生物质热解柔性输送装置性能研究

张世军，蒋恩臣，王明峰，杜衍红，李世博

(华南农业大学 材料与能源学院，广州 510642)



生物质热解柔性输送装置性能研究

张世军，蒋恩臣，王明峰，杜衍红，李世博

(华南农业大学 材料与能源学院，广州 510642)

为了解决生物质连续热解装置的螺旋绞龙与热解管因热变形而发生的机械干涉现象，研究了一种用于生物质热解的无轴柔性连续输送装置，设计了该无轴柔性螺旋叶片参数。以稻壳、木屑和黄豆为输送物料，探究了螺距、转速和有轴、无轴等因素对输送性能的影响。结果表明：柔性输送装置的输送能力随着螺距的增加而增强，在中低转速下，物料的处理量随着转速的增加呈线性增加，表明物料的输送量和通过时间可通过调节电机转速实现精准控制；无轴螺旋输送能力比有轴螺旋增加15%～30%，且输送过程平稳，避免了物料在输送装置与输送管之间发生挤压、进而出现死机的现象。

生物质；热解；柔性输送装置

0 引言

生物质能源因其分布广、可再生等优点，在我国的能源结构中占有相当重要的地位。其中，由于收集、运输和利用技术等原因，相当一般分秸秆在田间焚烧，产生大量烟尘和余灰，导致空气中PM2.5攀升，严重污染大气。随着科技的进步与发展，可以通过各种转换技术高效地利用生物质能，生产清洁电力和能源，来逐步替代煤、石油和天然气等非可再生能源[1]。因此，综合开发利用生物质能源对废弃资源回收利用、能源结构转换、环境保护和改善等具有重大意义[2]。

生物质连续热解炭化技术是生物质能转化与利用的方式之一[3]。传统的生物质连续热解炭化装置主要由热解管和内部的螺旋输送绞龙组成，物料在螺旋输送绞龙的推送下实现轴向移动，并在移动过程中升温，实现缺氧热解炭化[4]。赵圆圆[5]用正交试验对切碎玉米秸秆的螺旋输送性能进行研究，表明对输送量影响的主次顺序依次是螺距、填充系数、转速。李晓阳[6]通过螺旋输送机对纤维物料的输送性能研究表明，一定转速范围内输送量随着转速和物料含水率的增大而增大。吴超[7]采用离散单元法，对螺旋输送机进行数值模拟，结果表明：螺旋转速和填充率对输送机内颗粒的移动速度和质量流量影响显著。赵翠莲[8]利用EDEM离散元模型软件仿真分析对比无轴和有轴螺旋两种输送装置对粉料传送精度，结果表明：无轴螺旋装置对粉料传送精度随着转速和填充率的提高而降低；有轴螺旋受影响不大，其送料精度高于无轴螺旋[9]。

实验室研究工作表明：采用生物质连续热解炭化技术，由于螺旋输送绞龙和热解管长时间处于高温环境条件下，易发生不同程度的变形现象，严重时出现绞龙卡死现象[10]。为此，本文实验研究了一种无轴柔性输送装置，研究了螺距、转速等因素对输送性能的影响，并与有轴螺旋绞龙进行了对比研究，对多种物料的输送性能进行了适应性实验。

1 螺旋输送器设计

螺旋输送器工作原理：电机带动螺旋叶片(见图1)绕定轴转动，物料从入料口依靠重力落入输送管中，在螺旋叶片的侧面支持力和摩擦力的作用下随着螺旋叶片一起转动(如果无其他力阻碍作用，二者角速度相等)。由于输送管内壁对物料的摩擦力和物料保持原有运动状态重力的共同作用，使得物料相对于螺旋叶片侧面滑移[11-12](物料的转动角速度小于螺旋叶片的转动角速度)，即物料相对于螺旋叶片向原螺旋叶片转动方向的反方向运动；由于螺旋叶片的倾斜面作用迫使物料产生一个轴向分速度，这样物料在输送管中不间断地既做径向转动又做轴向移动，最终经由出料口分前后两部分依次交替排出，实现物料的连续输送。

螺旋叶片是连续热解输送装置的核心部件，决定着装置的处理量和输送停留时间[13]。本研究设计加工了无轴螺旋叶片，如图1所示。螺旋叶片的主要尺寸有外径D、内径d、螺距S、长度L。为传递扭矩，柔性螺旋的端部焊接一短轴。

图1 螺旋叶片二维图Fig.1 Structure of screw blade

螺旋输送装置螺旋叶片的物料输送量为

Qm=3600FρV1c

(1)

Qv=3600FV1c

(2)

Qm—质量输送量(kg/h)；

Qv—体积输送量(m3/h)；

F—料槽内物料层横截面积(m2)；

D—螺旋叶片直径；

λ—填充系数；

ρ—物料的单位容积质量(kg/m3)；

c—倾斜输送系数；

V1—物料在料槽中的轴向移动速度(m/s)。

本实验中，暂不考虑物料轴向移动阻滞的影响，因此物料在料槽内的轴向移动速度V1=Sn/60[14]。其中，S为螺旋叶片螺距(m)；n为电机转速(r/min)。

螺旋叶片的直径和螺距设计。以输送稻壳为例，输送量Qm为5kg/h，输送时间为8min，输送长度L为1.57m，ρ=100kg/m3，装置是水平放置，故取c=1。结合变频器与电机的运行状况，取n=5r/min，取λ=1，代入参数计算得

(3)

(4)

(5)

式中K—物料特性系数；

ks—螺距直径比；

A—物料综合特性系数。

取ks=S/D=0.5，取A=30，得到K=0.073，D≥0.022m。加工因素是制作螺旋叶片时需要考虑的问题，当ks很小时，即螺距相对于螺旋叶片的直径较小，当输送摩擦困数较大的物料时，物料极易夹堵在相邻的两个螺旋叶片之间，造成物料输送过程的堵塞；当ks很大时，即螺距相对于螺旋叶片的直径较大，物料轴向移动的阻滞作用显著增强，不利于物料的正常输送。综合考虑加工因素，直径和螺距的关系ks宜取0.4～2.0之间。

序号轴性外径D内径d叶片长L螺距SⅠ无轴7025165039.3Ⅱ无轴7025166057.2Ⅲ无轴7025170077.3Ⅳ有轴7025158041.6

2 结果与分析

螺旋输送装置的输送性能包括输送质量、输送体积、功耗与平稳性等。螺旋叶片直径、叶片螺距、转速、填充系数、物料特性、物料与管壁之间的摩擦都会影响装置的输送性能[15]。

选用稻壳、木屑和黄豆3种物料进行实验，其物理特性如表2所示。

表2 不同物料物理特性分布

2.1 螺距对输送性能的影响

电机转速设置为10r/min，3种物料均可平稳输送，3种螺距下，螺旋平均旋转1周输送的物料体积如表3所示。

表3 不同螺距螺旋叶片的物料输送体积

小括号内的数值表示此状态下物料的填充系数。

由表3可以看出：在小螺距条件下，摩擦因数大的物料(稻壳、木屑)的输送能力大于摩擦因数小的物料(黄豆)。随着螺距的增加，3种物料的输送能力均随着螺距的增加而增加，但是摩擦因数小的物料的输送能力增加得更快。当螺距为77.3mm(ks为1.10)，螺旋叶片单转输送黄豆的体积为0.22L/r，已超过了稻壳的输送量，与木屑的输送量相当。上述现象可能与稻壳和木屑在输送中的压缩性变化及填充系数有关。在小螺距条件下，稻壳和木屑这类松散物料，因轴向输送分速度较低，径向分速度较大，产生升温和压缩至密现象；当从输送装置排出后物料发生回弹，体积增大，而随着螺距的增加，升温和压缩致密现象逐渐变弱。

另一方面,随着螺距的增大,稻壳和木屑的填充系数出现减小趋势,稻壳尤为明显,填充系数从1.00减小到0.78,木屑的填充系数从1.00减小到0.94。输送过程当中,物料在输送管内出现了翻转现象,而且堆积角越大(如稻壳),翻转现象越明显。

2.2 转速对输送性能的影响

2.2.1 不同转速同一时间内不同物料输送量分析

选用螺距较小的39.3mm的无轴螺旋叶片，变频器频率设定为2.00(4.9r/min)、4.00(10.5 r/min)、6.00(15.8 r/min)、8.00(21.4 r/min)、10.00(26.7 r/min)、12.00(32.4 r/min)和14.00(37.5 r/min)，测量不同转速下3种物料在120s内的输送量，如图3所示。实验结果表明：3种物料两分钟内的输送量随着转速的增加而线性增加，线性拟合度R2大于0.99。在同一转速下，3种物料输送量表现为：黄豆>木屑>稻壳。

图3 不同转速下不同物料两分钟的输送量Fig.3 Throughput of different materials in 2 minutes under

different rotating speeds

2.2.2 转速对物料输送量影响

为直观显示稻壳、木屑和黄豆3种物料的输送情况，将实验数据做处理，得到平均每转物料的输送量，如图4所示。从图4可以看出：平均每转物料输送量基本维持在各自的稳定水平，并没有随着电机转速的提升而明显变化；稻壳、木屑和黄豆的平均输送量分别稳定在10、28、74g/r。

图4 平均每转物料输送量Fig.4 Throughput of average per revolution

2.3 有轴与无轴对输送性能影响

有轴螺旋与无轴柔性螺旋都可以对物料进行轴向输送，但两种送料形式各有特点：有轴螺旋叶片刚性强度大，不易产生弯曲和轴向伸缩变形，通过螺旋轴能够产生很大的扭矩；无轴柔性螺旋叶片输送平稳，遇到阻力时自身可以发生变形，从而很好地解决了与热解管发生机械干涉的技术难题，保证热解反应器内生物质物料稳定输送。

采用有轴螺旋和无轴柔性螺旋进行对比实验可知：有轴螺旋叶片的螺距是41.6mm，无轴螺旋叶片的螺距是39.3mm。两种螺旋叶片对物料的单转输送量如图5所示。

图5 有轴无轴状态下物料每转平均输送量Fig.5 Throughput of average per rotation of shaft-less spiral

conveyor and a shaft one

由图5可以看出：在各个转数条件下，对于稻壳单转输送量，有轴的螺旋稳定在8g/r，无轴螺旋稳定在10g/r；对于黄豆单转输送量，有轴的稳定在64g/r，无轴螺旋稳定在73g/r，无轴螺旋输送量比有轴螺旋叶片高15%～30%。前述研究表明：螺距越大，螺旋对物料输送能力越强。本对比实验中，有轴螺旋叶片的螺距比无轴螺旋叶片大2.3mm，但其输送能力却低于无轴螺旋叶片。这进一步说明，采用柔性无轴输送装置有利于提高输送能力。长期的运转稳定性试验还表明：有轴螺旋叶片在输送木屑和油茶壳等大尺寸物料时，会出现物料卡在螺旋和管壁之间的现象，严重时甚至会发生死机现象，给安全运行提出了较高要求。

3 结论

1)为了解决生物质连续热解装置的螺旋绞龙与热解管因热变形而发生的机械干涉现象，本实验研究了一种用于生物质热解的无轴柔性连续输送装置，设计了该无轴柔性螺旋叶片参数。以稻壳、木屑和黄豆为输送物料，探究了螺距、转速和中心轴等因素对输送性能的影响。

2)在小螺距条件下，摩擦因数大的物料(稻壳、木屑)的输送能力大于摩擦因数小的物料(黄豆)。随着螺距的增加，各种物料的输送能力均随着螺距的增加而增加，但是摩擦系数小的物料的输送能力增加得更快。当螺距为77.3mm(ks为1.10)，螺旋叶片单转输

送黄豆的体积为0.22L/r，已超过了稻壳的输送量，与木屑输送量相当。

3)有轴无轴对比实验表明：柔性无轴螺旋输送量比有轴螺旋高15%～30%。转速实验结果表明：单位时间物料的输送量随着转速的增加而线性增加，单个转数所排出的物料体积基本不变。长期的运转稳定性试验还表明：无轴柔性螺旋在输送木屑和油茶壳等大尺寸物料时，也不会出现物料卡在螺旋和管壁之间的现象，提高了连续运转工作的稳定性。

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Study on Flexible Delivery Device Performance of Biomass Pyrolysis

Zhang Shijun, Jiang Enchen, Wang Mingfeng, Du Yanhong, Li Shibo

(College of Materials and Energy,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

In order to solve the mechanical interference for thermal deformation between screw auger of biomass pyrolysis and pyrolysis tube, this paper experimentally investigated a kind of flex shaft-less continuous delivery device for biomass pyrolysis and designed the parameters of shaft-less flexible spiral blade. Taking Rice husk,wood chips and soybeans as transportation materials, explored the effect on delivery performance since the factors of the pitch, speed and shaft or shaft-less. The results show that: the larger the pitch is, the stronger the throughput of the flexible delivery device is. At the lower speed, the throughput increases with the increasing speed of motor linearly, indicating that the throughput and time of processing can be controlled precisely by adjusting the motor speed; The throughput capacity of shaft-less spiral conveyor is 15-30% better than a shaft one, and the transportation process is more smoothly, efficiently avoid the crash phenomenon for the pinched of the material between the delivery device and the delivery tube.

biomass; pyrolysis; flexible delivery device

2016-05-04

科技部农业科技成果转化资金项目(2014GB2E000048)；国家自然科学基金面上项目(51576071)

张世军(1988-)，男，河南扶沟人，硕士研究生，(E-mail) nescau@163.com。

蒋恩臣(1960-)，男，黑龙江富锦人，教授，博士生导师，(E-mail)ecjiang@scau.edu.cn。

S229+.1

A

1003-188X(2017)06-0250-05