蘆彥至 劉軍祥 于慶波

(東北大學(xué) 冶金學(xué)院 )

煤炭長期以來都是我國重要的化工原料，且占據(jù)能源消耗的主體地位[1]。我國低階煤儲量巨大，占據(jù)我國煤炭總儲量的55%[2]，其中褐煤約占12.7%，主要分布在華北、西南和東北等地。褐煤埋藏深度淺，開采難度低且儲量巨大，并具有熱值低、含水量高、揮發(fā)分高、反應(yīng)活性高和不易運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)。褐煤主要作為當(dāng)?shù)氐膭恿θ剂?，但燃用褐煤的電廠與燃用優(yōu)質(zhì)煤種的電廠相比成本較高，且開發(fā)利用率較低。因此開發(fā)褐煤梯級利用新技術(shù)，推動褐煤高效轉(zhuǎn)化對于我國節(jié)能減排領(lǐng)域有重要意義[3-6]。

煤熱解技術(shù)條件溫和、工藝流程簡單，煤種適應(yīng)性廣且能源利用率高[7]。因此，以熱解技術(shù)為先導(dǎo)的褐煤分級轉(zhuǎn)化為低碳燃料及其他化學(xué)品的綜合利用技術(shù)成為煤炭產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略需求[8]。采用固體熱載體熱解褐煤裝置時空效率高、單元設(shè)備能力大，故這種工藝具有較高的發(fā)展前途。高溫固體熱載體熱解煤顆粒的方式主要有機(jī)械混合與氣流混合。機(jī)械混合能耗較高，對顆粒的磨損較大；氣流混合會帶走部分熱解產(chǎn)物，導(dǎo)致產(chǎn)物回收困難，造成尾氣的污染。所以通過對成本、能耗、磨損等因素的考量，選取重力擋板式混合器對熱載體與煤顆粒進(jìn)行混合，使其在一定程度上滿足生產(chǎn)工藝的需求。

國內(nèi)外學(xué)者多對熱解停留時間、熱載體物性參數(shù)和熱解溫度做出深入研究。Peng L[9]等人基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立一維煤熱解數(shù)學(xué)模型，得出CFB灰與煤顆?；旌媳纫约懊毫降纫蛩貙τ跓峤猱a(chǎn)物及熱解速率的影響。郭冶[10]等人建立固體熱載體熱解煤顆粒的數(shù)學(xué)模型，得出煤顆粒直徑、揮發(fā)分與熱解時間和溫度分布的關(guān)系。胡國新[9]等人通過實(shí)驗(yàn)得出熱載體粒徑對熱解過程中顆粒間傳熱效果的影響。采用小粒徑熱載體時，由于熱載體與煤顆粒間接觸面積較大，在熱解過程前期顆粒間總換熱系數(shù)較大。但隨著熱解時間的延長，小粒徑熱載體顆粒與煤顆粒之間總換熱系數(shù)低于采用大粒徑熱載體時的總換熱系數(shù)。對于固體熱載體的熱解過程，熱載體顆粒與煤顆粒的混合程度是影響熱載體與煤顆粒之間的傳熱效果、熱解效率和熱解反應(yīng)時間的一個至關(guān)重要的因素。文章的目的是分析改變擋板混合器結(jié)構(gòu)、熱載體粒徑和顆?；旌媳鹊纫蛩貙旌闲Чa(chǎn)生的影響。

1 數(shù)學(xué)模型

目前利用計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)在研究顆?；旌狭鲃宇I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。采用數(shù)值模擬的方式得出熱載體與煤的顆?；旌戏植记闆r，可以為半焦熱載體與煤顆粒的混合情況與熱解反應(yīng)時間做出準(zhǔn)確的預(yù)測，并為整個混合系統(tǒng)的設(shè)計提供理論支持。經(jīng)計算以及前人研究可知顆粒在擋板混合段停留時間約為0.5～1.5 s，由于停留時間過短，在此期間發(fā)生的傳熱傳質(zhì)效果可以忽略不計[11]，故文章通過顆粒流動的冷態(tài)數(shù)值模擬來研究半焦熱載體與煤顆粒的混合情況。

對于整個顆?；旌线^程的求解采用拉格朗日框架下的離散單元法(Discrete Element Method)。離散單元法將追蹤每個單獨(dú)顆粒的運(yùn)動軌跡，通過計算得到每個顆粒的運(yùn)動及動力學(xué)信息[12]。在顆粒運(yùn)動過程中，由牛頓第二定律進(jìn)行控制，運(yùn)動方程為：

(1)

(2)

(3)

離散單元法的接觸方式可分為硬球模型和軟球模型。硬球模型碰撞是瞬間發(fā)生的，不考慮顆粒所受接觸力以及由于碰撞所產(chǎn)生的形變，只適合計算兩個顆粒之間的碰撞[13]，故文章顆粒之間的接觸力模型采用軟球模型，可處理多體碰撞問題。在顆粒碰撞時利用兩顆粒之間的疊加量表示由于碰撞產(chǎn)生的彈性形變量，將每種接觸作用力和力矩簡化為一個彈簧、一個阻尼器和一個滑動器的共同作用效果。該模型可采用線性彈簧-阻尼模型(Linear spring-dashpot)描述：

(4)

(5)

其中：Fnij(t)和Ftij(t)分別為t時刻顆粒i與顆粒j碰撞接觸點(diǎn)的法向分力和切向分力。

2 模擬工況

文章選取煤熱解產(chǎn)物半焦為熱載體，密度為1 950 kg/m3，顆粒直徑分別為0.002、0.003和0.004 m；煤顆粒密度為1 220 kg/m3，直徑為0.004 m。顆粒之間的摩擦系數(shù)為0.4；顆粒與壁面之間的摩擦系數(shù)為0.6；法向彈簧常數(shù)為1 000 N/m；顆粒之間法向恢復(fù)系數(shù)為0.6；顆粒與壁面之間法向恢復(fù)系數(shù)為0.65；模擬時間為5 s。假設(shè)兩種顆粒為球體，且混合過程中質(zhì)量及形狀不發(fā)生改變，忽略其他因素對混合過程的影響。

擋板混合器幾何模型如圖1所示?；旌掀骺臻g結(jié)構(gòu)為直徑0.1 m的圓柱型，高度隨擋板結(jié)構(gòu)設(shè)置而變化。模擬開始時兩種顆粒由混合器頂部入口以0.1 m/s的初速度進(jìn)入混合器，兩種顆粒入口尺寸為0.03 m×0.06 m，處于混合器中心且軸對稱，顆粒在重力作用下做自由落體運(yùn)動。接觸擋板后兩種顆粒由于擋板的會聚作用發(fā)生對流混合，剪切混合和擴(kuò)散混合以及顆粒的離析，并在與多層擋板結(jié)構(gòu)的碰撞中強(qiáng)化混合效果。混合器擋板幾何參數(shù)如表1所示。

圖1 擋板混合器幾何模型

表1 混合器擋板幾何參數(shù)

通過改變擋板與壁面夾角：30°、40°、50°；擋板放置方式：兩層相鄰擋板之間旋轉(zhuǎn)60°、120°和180°；半焦熱載體粒徑大小：0.002、0.003、0.004 m；半焦熱載體與煤顆粒的進(jìn)料比：1.5∶1、1∶1 、1∶1.5、1∶2等影響因素研究混合效果?；旌掀髯钕露嗽O(shè)有一錐形圓筒，能夠使顆粒流盡量均勻分布在接收段各個獨(dú)立樣本單元中，最后將落入收集段中的顆粒進(jìn)行統(tǒng)計并計算混合效果。

收集段為直徑D=0.1 m，高度H=0.2 m的圓柱型區(qū)域。將收集段分為6個獨(dú)立的樣本接收單元，如圖2所示。通過對顆粒坐標(biāo)進(jìn)行劃分，篩選出位置各獨(dú)立單元的半焦與煤顆粒個數(shù)，并計算出各個樣本接收單元的煤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)y1、y2、y3、y4、y5、y6，進(jìn)而計算出混合均勻度。

圖2 收集段各樣本單元區(qū)域劃分

3 結(jié)果分析與討論

3.1 混合度表征方法

為了定量描述接收段內(nèi)半焦熱載體與煤顆粒的混合效果，考慮到各類統(tǒng)計混合度公式的繁簡程度與準(zhǔn)確度，文章從多種統(tǒng)計手段、采樣手法與評價方法中選取Lim[14]所定義的樣本標(biāo)準(zhǔn)差公式進(jìn)行統(tǒng)計分析，其定義為：

(6)

(7)

(8)

3.2 擋板與壁面夾角對混合效果的影響

設(shè)置30°、40°、50°三種擋板與壁面的夾角，擋板之間旋轉(zhuǎn)60°的幾何結(jié)構(gòu)。顆粒流從頂端入口進(jìn)入擋板混合器。在重力作用下，顆粒初遇擋板時，圓錐面擋板將部分顆粒匯聚到一起發(fā)生對流混合；撞擊多層具有傾斜角度的擋板后顆粒流不斷斜拋、分割、混合，兩種顆?；ハ鄵交彀l(fā)生剪切混合；由于兩種顆粒不同的粒徑和物性特征，小顆粒會不斷向大顆?？p隙群中滲透，發(fā)生輕微的擴(kuò)散混合。整個混合過程是三種混合方式的共同作用，但在擋板混合段，對流混合與剪切混合為主要混合方式；而在收集段內(nèi)則是擴(kuò)散混合占據(jù)主導(dǎo)。由圖3可見，相對誤差曲線最為平緩且混合值最小的為擋板與壁面夾角為30°的幾何結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)樵陬w粒流從前一擋板以擋板與壁面夾角的方向拋射到下一擋板的過程中，隨著擋板與壁面夾角的增大，所需的時間也更長。由于兩種顆粒的物性差異，所受慣性力不同，導(dǎo)致在拋射過程中產(chǎn)生離析，時間越長離析效果越顯著，影響顆?；旌闲Ч樘岣哳w粒的混合均勻度，可選用壁面夾角為30°的擋板混合結(jié)構(gòu)。

圖3 擋板與壁面夾角對混合效果的影響

3.3 相鄰擋板間旋轉(zhuǎn)角度對混合效果的影響

采用壁面夾角30°，相鄰擋板間旋轉(zhuǎn)角分別為60°、120°和180°的幾何結(jié)構(gòu)來模擬顆?；旌系男Ч?，結(jié)果如圖4所示。相鄰擋板旋轉(zhuǎn)角度為60°時具有最優(yōu)的混合度M=0.003 278，且相對誤差曲線波動最小?；旌隙萂值以及曲線的波動程度隨著相鄰擋板的旋轉(zhuǎn)角度的減小而減小。這是由于旋轉(zhuǎn)不同角度放置的相鄰擋板類似機(jī)械混合中的攪拌槳。在減小擋板之間的旋轉(zhuǎn)角度之后，顆粒的拋射軌跡在三維空間內(nèi)。相鄰擋板旋轉(zhuǎn)角度越小，撞擊擋板的顆粒旋轉(zhuǎn)拋射到其他顆粒群中，顆粒群之間摻混越劇烈，增強(qiáng)顆粒的剪切混合作用。而當(dāng)相鄰擋板旋轉(zhuǎn)角度為180°時，顆粒的流動軌跡幾乎只在二維平面上，剪切混合作用不明顯，對流混合作為主導(dǎo)。故采用相鄰擋板間旋轉(zhuǎn)60°的結(jié)構(gòu)時更能提高混合效率。

圖4 相鄰擋板旋轉(zhuǎn)角度對混合效果的影響

3.4 半焦熱載體顆粒大小對混合效果的影響

半焦熱載體顆粒大小對于混合效果的影響如圖5所示。此時采用壁面夾角為30°，六層擋板之間旋轉(zhuǎn)角度為60°的混合擋板結(jié)構(gòu)，熱載體粒徑為0.002 m時其偏離平均值的相對誤差曲線波動較大，混合度M值也最大。熱載體粒徑越大，煤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏離平均值誤差曲線越平緩，接近于0。這是由于半焦顆粒與煤顆粒在經(jīng)歷擋板階段的對流與剪切混合過程后，在收集段發(fā)生二次分離。熱載體顆粒越小，越容易滲透進(jìn)煤顆粒之間的縫隙，在煤顆粒之間擴(kuò)散，從而影響混合效果。故粒徑為0.004 m的半焦熱載體顆粒與煤顆粒的混合效果要優(yōu)于其他兩種粒徑。在收集段由于離析而產(chǎn)生的二次擴(kuò)散效果最輕微，對整個混合效果的影響最小。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用大粒徑熱載體也有助于提高顆粒間總換熱系數(shù)。

圖5 半焦熱載體顆粒大小對混合效果的影響

3.5 半焦熱載體與煤顆粒進(jìn)料比對混合效果的影響

半焦顆粒與煤顆粒進(jìn)料比對混合效果的影響如圖6所示。當(dāng)采用與壁面夾角為30°，相鄰擋板間旋轉(zhuǎn)60°的混合擋板結(jié)構(gòu)時，曲線隨著進(jìn)料比的減少而趨于平緩。當(dāng)熱載體∶煤的進(jìn)料比為1∶2時，曲線最平緩，各單元E值最小，更接近與0，且混合度M值最小，其混合度明顯好于其他進(jìn)料比。這是由于顆粒在通過擋板混合段時發(fā)生對流混合與剪切混合，而進(jìn)入收集段時顆粒之間的混合方式以擴(kuò)散混合為主。由于兩種顆粒的物性差異明顯，半焦熱載體顆粒密度大，粒徑小，顆粒慣性大，故半焦熱載體顆粒進(jìn)料增多，會導(dǎo)致粒徑小、密度大的熱載體顆粒在兩種顆粒收集段內(nèi)發(fā)生離析，混合效果差。

圖6 半焦熱載體與煤顆粒進(jìn)料比對混合效果的影響

4 結(jié)論

為探究在固體熱載體熱解褐煤工藝中擋板式顆?；旌掀鞯幕旌闲Ч?，采用離散單元法對于整個混合過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對實(shí)際顆?；旌掀鞯脑O(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。文章分析了擋板與壁面夾角、相鄰擋板旋轉(zhuǎn)角度、熱載體粒徑以及半焦顆粒與煤顆粒進(jìn)料比等因素對混合效果的影響。結(jié)果表明：整個混合過程是對流混合、剪切混合和擴(kuò)散混合的共同作用，且由于物性不同，顆粒的混合和離析是同時存在的；擋板的設(shè)置可有效提高顆粒之間的對流混合和剪切混合，采用壁面夾角為30°、相鄰擋板間旋轉(zhuǎn)60°放置的幾何結(jié)構(gòu)能夠有效提高顆粒的混合效率；由于不同顆粒之間的慣性差異，減小半焦熱載體粒徑會加劇離析效應(yīng)，故選擇粒徑為0.004 m的半焦顆粒能夠取得良好的混合效果；半焦顆粒與煤顆粒的進(jìn)料比對于混合效率具有重要影響，半焦熱載體顆粒進(jìn)料增加會使兩種顆粒在收集段的離析作用增強(qiáng)，影響混合效果。