沙柳生物质颗粒致密成型特性的离散元仿真

李震，王宏强，高雨航，闫莉，王鹏

（内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头014010）

　　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l~4mm、压缩速度为60mm·min^-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φ20mm，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（即颗粒间粘结力）。以其最大粘结力来表征颗粒间的粘结性。图3为该过程中不同时刻燃料的破坏程度。

　　2.1.2成型密度

　　成型密度是衡量生物质燃料成型品质的一项关键指标[17]。实际生产过程中，燃料在挤出模具之后会发生应力松弛等现象，从而导致燃料体积膨胀、密度降低。基于此，应用EDEM仿真计算了柱塞行程为60mm时各方案下成型颗粒的质量与体积，由此来计算颗粒的成型密度，再根据密度的变化对成型方案做出分析优化。成型颗粒质量与体积的计算如图4所示。

　　2.1.3成型能耗

　　成型能耗是生物质燃料致密成型中必须考虑的重要指标之一[18]。在确保燃料成型密度等相关指标均满足要求的情况下，尽可能选择低能耗成型条件是实际生产中须考虑的一个主要目标。在离散元EDEM仿真过程中，通过如图5所示的压缩力与位移的变化曲线，应用Origin软件对其分别进行数值积分计算，从而获得各条件下压缩力所做的功，即成型能耗。

　　2.2正交试验结果分析

　　根据表2中沙柳生物质成型试验因素水平参数，对沙柳颗粒的成型过程进行了正交试验分析。试验方案及结果如表3所示。

　　该正交试验为4因素3水平，对表3数据进行极别较大，对试验选定指标的影响大，对应的因素为主要差分析。极差为各水平对应因素中平均值的最大值与影响因素；反之，极差值小，对试验结果的影响也就小，最小值之差。极差值大，说明在该水平范围内产生的差该因素为次要影响因素。其极差分析结果如表4所示。

　　2.2.1粘结性分析

　　由表4数据可知，就成型颗粒的粘结性而言，各因素极差由大到小依次为颗粒形状、粒度、保压时间与压缩速度。表明各因素对成型燃料粘结性影响的强弱依次为ABDC，即颗粒形状〉粒度〉保压时间〉压缩速度。根据图6a显示，类柱体、类锥体颗粒在挤压成型后彼此间的粘结力明显高于球体颗粒，其中，类锥体对应粘结力最大，为64.32N，其次为类柱体颗粒64.10N、球体颗粒58.50N。结合颗粒模型（图1），究其原因为：类锥体颗粒彼此间能够形成类似于线或面的接触，内部摩擦力较球体颗粒大，此外，由于其特殊的形状，压缩过程中颗粒之间容易产生“镶嵌”、“互锁”等结构，故成型后颗粒之间粘结性较好；同理，自然状态下类柱体颗粒能够形成线接触，球体颗粒之间只能形成点接触，而且类柱体颗粒在压缩过程中变形后易产生“搭接”结构，故粘结性优于球体颗粒。粒度对粘结性的影响主要表现为：较小颗粒成型后的粘结效果好；其次，粘结性随着颗粒混合不均匀度的扩大而上升，其中，粒度为1~2mm时，粘结力为62.64N，2~3mm时为60.53N，1~4mm时为63.75N。究其原因为：粒度越小，挤压过程中颗粒流动性与填充效果越好，故压缩特性及粘结性也较好；此外，当粒度分布较宽时，颗粒之间也能形成较好的填充性，颗粒的成型效果与粘结特性同样会有所提高。随着压缩速度的增加，成型燃料的粘结性有明显的降低趋势，其原因可能在于压缩速度过快使成型燃料内部内聚力剧增而导致。随着保压时间的延长，颗粒之间的粘结力有所提高，但上升趋势有所减缓。其原因在于：保压阶段是对内聚力的一个缓慢释放过程，若保压时间过短，内聚力得不到有效释放，会导致燃料内部发生膨胀，自身结构松散，致使颗粒间的粘结性减弱，而保压时间过长对其粘结性反而无明显作用。

　　2.2.2成型密度分析

　　由表4数据可知，各因素对成型密度的影响次序为B>A>C>D，即粒度〉颗粒形状〉压缩速度〉保压时间。根据图6b显示，颗粒形状与粒度对成型密度的影响较为显著。类柱体与类锥体颗粒的成型密度较高，分别为1.04和1.03g-cm^-3，球体颗粒成型密度为0.99g・cm^-3。分析原因为：与颗粒形状对粘结性的影响类似，球体颗粒间较低的粘结性及自身结构特征致使成型燃料容易松弛，故而会造成密度的降低。粒度为1~2mm时，成型密度为1.05g・cm^-3；粒度为2~3mm时，成型密度为0.99g·cm^-3；粒度为1~4mm时，成型密度为1.02g·cm^-3分析原因为：粒度对成型密度的影响主要体现在自身的填充性及压缩性方面。此外，成型密度随压缩速度的增大而有所降低，压缩速度为40，50和60mm-min^-1时，成型密度分别为1.03，1.02和1.01g·cm^-3，无明显差别。再者，成型密度随着保压时间的增大呈现增长趋势并趋于平缓。分析原因为：与上文类似，保压过程中，当内聚力被释放到不足以造成燃料严重膨胀或松弛的程度后，便不会对成型密度造成大的影响。

　　2.2.3成型能耗分析

　　成型能耗是燃料经济性评价的一项重要指标。对其而言，最大的极差因素为颗粒形状，其次为粒度、保压时间、压缩速度，即各因素对燃料成型能耗影响的强弱依次为：颗粒形状〉粒度〉保压时间〉压缩速度。根据图6c显示，各因素对成型能耗的影响趋势大致与对成型密度的影响相同，其中，类柱体颗粒成型能耗为64.21J、类锥体颗粒成型能耗为63.74J、球体颗粒成型能耗为63.06J，粒度在1~2mm时，能耗为64.25J；粒度为2~3mm时，成型能耗为63.13J；粒度为1~4mm时，成型能耗为63.63Jo究其原因为：颗粒形状与粒度对成型能耗的影响主要来源于颗粒自身的结构特征，相比于类柱体、类锥体颗粒，球体颗粒之间摩擦小、流动性好、易于压缩，故成型能耗最低；此外，颗粒粒度为1~2mm和1~4mm时所需成型能耗均高于2~3mm颗粒。推测其主要原因为：前者粒度较小、填充密实，后者粒度分布广泛，颗粒之间的空隙也能够得到较好的填充，故两者所需成型压力较2~3mm颗粒大，成型能耗也就越大。压缩速度与保压时间对成型能耗的影响呈现出先增后减的趋势，但从数值上看并无明显差别。

　　2.2.4综合分析

　　实际生产中，对生物质燃料成型品质的定义都是综合评价的结果，本文所设计的4因素3水平正交试验，给岀了3项评价指标。为了探寻更优的成型条件且兼顾各指标，应用综合评价法来完成对各指标的分析。通过上述分析得出：A3B2C1D3方案下的燃料粘结效果最佳，A1B1C1D2或A1B1C1D3方案下的燃料成型密度最佳，A3B2C1D1方案下成型能耗最低。结合图6分析，类柱体和类锥体颗粒成型后燃料粘结度相近，且远高于球体颗粒；从成型密度来看，类柱体颗粒略高于类锥体，且两者远高于球体颗粒；但在成型能耗方面，三者间有明显的差别，类柱体最大、类锥体次之、球体最小。故在保证粘结性、密度两指标较好的情况下，成型能耗较低的水平为(类锥体颗粒)最佳选择。

　　同理，结合图6分析粒度对3个指标的影响，当粒度为2~3mm时，虽然成型能耗最小，但成型密度、粘结性远小于其他两水平；再看粒度为1~2mm时，成型密度最高且粘结性也较好，但成型能耗明显高于其他，同时，粒度太小会增加实际生产过程中的粉碎成本。故粒度为1~4mm时为最佳水平参数。当压缩速度为40mm·min^-1时，成型燃料的粘结性、成型密度、成型能耗均较优，但与60mm·min^-1时相比，3指标对应差值并无太大变化；故考虑到实际生产过程中对效率的提高，选取后者为该因素下的最佳水平。保压时间为75s时，成型燃料颗粒间的粘结力在数值上明显高于其他水平，此时成型密度也最高，成型能耗较低，故75s为保压时间的最佳水平。结合上文分析，沙柳生物质燃料致密成型最佳方案为：A2B3C3D3，即颗粒形状为类锥体、粒度为1~4mm、压缩速度为60mm·min^-1、保压时间为75s。

　　3结论

　　(1)研究表明，在沙柳颗粒致密成型的已设各因素中，对成型燃料颗粒间粘结性的影响主次关系为：颗粒形状〉粒度〉保压时间〉压缩速度；各因素对沙柳成型密度的影响依次为：粒度〉颗粒形状〉压缩速度〉保压时间；各因素对成型能耗的影响依次为：颗粒形状〉粒度〉保压时间〉压缩速度。

　　(2)随着颗粒粒度的减小，成型密度增大，粘结性也较好，但成型密度增值较小，反而增加了成型能耗，并且，粒度过小会增加粉碎成本。其次，压缩速度减小能够提高粘结性和成型密度，同时，在一定范围内能够降低成型能耗；但这种变化在数值上极小，而在实际生产中压缩速度过低，会严重影响生产效率。随着保压时间的增加，粘结力提高较为明显，但成型密度与成型能耗在数值上无明显改变。

　　(3)结合生物质燃料的实际生产过程，综合考虑各因素对3个指标的影响，最终得出，沙柳颗粒致密成型的最优方案为：A2B3C3D3，即颗粒形状为类棱锥体、粒度为1~4mm、压缩速度为60mm-min^-1、保压时间为75s时，燃料综合品质最好。