滚筒干燥器能耗分析及参数优化设计

2022-03-27 08:09:02 | 浏览次数：

摘要：针对热拌混凝土生产过程中物料加热、干燥能耗高等问题，通过实验分析了滚筒内扬料叶片结构参数对料帘分布特性的影响，对滚筒干燥器和料帘进行离散元仿真建模，实现扬料叶片齿间距、宽度、折弯角最优设计，优化计算后得到齿间距为39 mm、叶片宽度为40 mm、折弯角为128°。构建能耗预测支持向量机模型，能耗预测误差为±5%，实现滚筒干燥过程操作和生产参数的优化。

关键词：滚筒干燥器；能耗；离散元；核主元分析

中图分类号：U415.52文献标志码：B

Abstract： High energy consumption in the process of heating and drying is a crucial problem for rotary dryer. Relationship between structural parameters of the blades and characteristics of material curtain distribution was studied based on tests. A simulation model of rotary dryer and material curtain was established based on discrete element method. Optimization of intertooth space of blade， tooth width and folding angle was realized， with the result being 39 mm， 40 mm and 128° respectively. Prediction model of energy consumption was built on support vector machine. The prediction error is about ±5%， meaning the optimization of the drying process and production parameters of rotary dryer could be achieved.

Key words： rotary dryer； energy consumption； discrete element； kernel principal component analysis

0引言

国内外对滚筒干燥器的节能、环保技术及热效率方面都进行了深入的研究，取得了丰富的研究成果[1]。Andrew Hobbs等人以数值模拟的方式，通过离散元和空气流场的耦合（DEMCFD）分析了固体颗粒在滚筒干燥器内运动情况，得到令人满意的结果[2]。M.Kwapinska基于离散单元（DEM）和连续介质方法对自由流动颗粒在水平旋转干燥器中的传热进行了仿真，所构建的DEM模型与连续介质法得到的结果基本一致[3]。孙祖望教授分析了热拌混凝土连续式相比于间歇式搅拌设备的优点以及不同的滚筒参数与加热方式对沥青混合料的影响[4]。江苏大学的田晋跃等利用流体分析理论对滚筒干燥器内流体运动及温度分布进行了研究，基于热效率实现了滚筒干燥器结构参数优化设计。黄志刚等人对颗粒物料在滚筒干燥器内的传质和传热过程进行了数值模拟和试验研究，模拟结果和试验结果较为吻合[510]。长安大学的李海鹏等人对滚筒干燥器的热效率进行了三维仿真分析，仿真结果提高了干燥滚筒的热效率。Jullien研究了操作参数对回收沥青在搅拌过程中的能耗和排放的情况。U. amdal在研究中发现沥青对烟气中的有机物排放有一定影响。从对环境影响的角度，美国的一些科研机构对美国的几百个沥青搅拌站进行了系统的统计研究。Paranhos研究了沥青搅拌站的污染物排放的测量方法，通过集中相关气体的测量结果对热拌沥青的效率进行预测。

针对滚筒干燥生产过程中能耗问题，国内外学者取得了显著的研究成果，但是关于结构和生产参数对能耗和排放影响的系统研究较少[1121]。本文通过试验研究了关键的结构和生产参数对能耗和排放的影响机理；滚筒干燥器内的料帘分布特性对能耗和排放有至关重要的影响，对滚筒干燥器进行离散元建模，基于料帘分布面积和均匀性，实现结构和生产参数优化设计；在线检测滚筒干燥生产过程中的状态参数，提取影响能耗和排放的有效特征，構建了能耗和排放的支持向量机模型，并对模型参数进行了优化，实现生产过程中操作参数的优化。通过结构、生产和操作参数实现了滚筒干燥过程的节能、减排。

1滚筒干燥器的结构及存在的问题

1.1滚筒干燥器的结构

本文研究的滚筒干燥器结构如图1所示，内部主要由进料区、料帘区和出料区等组成，燃烧器安装在出料区，采取逆流式加热方式。需要加热的物料由进料口加入，进料区中有含料叶片，含料叶片使物料紧贴滚筒内壁，通过叶片的导料作用使物料顺利进入料帘区；料帘区由大量的扬料叶片组成，扬料叶片在滚筒的转动下使物料沿着径向形成均匀的料帘，燃烧器在滚筒内形成的热气流和料帘充分接触，带走物料中的水，从而达到物料干燥的目的。因此，在扬料区形成的料帘分布特性直接决定了干燥效率和能耗。干燥好的物料在出料区含料叶片和燃烧器火焰的作用下紧贴滚筒内壁被加热到设定的温度，同时物料也对滚筒壁起到保护的作用，避免燃烧器火焰和滚筒壁直接接触，导致滚筒变形。

1.2物料干燥、加热过程中存在的问题

物料干燥过程中的能耗和排放主要取决于燃烧器的燃烧效果和干燥滚筒的结构。燃烧器的燃烧效果主要和配风量、燃油品质、油温、滚筒内正负压、燃烧器的机构参数等有关，燃烧效果直接影响烟气的排放。滚筒干燥器的料帘分布不均匀将产生风洞，会导致热气流排除过多而带走过多的热量，同时烟尘温度过高又会直接烧毁除尘布袋；料帘太厚时，烟尘无法排除，同时热气流和物料之间交换不充分，烟尘温度过低将导致除尘布袋冷凝，从而堵死除尘布袋，因此料帘的分布特性对物料干燥效果、节能环保至关重要。料帘分布特性与扬料叶片结构、滚筒运行参数等密切相关，实际工程中需要通过大量的试验才能确定最优的料帘分布方案。若使用的渣油品质波动较大，将导致配风量的波动，从而影响燃烧效率。滚筒的正负压直接影响燃烧器火焰的形状，燃烧器火焰形状的改变对物料加热、干燥效果影响明显，出料温度、烟尘排放温度对能耗和排放也具有重要的影响。一直以来，物料干燥过程的操作参数需要在工地不断地调试，如果几个参数同时影响，操作参数的调试将更加复杂，需要提取影响能耗和排放的有效特征向量，明确各种生产参数的影响机制。

2能耗影响因素试验研究

2.1叶片滚筒干燥器结构对能耗的试验研究

研究表明滚筒干燥生产过程中的能耗与叶片结构、生产状态参数及燃烧器结构相关，本文以同一种燃烧器，通过试验研究了不同的扬料叶片和生产状态参数（物料温度、一级烟道温度、配风量及生产率）对能耗的影响关系。分别改变扬料叶片的折弯角θ、齿间距A、叶片宽度L，如图2（a）所示。扬料叶片的结构参数对能耗的影响如图2（b）所示。试验采用自行研制的小滚筒，生产率为5 t·h-1。燃烧介质采用渣油，试验中油耗的测量采用悬挂的称重传感器，对渣油用量实时计量；物料最大粒径为15 mm，保持所有的状态参数不变，采用了不同结构参数的扬料叶片，每次测试时间为10 min；试验中通过调整出料时间来保证出料温度为180 ℃，物料粒径为6～15 mm。由图2（b）发现，当叶片宽度从5 mm增加到80 mm的过程中，油耗有较大的变化，叶片宽度L=40 mm时油耗最低，这主要因为宽度不同，叶片承载物料的能力也不同。短叶片承载能力差，从而形成的料帘厚度较薄，热气流直接穿过料帘，热量损耗大；如果宽度大，叶片的承载能力虽然较大，但是物料下落倾角增大，导致料帘在一侧形成较大的风洞，热气流直接从风洞流出，从而增加能耗。齿间距的大小和物料的粒径大小直接相关，随着齿间距增大，物料在一侧的抛撒量增大，在另一侧抛撒量减小，容易导致料帘形成风洞，和叶片宽度的情况类似导致能耗增加。折弯角不同将导致物料抛撒起始角度不同，从而影响料帘的分布特性和能耗。

2.2状态参数对能耗的试验研究

滚筒干燥器的干燥过程状态参数对能耗有重要的影响，如物料的出料温度、烟尘的温度等。渣油的温度、配风量等对燃烧器的燃烧效果也有影响。试验中以某公司生产的燃烧器配合试验用滚筒干燥器，物料温度采用红外测温仪测量，保证温度测量实时性；配风量的风机采用变频控制，通过改变频率调节配风量的大小；入料量采用皮带秤计量，入料量减去粉尘重量即为单位时间内的出料量。分别对上述状态参数和实际能耗之间进行回归分析，分析结果如图3所示。图3（a）为燃烧器配风量和能耗之间的回归分析，可以发现配风量较小时，燃烧器燃烧不充分，同时和物料的热交换不充分，能耗较高。随着配风量的增加，燃烧器的燃烧效果逐步改善，能耗下降。继续增加配风量时，能耗开始增加，主要因为配风量增加导致空气过剩系数增大，通过烟尘排出更多的热量，从而使能耗增加，因此燃油供给量和配风量比值（风油比）必须取合适的值。图3（b）为出料温度和能耗的回归分析，基本为线性正比关系。图3（c）为生产率和能耗的关系，生产率较低，滚筒内未充满物料，料帘分布特性较差，使排出的烟尘热量损失大，生产率在5 t·h-1时，干燥能耗最小，生产率进一步增大导致热气流和物料热交换变差，从而增加能耗。为了使燃烧介质燃烧充分，需要对渣油进行雾化，增加雾化压力有助于减小油雾的粒径，使燃烧更加充分，减小能耗。但雾化压力过高会使油枪出口速度过快，造成火焰不稳定，甚至直接断火，同时把油顶回去，造成出油量减少，增大空气过剩系数，从而增加能耗。

3干燥系统结构参数优化

3.1滚筒干燥器料帘特性离散元仿真

对滚筒干燥器进行离散单元法建模，设定模型参数：接触模型为HertzMindlin，颗粒密度为2 900 kg·m-3，颗粒直径为 10 mm，颗粒的杨氏模量为138×107，颗粒泊松比为 025；滚筒为几何体，几何体密度为7 800 kg·m-3，几何体杨氏模量为 75×107，几何体泊松比为 03；颗粒之间的恢复系数为045，颗粒之间的滑动摩擦系数为055，颗粒之间的滚动摩擦系数为03，颗粒和几何体之间恢复系数为05，颗粒和几何体之间滑动摩擦系数为045，颗粒和几何体之间滚动摩擦系数为03；仿真时间步长为0001 s，颗粒生成量为135 kg·s-1。为了评价料帘的分布特性，沿水平方向取15个单元体，如图4（a）所示。对每个单元体在单位时间内通过的颗粒数进行统计，单元体内颗粒个数的分布均匀性能表征料帘特性，仿真试验过程中滚筒干燥器的運行参数和实际试验一致。图4（b）为齿间距不同的情况下料帘的分布特性，齿间距在30～425 mm时，料帘分布的均匀性较好，如齿间距较小或较大会分别在左侧和右侧形成风洞，从而影响干燥效果，与回归分析结果基本一致。图4（c）为不同齿宽下料帘分布特性仿真结果，叶片宽度为40 mm时，料帘分布均匀性最好，和能耗的回归分析结果基本一致。图4（d）为扬料叶片折弯角不同的料帘分布特性仿真结果，折弯角在120°～135° 时，料帘分布均匀性较好，上述的回归分析过程中折弯角在130°时能耗最小。

3.2滚筒干燥器料帘分布特性试验

为了验证上述料帘分布离散元仿真结果正确性，设计了滚筒干燥器扬料叶片试验平台，主要由滚筒、扬料叶片、物料运输机及高速摄像系统等组成，如图5所示。对上述仿真的不同参数叶片进行试验研究，试验过程中采用高速相机在线提取料帘分布图像，对图像进行灰度、降噪滤波和分割等处理，并对整个料帘图像的孔隙率进行识别，以孔隙率表征料帘分布特性。图5和图6对比了实际和仿真的料帘分布特性，通过对比反复调整颗粒颗粒、颗粒叶片之间的摩擦系数，直到料帘分布特性接近，确定离散单元法仿真模型参数。

4滚筒干燥器生产参数优化

4.1干燥器生产参数核主成分分析

核主元分析通过非线性映射Y=Φ（x）将输入空间的样本x1，x2，…，xn映射到高维特征空间，在高维特征空间进行主元分析，从而提取样本的非线性信息，假设映射数据的协方差矩阵为

通过粒子群算法（PSO）对公式（5）进行优化，设定前3个核主元累积贡献率为90%。选择滚筒干燥器中燃烧器配风量、出料物料温度、生产率、燃油雾化压力、烟尘温度、燃油温度作为生产参数，风机变频控制的频率代表配风量，将6组生产参数进行归一化处理；对处理后的数据进行核主元分析，通过粒子群算法对核参数σ进行优化，得到当前3个核主元累积贡献率为90%时σ=0253；取前3个核主元导入预测模型，对滚筒干燥器的燃油消耗进行预测。

4.2生产参数对能耗影响预测

采用最小二乘支持向量机对某滚筒干燥器的能耗進行建模分析和预测，最小二乘支持向量机将其学习问题转化为解线性方程组。对上述的核主成分分析的前3个主成分，取前20个样本和对应的实测油耗作为训练数据集（xi，yi），i=1，…，20， xi为前3个核主成分向量，yi为实测油耗。利用高维特征空间的线性函数y（x）=WTφ+B拟合输入样本集，其中映射函数φ（·）将数据从输入空间映射到特征空间，将非线性拟合转换成线性拟合，上述回归问题转化成约束优化问题。

5结语

热拌混凝土搅拌过程中对物料进行干燥、加热将产生大量的能耗和污染物排放，优化滚筒干燥器结构参数和操作参数能有效降低能耗。通过试验对滚筒干燥器中影响能耗的结构参数和生产参数进行分析，构建滚筒干燥器和物料离散元模型，对影响干燥效果的扬料叶片结构参数进行仿真优化，得到当齿间距为30～42.5 mm、叶片宽度为40 mm、折弯角为120° ～135° 时，扬料叶片产生的料帘分布特性最优，物料干燥过程中能耗最低。对热拌混凝土搅拌过程中生产状态参数采用核主元分析提取影响能耗的状态特征参数，通过优化取前3个核主元，构建滚筒干燥过程能耗预测支持向量机模型，预测能耗与实测能耗误差小于5%，通过预测模型能实现生产状态参数优化，降低能耗。通过叶片结构和生产状态参数优化能有效降低滚筒干燥过程中能耗。

参考文献：

[1]李海鹏，孔德勇，王鹏.滚筒干燥器内流场和传热过程的数值模拟[J].工程机械，2011，42（6）：2023.

[2]孙祖望.连续式沥青混合料搅拌工艺的发展与新型的双滚筒搅拌设备[J].建筑机械，1999（11）：2429.

[3]田晋跃，翟云峰，程一鸣，等.再生沥青拌合烘干滚筒的温度场数值模拟[J].中国工程机械学报，2007， 5（3）：267271.

[4]黄志刚.转筒干燥器中颗粒物料传热过程的数值仿真与实验研究[J].机械设计与制造，2006（1）：2426.

[5]孙祖望.沥青搅拌设备的节能减排[J].建筑机械技术与管理，2011（6）：4144.

[6]李友荣.提高对流干燥系统热效率方法的研究[J].化工装备技术，1996，6（17）：2830.

[7]谢立扬.沥青搅拌设备节能减排研究现状及设备存在问题[J].建筑机械，2012（2）：2531.

[8]郭永亮.搅拌设备烘干筒叶片对骨料加热特性影响研究[D].西安：长安大学，2012.

[9]黄志刚.转筒干燥器中颗粒物料流动和传热传质过程中的研究[D].北京：中国农业大学，2004.

[10]张瑞芬.烘干滚筒传热分析及内部叶片的设计[J].建筑机械技术与管理，2011（9）：108113.

[11]黄泽森.回转烘干机物料运动分析及扬料板设计[J].建材工业技术，1994，9（1）：2022.