粒与颗粒及颗粒与几何模型之间的接触采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型，该模型适用于球状散装物料接触问题的仿真模拟。粉碎后的核桃壳粉颗粒大部分呈长条状，小部分呈不规则形状，为提高仿真效率，选择四球连接体^［22］作为仿真所用的核桃壳粉颗粒模型，如图5所示。

2.2 验证试验设计

通过3D打印技术制作了定螺距和变螺距抄板的实物模型，并选用亚克力管作为炉体模型，结合进料斗、抄板、驱动电机和减速器等，搭建了试验装置，如图6所示。通过录制高帧率视频，观察并记录常温状态下颗粒的运动轨迹以及电子天平示数，以验证仿真结果的准确性。

3 结果与分析

3.1 仿真分析

3.1.1 定螺距抄板与变螺距抄板中的颗粒运动情况分析

选取仿真进行1 s后热解设备入口处的50个颗粒作为示踪颗粒，记录其在抄板内的运动轨迹。2种不同结构的螺旋抄板内的示踪颗粒运动轨迹及速度云图如图7所示，在设备中段，变螺距抄板内运动至顶部的颗粒轨迹明显多于定螺距抄板。由图8可知，变螺距抄板结构使得生物质颗粒在Ⅱ区和Ⅲ区的颗粒数量相较定螺距抄板结构有所增加，表明变螺距抄板可以延长物料在反应器内的停留时间。同时，Ⅳ区的颗粒数量相较定螺距抄板结构明显减少。这表明变螺距抄板对物料提升的能力更强，同时定螺距抄板尾部的运动轨迹明显少于定螺距抄板，尾部堆料得到了有效改善。

3.1.2 不同参数对出料量的影响

（1）转速对出料量的影响。在颗粒间摩擦系数为0.3、颗粒与螺旋叶片摩擦系数为0.25、颗粒与滚筒筒壁摩擦系数为0.25，以及进料速率为6 000个/s的条件下，变螺距抄板在不同转速下的出料量和出料速率随时间的变化如图9所示。不同转速条件下，出料量曲线显示出较高一致性，且在时间轴上未观察到显著变化，表明在本试验的参数设置下，转速对出料量的影响有限。变螺距抄板的出料速率呈周期性变化。这表明转速相同时，旋转一圈输送的颗粒数基本保持恒定，转速越快，周期越短，出料量也越大。

图10为转速的相关性热图，观察到不同转速条件下的颗粒数量之间存在高度正相关，相关系数接近1。这表明颗粒数量在各转速条件下的变化趋势一致，即当某一转速下的颗粒数量增加时，其他转速下的颗粒数量也同步增加，同时表明转速并不是影响颗粒生成效率的关键因素。

（2）倾角对出料量的影响。颗粒之间摩擦系数为0.3，颗粒与螺旋叶片之间的摩擦系数为0.25，颗粒与滚筒筒壁之间的摩擦系数为0.25，进料速率为6 000个/s时，抄板在不同转速下的出料和出料速率随时间的变化如图11所示。在测量初期，所有倾角的出料量均较少，接近于零，表明初始阶段环境中的颗粒量较低或颗粒分布较为均匀。随着时间的推移，不同倾角之间的颗粒收集量出现了显著差异。随着倾角的增大，出料量呈现先增加后减小的趋势，其中在15°和30°时达到相对峰值，表明这2个倾角是颗粒收集效率的最优条件。

图12为不同转速条件下的相关性热图，观察到30°、45°和60°之间表现出极高的正相关性，相关系数接近于1，说明这些倾角下出料量的变化趋势非常相似，这表明不同倾角在相似的环境条件下会同时发生颗粒堆积或减少。而0°倾角与所有其他倾角的相关性都较低，这表明0°倾角的出料量变化与其他倾角的关系较弱。可能是因为重力等物理因素的影响较大，导致其独立性较强。

综上所述，在所观察的条件下，15°和30°倾角在颗粒收集方面的效率明显高于其他角度，其中30°倾角表现最佳。结果表明倾角对颗粒收集效率有显著影响，30°、45°和60°倾角在收集与释放方面更敏感，表现出较高的速率峰值和波动性。未来研究应集中于进一步理解这些倾角在不同环境条件下的动态响应机制，以优化颗粒收集系统的设计与应用。

图13为不同转速和倾角对出料量进行方差分析后的结果。由图13可知，倾角对出料量的F（F-statistic）为240.00，显著高于转速的F（25.60），表明倾角在颗粒收集中的影响更为显著。这表明倾角在模型中对颗粒收集的影响更为显著。

3.1.3 颗粒轴向分布

设置摩擦系数为颗粒间0.3、颗粒与螺旋叶片0.25、颗粒与滚筒筒壁0.25，进料速率6 000个/s，转速30 rpm。分别选取倾角为0°和30°的仿真结果进行数据分析。

在对4个区域随时间变化的颗粒数量进行分析时，发现各区域的粒子颗粒量变化趋势存在显著差异，如图14所示。Ⅰ区为设备尾部收集装置，随着时间逐步增大到一定程度后保持不变；Ⅱ区和Ⅲ区的粒子数量在测量初期迅速增加，并在较高水平波动；Ⅳ区的粒子数量整体较低，同样呈现出一定的波动性。

综上所述，倾角为0°和30°时的整体趋势相似，颗粒主要集中在Ⅱ区和Ⅲ区，而Ⅳ区的颗粒数量最少。这种分布使生物质颗粒在主反应区停留时间更长，有助于提高受热均匀性，符合设计目标。

3.2 验证试验

验证试验以粒径为80目的核桃壳粉为试验对象，通过调速器调节螺旋抄板转速，在出料口处放置纸杯并放置于电子秤上，试验参数见表3，利用手机实时记录电子天平示数（即掉落核桃壳粉的实时质量）。此外，在纸杯内放置一块海绵，以避免颗粒落入纸杯时的冲击对试验结果的准确性造成影响。

图15和图16为试验数据与仿真数据的对比，结果显示抄板的出料量呈周期性变化。试验结果与颗粒相互间的摩擦系数为0.25、颗粒与滚筒壁面之间摩擦系数为0.25时的模拟结果匹配度较高；相关系数为0.998 7。

4 结论

1）针对现有热解设备受热不均和尾部堆料问题，对其核心部件螺旋抄板进行优化设计。通过设计变螺距抄板，可延长物料在反应器内的停留时间，同时有效解决尾部堆料问题，从而提高能量利用率。并确定变螺距抄板的关键结构参数。

2）采用离散元法分析变螺距抄板的设计参数如何影响设备性能，研究转速、倾角等关键操作参数对设备出料速率的影响，并进一步通过试验验证仿真结果的准确性和可靠性。仿真分析表明，通过调整抄板的转速和设备的倾角，可以有效控制生物质颗粒在热解装置内的流动特性，从而优化热解过程并提高出料速率；其中，倾角对出料量的影响起主导作用，其F=240.00，显著高于转速对出料量影响的F（25.60）。

3）试验结果与仿真数据的试验结果高度一致，验证了仿真模型的准确性，相关系数为0.998 7。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52206229)