張立棟，韋慶文，秦宏，王擎

（東北電力大學(xué)油頁(yè)巖綜合利用教育部工程研究中心，吉林 吉林 132012）

柱狀生物質(zhì)顆粒與鋼球顆粒在滾筒中的混合特性

張立棟，韋慶文，秦宏，王擎

（東北電力大學(xué)油頁(yè)巖綜合利用教育部工程研究中心，吉林 吉林 132012）

采用離散單元法DEM（discrete element method）對(duì)圓柱形生物質(zhì)顆粒和鋼球顆粒在滾筒中的混合進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了滾筒轉(zhuǎn)速和顆粒數(shù)量比對(duì)混合質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：在本文設(shè)定的工況下，顆粒的混合模式為階梯模式，并且顆粒在混合時(shí)可以分成 3個(gè)區(qū)域，即左面的單層鋼球顆粒區(qū)、中間的鋼球顆粒和生物質(zhì)顆?；旌蠀^(qū)、右面的生物質(zhì)顆粒堆積區(qū)。左右兩邊的顆?；旌闲Ч^差，中間的顆粒混合效果較好。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速相同時(shí)，鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒數(shù)量比為3000∶200時(shí)的顆?；旌闲Ч蠕撉蝾w粒和生物質(zhì)顆粒數(shù)量比為3000∶100時(shí)的好，即當(dāng)鋼球顆粒數(shù)量遠(yuǎn)大于生物質(zhì)顆粒數(shù)量時(shí)，增加生物質(zhì)顆粒的數(shù)量可以提高混合效果。在鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒數(shù)量比相同的情況下，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速在5～25r/min的范圍內(nèi)，滾筒轉(zhuǎn)速越高，顆粒的混合質(zhì)量越好，并且顆?；旌线_(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間就越短。

柱狀生物質(zhì)顆粒；鋼球顆粒；滾筒；離散單元法；混合

生物質(zhì)主要包括植物廢棄物、禽畜糞便、城市垃圾等。生物質(zhì)的利用多種多樣，如直接燃燒［1-3］、沼氣發(fā)酵、生物質(zhì)熱解［4-5］等。顆粒物質(zhì)是由大量相互作用的顆粒組成的復(fù)雜體系［6］。顆粒物質(zhì)在自然界很常見(jiàn)，如積雪、泥石流、土壤、沙漠等，在日常生活中也很常見(jiàn)，如堆積的糧食、食鹽等。

目前，國(guó)內(nèi)外不少研究學(xué)者對(duì)顆粒在滾筒中的混合進(jìn)行了研究，主要研究了顆粒在滾筒中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及混合效果，分析了滾筒大小、滾筒轉(zhuǎn)速、物料填充率等因素對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及混合效果的影響［7-12］。在DEM仿真模擬中，仿真參數(shù)對(duì)于DEM仿真十分敏感，ALIZADEH等［13］建立了以楊氏模量和摩擦系數(shù)為重點(diǎn)的DEM分析模型，推導(dǎo)出量綱歸一化運(yùn)動(dòng)方程和相應(yīng)的量綱歸一化特征數(shù)，以此來(lái)研究仿真參數(shù)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響。

非球形顆粒在滾筒中的混合會(huì)表現(xiàn)出與球形顆?；旌喜煌奶匦?，王瑞芳等［14］利用EDEM軟件對(duì)水平轉(zhuǎn)筒內(nèi)大豆顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬。朱立平等［15］運(yùn)用離散單元法建立了絲狀顆粒傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型。DUBE等［16］則運(yùn)用粒子示蹤法研究非球形顆粒在滾筒中的運(yùn)動(dòng)。HOHNER等［17］通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬來(lái)分析顆粒形狀對(duì)顆?；旌系挠绊憽U等［18］研究了非球形顆粒在水平滾筒內(nèi)橫截面中的流動(dòng)特性。陶賀等［19］運(yùn)用球形顆粒拼接的方法建立了異徑玉米形顆粒模型、異徑橢球形顆粒模型以及異徑生物質(zhì)顆粒模型，研究了它們?cè)谝苿?dòng)床中的運(yùn)動(dòng)情況。

顆粒在滾筒中混合的評(píng)價(jià)方法多種多樣，李少華等［20］對(duì)變異系數(shù)、接觸數(shù)以及Lacey指數(shù)這3種常用的混合度評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了分析，變異系數(shù)適合評(píng)價(jià)軸向混合，接觸數(shù)法主要適用于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬中涉及的混合，Lacey指數(shù)算法適合評(píng)價(jià)徑向混合。嚴(yán)建華等［21］用圖像法測(cè)量技術(shù)來(lái)獲得混合指標(biāo)從而評(píng)價(jià)顆粒的混合程度。LIAO等［22］將混合過(guò)程用相機(jī)拍攝下來(lái)，并通過(guò)計(jì)算像素的方法計(jì)算黑白顆粒所占的比例，以此來(lái)得到顆粒的混合指數(shù)。呂春旺等［23］則研究了顆粒在滾筒冷渣機(jī)中的徑向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，通過(guò)引入擴(kuò)散系數(shù)的概念來(lái)探討顆粒物料的擴(kuò)散規(guī)律以及徑向擴(kuò)散對(duì)傳熱的影響。

本文通過(guò) EDEM軟件模擬了圓柱形生物質(zhì)顆粒和鋼球顆粒在滾筒中的混合，用接觸數(shù)指數(shù)作為混合指標(biāo)比較了不同工況下顆粒的混合效果，分析了滾筒轉(zhuǎn)速和填充率的變化對(duì)顆?；旌闲Ч挠绊?，并對(duì)滾筒劃分區(qū)域，研究了不同區(qū)域顆粒的混合效果。

1 EDEM仿真

在EDEM仿真中生物質(zhì)顆粒為圓柱形。本文通過(guò)球形拼接的方法建立了圓柱形顆粒模型，并改變生物質(zhì)顆粒和鋼球顆粒數(shù)量比以及滾筒轉(zhuǎn)速來(lái)得到6種不同的工況，從而對(duì)其進(jìn)行模擬。

1.1 仿真參數(shù)

模擬中的滾筒采用圓形滾筒，其半徑為93mm，深度為57mm，滾筒材料為鋼材，其泊松比為0.25，剪切模量為7.5×1010Pa，密度為7800kg/m3，其與生物質(zhì)顆粒的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.3和0.01，與鋼球顆粒的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.2和0.01。在仿真中，鋼球顆粒直徑為3mm，生物質(zhì)顆粒的底面直徑為4mm、高度為6mm。生物質(zhì)顆粒采用小麥秸稈的性質(zhì)，仿真中用到的參數(shù)如表1和表2所示。

鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比分別選取3000∶100和3000∶200，滾筒轉(zhuǎn)速分別取5r/min、15r/min和 25r/min。一共形成 6種工況，如表 3所示。

表1 顆粒的物理性質(zhì)

表2 顆粒的力學(xué)性質(zhì)

1.2 生物質(zhì)顆粒模型的建立

由于EDEM軟件中顆粒模型的基本單元是球形顆粒，所以生物質(zhì)顆粒要用球形顆粒拼接來(lái)合成。本文建立了45球元模型（球形顆粒直徑為2mm），中間1個(gè)小球外層8個(gè)小球，外層小球的表面與中間小球的球心相接觸，中間小球的表面也與外層小球的球心相接觸。一共5組這樣的顆粒（9×5=45），45球元模型如圖1所示。

表3 各工況的對(duì)比

圖1 45球元模型

1.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

用離散單元法模擬顆粒的混合可以得到與實(shí)驗(yàn)接近的顆粒分布規(guī)律，在前期工作中，對(duì)于顆粒在干餾爐以及帶抄板干餾爐內(nèi)的混合，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合［10，24］。本實(shí)驗(yàn)中的滾筒采用半徑為93mm、深度為47mm的中碳鋼滾筒，以直徑為3mm的鋼球和底面直徑為 4mm、長(zhǎng)度為 6mm的圓柱形木條為填料，以與模擬相同的填充率和滾筒轉(zhuǎn)速，對(duì) 6種工況做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖 2對(duì)比了 20s時(shí)實(shí)驗(yàn)與模擬過(guò)程中各工況下兩種顆粒在混合時(shí)的顆粒分布。從圖2中可以看出，在各個(gè)工況下，實(shí)驗(yàn)和模擬過(guò)程中的顆粒分布都可以分成3個(gè)區(qū)域：左側(cè)的單層鋼球顆粒區(qū)，在這個(gè)區(qū)域只存在鋼球顆粒，并且只有一層；中間的鋼球顆粒和生物質(zhì)顆?；旌蠀^(qū)，在這個(gè)區(qū)域鋼球顆粒處于中心，生物質(zhì)顆粒分布在顆粒自由層表面以及壁面處，即生物質(zhì)顆粒分布在鋼球顆粒的外圍；右邊的生物質(zhì)顆粒堆積區(qū)，這個(gè)區(qū)域只有生物質(zhì)顆粒。模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，即本文所建立的模型是合理的。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 顆粒在滾筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)描述

顆粒在圓形滾筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)共有6種模式，隨著滾筒轉(zhuǎn)速增加，分別經(jīng)歷滑移、階梯、滾動(dòng)、泄落、拋落、離心6種運(yùn)動(dòng)模式。通過(guò)對(duì)混合運(yùn)動(dòng)過(guò)程的觀察，可以看出在各工況下顆粒的運(yùn)動(dòng)模式都是階梯模式。整個(gè)顆粒群隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)交替地上升、下落。圖3是20s時(shí)的仿真顆?；旌线\(yùn)動(dòng)圖，可以明顯地看到顆粒在混合時(shí)可以分成3個(gè)區(qū)域，左面的單層鋼球顆粒區(qū)、中間的鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒混合區(qū)、右面的生物質(zhì)顆粒堆積區(qū)。之所以會(huì)形成左面的單層鋼球顆粒區(qū)，是因?yàn)楸疚闹械臐L筒轉(zhuǎn)速和填充率較低。從圖3中可以看出，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高，單層鋼球顆粒區(qū)域的長(zhǎng)度在減小。所以低轉(zhuǎn)速和低填充率的情況下會(huì)形成單層鋼球顆粒區(qū)。在顆粒填充時(shí)鋼球顆粒在下，生物質(zhì)顆粒在上，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，下方處于平流層中的鋼球顆粒隨著滾筒一起向上運(yùn)動(dòng)，而在上方的生物質(zhì)顆粒處于活動(dòng)層中，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)，便堆積在右下方，而顆粒的混合時(shí)間不是足夠長(zhǎng)，生物質(zhì)顆粒不能充分混合在鋼球顆粒中，由此便形成了右邊的生物質(zhì)顆粒堆積區(qū)。

2.2 整體混合效果的比較

本文采用接觸數(shù)指數(shù)作為混合質(zhì)量對(duì)顆粒的混合程度進(jìn)行分析。接觸數(shù)指數(shù)用M來(lái)表示，見(jiàn)式（1）［20］。

式中，M為接觸數(shù)指數(shù)；Cbs為生物質(zhì)顆粒和鋼球顆粒的接觸數(shù)；Ct為總接觸數(shù)，即生物質(zhì)顆粒和生物質(zhì)顆粒，鋼球顆粒和鋼球顆粒，生物質(zhì)顆粒和鋼球顆粒的接觸數(shù)之和。M值越大表明顆粒的混合效果越好。

圖2 20s時(shí)各工況下實(shí)驗(yàn)與仿真的對(duì)比

圖3 20s時(shí)各工況下顆粒混合運(yùn)動(dòng)圖

圖4為滾筒轉(zhuǎn)速相同時(shí)接觸數(shù)指數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。從圖4（a）中可以看出，滾筒轉(zhuǎn)速為5r/min時(shí)，鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比為 3000∶200時(shí)的 M值一直比鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比為 3000∶100時(shí)的大，到 20s時(shí)，顆粒數(shù)量比為2000∶200時(shí)的M值已經(jīng)達(dá)到0.050，而20s時(shí)顆粒數(shù)量比為3000∶100時(shí)的M值只有0.027，因此在本文設(shè)定的工況下鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒數(shù)量比為3000∶200時(shí)的顆?；旌闲Ч谩Ｒ?yàn)樯镔|(zhì)顆粒的數(shù)量比鋼球顆粒的數(shù)量小很多，在這種情況下，生物質(zhì)顆粒所占的比例越大，接觸數(shù)指數(shù)越大，顆粒的混合效果越好。從圖4（a）中可以看出，鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比為3000∶100時(shí)接觸數(shù)指數(shù)處于下降狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)顆?；旌闲Ч懿?，并且到20s時(shí)仍然沒(méi)有上升的趨勢(shì)。鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比為3000∶200時(shí)，接觸數(shù)指數(shù)的數(shù)值隨著時(shí)間的增加先下降后增加，以11s為界。11s之前，鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的混合質(zhì)量在下降；11s之后，鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的混合質(zhì)量在上升；到達(dá)20s時(shí)接觸數(shù)指數(shù)仍然有上升的趨勢(shì)，說(shuō)明即使到了20s顆粒的混合仍然沒(méi)有穩(wěn)定。

圖4 滾筒轉(zhuǎn)速相同時(shí)接觸數(shù)指數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

從圖4（b）和（c）中同樣可以看出，在滾筒轉(zhuǎn)速相同的情況下，鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比為3000∶200時(shí)的接觸數(shù)指數(shù)數(shù)值比鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比為3000∶100時(shí)的接觸數(shù)指數(shù)數(shù)值要大，因此混合效果也就更好。從圖4中可以看出，在滾筒轉(zhuǎn)速為15r/min時(shí)不管鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比是3000∶200還是3000∶100，接觸數(shù)指數(shù)的數(shù)值都隨著時(shí)間的增加而上升，到20s時(shí)接觸數(shù)指數(shù)分別達(dá)到了0.074和0.043，但是仍都有上升的趨勢(shì)，說(shuō)明在滾筒轉(zhuǎn)速為15r/min時(shí)，兩種顆粒數(shù)量比下的混合在20s時(shí)都沒(méi)有穩(wěn)定。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為25r/min時(shí)，當(dāng)鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比為3000∶100時(shí)，M值在10s之前呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，在10s之后趨于平穩(wěn)，顆粒的接觸數(shù)指數(shù)穩(wěn)定在0.045上下，顆粒的混合已經(jīng)穩(wěn)定下來(lái)。當(dāng)鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比為3000∶200時(shí)，接觸數(shù)指數(shù)在14s之前呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，在14s之后趨于平穩(wěn)，顆粒的M值穩(wěn)定在0.083上下，說(shuō)明兩種顆粒在14s之后的混合已經(jīng)穩(wěn)定。所以在滾筒轉(zhuǎn)速相同的情況下，盡管鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比為 3000∶200時(shí)的接觸數(shù)指數(shù)數(shù)值比鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比為3000∶100時(shí)的大，混合效果更好，但是鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒數(shù)量比為 3000∶200時(shí)兩種顆?；旌戏€(wěn)定所需要的時(shí)間也比鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比為3000：100時(shí)的要長(zhǎng)。

圖5 顆粒數(shù)量比相同時(shí)的接觸數(shù)指數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比相同而滾筒轉(zhuǎn)速不同的情況下接觸數(shù)指數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖5所示。從圖5中可以看出，在本文設(shè)定的工況下，當(dāng)鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒數(shù)量比相同時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速越高，接觸數(shù)指數(shù)越高。同時(shí)滾筒轉(zhuǎn)速越高，顆?；旌线_(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間就越短。在鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比為3000∶100的情況下，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為25r/min時(shí)，顆粒在10s時(shí)已經(jīng)混合穩(wěn)定。而滾筒轉(zhuǎn)速為15r/min時(shí)，接觸數(shù)指數(shù)數(shù)值一直上升，顆粒的混合尚未穩(wěn)定。滾筒轉(zhuǎn)速為5r/mim時(shí)，接觸數(shù)指數(shù)的數(shù)值一直呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，說(shuō)明離顆?；旌戏€(wěn)定還需要更長(zhǎng)的時(shí)間。在鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒的數(shù)量比為3000∶200的情況下，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為25r/min時(shí)，顆粒的接觸數(shù)指數(shù)數(shù)值在14s后已經(jīng)漸趨平緩，說(shuō)明顆粒在14s時(shí)已經(jīng)混合穩(wěn)定。滾筒轉(zhuǎn)速為15r/min時(shí)，接觸數(shù)指數(shù)數(shù)值一直在上升。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為5r/min時(shí)，接觸數(shù)指數(shù)的數(shù)值在11s之前呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而在11s之后呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，但離顆?；旌戏€(wěn)定仍然需要一段時(shí)間。

2.3 各區(qū)域混合效果的比較

將滾筒進(jìn)行4×1×4的網(wǎng)格劃分，將混合過(guò)程中有顆粒的部分劃分成4個(gè)區(qū)域，如圖6所示。并選取工況 6對(duì) 4個(gè)區(qū)域內(nèi)顆粒的混合情況進(jìn)行分析比較。

圖6 網(wǎng)格劃分

為比較各個(gè)區(qū)域的混合程度，引入均衡鋼球顆粒比例Pb，定義為式（2）。

式中，Nb為滾筒內(nèi)生物質(zhì)顆?？倲?shù)量；Ns為滾筒內(nèi)鋼球顆?？倲?shù)量；Nb′為某時(shí)刻某網(wǎng)格內(nèi)生物質(zhì)顆粒數(shù)量；Ns′為某時(shí)刻某網(wǎng)格內(nèi)鋼球顆粒數(shù)量。Nb、Ns非零。

選取工況 6進(jìn)行分析，此時(shí) Nb=200，Ns=3000，即

Pb是一個(gè) 0～1之間的數(shù)，網(wǎng)格內(nèi)鋼球顆粒越多，Pb值越大；生物質(zhì)顆粒越多，Pb值越小。當(dāng)Pb=1時(shí)，Nb’=0（Ns非零），網(wǎng)格內(nèi)全是鋼球顆粒。當(dāng)Pb=0時(shí)，Ns’=0（Nb非零），網(wǎng)格內(nèi)全是生物質(zhì)顆粒。這兩種情況下顆粒的混合效果最差。當(dāng)Pb=0.5時(shí)，由式（2）可以得到式（3）～式（5）。

即 Pb=0.5時(shí)此網(wǎng)格內(nèi)鋼球顆粒與生物質(zhì)顆粒的比值等于整個(gè)滾筒內(nèi)鋼球顆粒與生物質(zhì)顆粒的比值，此時(shí)顆粒的混合效果最好。所以Pb越接近0.5，顆粒的混合效果越好。

圖7為均衡鋼球比例隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。從圖7中可以看出，區(qū)域1的Pb值在前4s內(nèi)由0升到1，之后Pb值穩(wěn)定在1附近，即區(qū)域1在開(kāi)始時(shí)基本為生物質(zhì)顆粒，4s之后基本為鋼球顆粒。表明區(qū)域1的混合效果很差。

區(qū)域4在混合穩(wěn)定后Pb值穩(wěn)定在0.21上下，即混合穩(wěn)定后區(qū)域4的生物質(zhì)顆粒較多，區(qū)域4的混合效果也較差。

區(qū)域2在混合穩(wěn)定后Pb值穩(wěn)定在0.83上下，且其波動(dòng)范圍較大，混合效果不好。區(qū)域3在混合穩(wěn)定后Pb值穩(wěn)定在0.67上下，離0.5最近，即區(qū)域3的混合效果最好。

從顆?；旌线_(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間來(lái)看，區(qū)域1所需的時(shí)間最長(zhǎng)，區(qū)域3所需要的時(shí)間最短。

綜上所述，區(qū)域1的混合效果最差，區(qū)域3的混合效果最好。因此可以得到，在本文設(shè)定的工況下和仿真時(shí)間內(nèi)，左右兩邊的顆?；旌闲Ч^差，中間的顆粒混合效果較好。

3 結(jié) 論

在本文設(shè)定的工況下，對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速和顆粒數(shù)量比對(duì)生物質(zhì)顆粒和鋼球顆粒在滾筒中混合特性的影響進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

（1）6種工況下，顆粒的混合模式為階梯模式，并且顆粒在混合時(shí)可以分成3個(gè)區(qū)域：左面的單層鋼球顆粒區(qū)，中間的鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒混合區(qū)，右面的生物質(zhì)顆粒堆積區(qū)。

（2）當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速相同時(shí)，鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒數(shù)量比為3000∶200時(shí)的接觸數(shù)指數(shù)一直比鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒數(shù)量比為3000∶100時(shí)的接觸數(shù)指數(shù)高。到20s時(shí)，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為5r/min時(shí)，顆粒數(shù)量比為3000∶200和3000∶100時(shí)的接觸數(shù)分別達(dá)到0.050和0.027，在20s，滾筒轉(zhuǎn)速為15r/min時(shí)，顆粒數(shù)量比為3000∶200和3000∶100時(shí)的M值分別達(dá)到0.074和0.043，在滾筒轉(zhuǎn)速為25r/min時(shí)，在顆粒數(shù)量比為3000∶200和3000∶100這兩種情況下，顆粒混合穩(wěn)定后的M值分別穩(wěn)定在0.083上下和0.045上下。即滾筒轉(zhuǎn)速相同時(shí)，顆粒數(shù)量比為3000∶200時(shí)的顆?；旌闲Ч阮w粒數(shù)量比為3000∶100時(shí)的顆粒混合效果好，因此當(dāng)鋼球顆粒數(shù)量遠(yuǎn)大于生物質(zhì)顆粒數(shù)量時(shí)，增加生物質(zhì)顆粒的數(shù)量可以提高混合效果。

（3）在鋼球顆粒和生物質(zhì)顆粒數(shù)量比相同的情況下，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速在5～25r/min的范圍內(nèi)，滾筒轉(zhuǎn)速越高，接觸數(shù)指數(shù)越高，并且顆粒混合達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也各不相同，滾筒轉(zhuǎn)速為5r/min時(shí)M值的上升并不明顯，甚至還會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速為15r/min時(shí)，兩種顆粒數(shù)量比下的M值一直呈上升趨勢(shì)，而滾筒轉(zhuǎn)速為25r/min，顆粒數(shù)量比為3000∶200和3000∶100時(shí)顆粒分別在14s和10s時(shí)混合穩(wěn)定，即轉(zhuǎn)速越高，顆粒混合達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間就越短，顆粒的混合效果也越好。

（4）生物質(zhì)顆粒和鋼球顆粒在滾筒中混合時(shí)，區(qū)域1到區(qū)域4的均衡鋼球顆粒比例的穩(wěn)定值分別為1、0.83、0.67和0.21，區(qū)域3的Pb穩(wěn)定值最接近0.5，其混合效果最好，即左右兩邊的顆?；旌闲Ч^差，中間的顆?；旌闲Ч^好。

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·產(chǎn)品信息·

浙江豐利成為粉碎設(shè)備行業(yè)專(zhuān)利示范企業(yè)

國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)浙江豐利粉碎設(shè)備有限公司積極保護(hù)自主創(chuàng)新成果，實(shí)施知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，構(gòu)筑專(zhuān)利產(chǎn)品技術(shù)鏈，拓展新市場(chǎng)、贏得新優(yōu)勢(shì)。日前再次通過(guò)“紹興市專(zhuān)利示范企業(yè)”復(fù)審，有效期三年，成為我國(guó)粉碎設(shè)備行業(yè)屈指可數(shù)的專(zhuān)利示范企業(yè)。

浙江豐利自創(chuàng)立50多年來(lái)，一直順應(yīng)我國(guó)產(chǎn)業(yè)政策優(yōu)先支持“超細(xì)粉體工程”的發(fā)展契機(jī)，專(zhuān)注于超微粉碎技術(shù)和綠色環(huán)保裝備相結(jié)合的專(zhuān)利研發(fā)，在超微粉碎、精細(xì)分級(jí)等粉體加工領(lǐng)域擁有多項(xiàng)核心專(zhuān)利，成為開(kāi)發(fā)超微粉材料領(lǐng)域的利器。高效節(jié)能HWV旋風(fēng)磨國(guó)內(nèi)首創(chuàng)解決了熱敏性、纖維性物料在常溫下的超微粉碎同時(shí)進(jìn)行干燥操作、表面改性的難題，整機(jī)及其耐磨裝置已獲國(guó)家專(zhuān)利。其他專(zhuān)利產(chǎn)品如精細(xì)粉碎機(jī)具有能耗低、產(chǎn)量高、細(xì)度調(diào)節(jié)方便、粉碎解離度高等優(yōu)點(diǎn)。超微分級(jí)機(jī)則結(jié)構(gòu)合理、分級(jí)精度高、效率高、能耗低。浙江豐利擁有各類(lèi)專(zhuān)利數(shù)量名列行業(yè)前茅，并已在本公司全部實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化，專(zhuān)利技術(shù)轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%，從而為豐利的發(fā)展注入了強(qiáng)勁的動(dòng)力源、活力源。

集成國(guó)內(nèi)粉體設(shè)備研發(fā)人才優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造出多項(xiàng)獨(dú)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)和國(guó)內(nèi)領(lǐng)先并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的技術(shù)和產(chǎn)品，形成了“豐利”品牌特色核心專(zhuān)利技術(shù)產(chǎn)品鏈，成為該公司參與國(guó)際粉體設(shè)備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要武器。

浙江豐利高效渦輪超微分級(jí)機(jī)獲專(zhuān)利

隨著我國(guó)現(xiàn)代高技術(shù)和戰(zhàn)略性新材料產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，被譽(yù)為21世紀(jì)新材料的“超微粉體材料”幾乎應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的所有行業(yè)。

國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)浙江豐利粉碎設(shè)備有限公司在引進(jìn)吸收消化國(guó)際先進(jìn)粉體設(shè)備技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用當(dāng)今先進(jìn)的渦輪分級(jí)原理，創(chuàng)新研制而成一種高性能、適用性廣的新一代超微粉體材料分級(jí)機(jī)——高效渦輪超微分級(jí)機(jī)，其核心技術(shù)日前獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào) 201120387573.6）。這是該產(chǎn)品獲得浙江省科技成果鑒定后的又一殊榮。該機(jī)可自由調(diào)節(jié)產(chǎn)品粒徑，分級(jí)效果理想，粒徑分布均勻，維修方便，分級(jí)范圍廣泛，分級(jí)精度高，為粉體生產(chǎn)企業(yè)提供了一種低到中等硬度超微粉體材料理想的精細(xì)分級(jí)設(shè)備。

該分級(jí)機(jī)為干式物料空氣分級(jí)機(jī)，擁有多項(xiàng)先進(jìn)工藝技術(shù)：①分級(jí)渦輪和與之相連的配套均采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)、國(guó)際領(lǐng)先的動(dòng)態(tài)氣流密封裝置，具有結(jié)構(gòu)合理、分級(jí)精確、產(chǎn)品粒度分布范圍窄及效率高、能耗低的特點(diǎn)；②分級(jí)葉輪的葉片采用特殊高強(qiáng)度耐磨材料，提高了高速運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，使得分級(jí)粒度更細(xì)，使用壽命更長(zhǎng)，處理黏性及凝聚性物料時(shí)，極大地減少了微粉在出料管中的沉積；③自動(dòng)化程度高，操作方便；④分級(jí)精度高，分級(jí)范圍廣，能在3～150微米之間任意調(diào)整產(chǎn)品粒度。帶二次進(jìn)風(fēng)和高精度渦輪，能獲得最細(xì)達(dá) 3微米的細(xì)料。使用特殊材料的轉(zhuǎn)子可分級(jí)高硬度物料；⑤占用空間少，易損件少，費(fèi)用低；⑥先進(jìn)的渦輪渦殼設(shè)計(jì)使其噪聲很小，運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，振動(dòng)小。

目前，高效渦輪超微分級(jí)機(jī)與球磨機(jī)、超細(xì)機(jī)械沖擊磨、氣流粉碎機(jī)等配套或單獨(dú)設(shè)置，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、非金屬礦等行業(yè)超微粉體加工中的分粒、除鐵、精選等。用戶(hù)使用證實(shí)：普通粉體材料經(jīng)該機(jī)分選出超微細(xì)粉體材料即可身價(jià)倍增，大大提高產(chǎn)品的附加值和資源利用率，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

咨詢(xún)熱線(xiàn)：0575-83105888、83100888、83185888、83183618

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Mixing characteristics in a rotary drum filled with cylindrical biomass and spherical steel particles

ZHANG Lidong，WEI Qingwen，QIN Hong，WANG Qing
（Engineering Research Center of Ministry of Education for Comprehensive Utilization of Oil Shale，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）

In this paper，mixing of cylindrical biomass particles and spherical steel particles in the drum was simulated with discrete element method（DEM）. The rotational speed and particles number ratio were changed in order to analyze the effect of rotational speed and particles number ratio to the particles mixing quality. The results showed that the motion mode was slumping in all six conditions. Particles mixing region was divided into three regions：the monolayer steel particles region in the left of the particles region， the mixing region of biomass particles and steel particles in the middle of the particles region and the accumulating region of biomass particles in the right of the particles region. The particles mixing quality in the middle of the particles region was far better than that in the left or in the right of the particles region. The mixing quality when the number ratio of steel particles and biomass particles was 3000∶200 was better than that when the number ratio of steel particles and biomass particles was 3000∶100 with stationary rotational speed，which means when the steel particles were far more than biomass particles. The increase of the number of biomass particles could enhance the mixing quality. When the rotational speed was changed from 5r/min to 25r/min，the higher the rotationalspeed，the better the particles mixing quality and the faster the mixing tended to be stable with stationary particles number ratio.

cylindrical biomass particles；spherical steel particles；rotary drum；discrete element method；mixing

TQ 051

A

1000-6613（2016）10-3057-08

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.007

2016-03-08；修改稿日期：2016-05-04。

教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃（IRT13052）、吉林省自然科學(xué)基金（20150101033JC）、吉林市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201464044）及吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（吉教科合字2015-237）。

及聯(lián)系人：張立棟（1980—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橛晚?yè)巖綜合利用及回轉(zhuǎn)裝置混合與分離。E-mail nedu1015@aliyun.com。