沙柳生物质颗粒致密成型特性的离散元仿真.doc
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1、沙柳生物质颗粒致密成型特性的离散元仿真摘要:应用离散元软件EDEM创建了长径比为5:1的模具,对沙柳生物质燃料的成型进行了仿真研究,并对其成型特性进行了4因素3水平的正交分析,研究了颗粒形状、粒度、压缩速度及保压时间对颗粒致密成型的影响。以成型颗粒的粘结性、成型密度及成型能耗为评价指标,分别得出了各因素对其影响的主次关系;同时,采用综合分析法对成型条件进行了综合评价。结果发现:颗粒形状为类棱锥体,粒度为l4mm、压缩速度为60mmmin-1、保压时间为75s时,沙柳生物质的成型特性最好。以上研究可为沙柳等沙生灌木类生物质燃料的实际致密成型生产过程提供数据参考与借鉴。目前,传统能源日渐匮乏,而生
2、物质能具有储量庞大、可再生和无污染等优点,是位于全球能源消耗总量第4位的能源1。在未来能源系统中将会占据举足轻重的地位。沙柳是中国北方地区较常见的沙生灌木类能源树种之一,具有耐寒、耐旱、防风、固沙等作用;其次,沙柳具有“平茬复壮”的生长特性,3年即可成材,不砍则废2。将其致密成型为生物质燃料,不仅能解决沙区和国内当前的能源匮乏的问题,同时也能带来相应的经济效益。当前,国内外生物质燃料的生产主要为冷态成型,对于其致密成型的研究主要集中于工艺设备与参数、成型压力及物料含水率等方面对成型燃料品质的分析主要是针对于机械强度、松弛密度等宏观物理特性方面3-5;这些研究对象大多为秸秆及农林类材料,但实际生
3、产过程中,由于物料种类的不同,其所需的最佳成型条件也不尽一致8-9。因此,对于沙生灌木类生物质成型特性仍需进一步的专题研究。基于此,本文应用离散元软件EDEM,就各因素(颗粒形状、粒度、压缩速度、保压时间)对沙柳生物质成型特性(粘结性、成型密度、成型能耗等)的影响做了仿真研究。为了更好地契合实际生产工程,本文在采用EDEM仿真生物质燃料成型的过程中,创建了不同形状与粒径的颗粒,同时采取了不同的压缩速度和保压时间。从粘结性、成型密度与成型能耗3个方面对成型燃料的品质特性做了分析,并得出了沙柳生物质成型的最优工艺参数。以期为实际生产提供数据借鉴与理论参考。1试验方法1.1离散元模型与仿真参数实际生
4、产中,生物质原料在粉碎后具有不同的形状与粒径。因此,构建了如图1所示的3种沙柳颗粒模型,分别为类柱体、类锥体和球体,原始颗粒轴径长均为2mm,模拟过程中根据颗粒工厂(Factories)中粒径自定义(Size-user Defined)等方式可设置其单组试验的粒径取值并完成模拟。同时,创建如图2所示的压缩模型,模具长径比为5:1,模具长为100mm,直径为20mm,进行闭式压缩试验。结合相关离散元仿真分析过程与理论方法首先,选取其中一个方案进行多次预压缩仿真试验,直到调试其每次试验结果误差均在合理范围之后,再对已定所有方案进行统一试验。根据粉碎后沙柳颗粒自身的力学特性,以及压缩过程中颗粒间的接
5、触粘结性,决定选用EDEM中Hertz-Mindlin withB onding作为颗粒与颗粒、颗粒与模具间的接触模型。为了确保试验的顺利进行,结合离散元仿真中沙柳以及相关生物质的参数特性11-12,本试验中各参数的设定如表1所示。另外,考虑到各仿真中瑞利(Rayleigh)时间步长的差异性,在各组试验中统一取20%的瑞利(Rayleigh)时间步长作为固定时间步长。试验过程为:首先,创建颗粒工厂,用动态(Dynamic)方式生成一定量的颗粒,等颗粒填充完毕并处于稳定状态后,柱塞开始下压,压缩速度按各组试验需求分别选取,取最小单元尺寸(CellSize)的3倍作为仿真网格尺寸,开始仿真。1.2
6、正交试验设计已有研究表明,物料粒度对生物质燃料的成型特性具有显著的影响,小粒度物料在压缩过程中的延展性较好,易压缩成型;大粒度物料的填充性差,不易于成型,一般棒状燃料对原料粉碎粒度的要求在10-30mm之间,颗粒成型燃料则在10mm以下13。其次,压缩速度也是影响燃料成型特性的重要因素,有研究指出,压缩速度在40mm-min-1时成型效果较佳14。再者,有研究显示,保压时间也是影响燃料成型的关键因素之一,一般最佳保压时间为1min左右15。实际成型过程中,除了上述影响因素之外.物料含水率、成型温度等均会对燃料的成型产生影响。由于EDEM无法对水分与温度的影响做仿真计算,故本文以原料形状、粒度和
7、压缩速度、保压时间4个因素为研究变量,探究其共同作用对沙柳生物质燃料成型特性(粘结性、成型密度、成型能耗)的影响。基于上述分析,对以上4个因素分别选择了3个水平,采用L9(34)正交试验完成沙柳生物质燃料的压缩成型,其因素水平设置如表2所示。2试验结果与分析2.1分析方法2.1.1粘结性粘结性能够反映成型燃料颗粒的机械强度及抗破坏性等重要特征16。首先,对各组方案在已设参数下进行同种程度的挤压,挤压完成后将其输出(Export-Simulation)保存;然后,将上述输出文档在窗口重新打开进行粘结性的检测与分析。检测过程为:固定成型燃料两端,测量切块(图3)与燃料从接触到断裂过程中所受的最大力
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- 沙柳 生物 颗粒 致密 成型 特性 离散 仿真
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