生物质致密成型过程中原料几何形状的离散元研究

刘新泰¹，高雨航²，李震²，刘彭²

(1.包头铁道职业技术学院机械工程系，内蒙古包头，014010；2.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头，014010) 　　摘要：在大量的农林业加工剩余物中，不同种类原料粉碎后的形状不同，其压缩成型特性有很大差异。以锯末、树叶和灌木细小枝条为原料，在同一模具下进行单模孔单向受压的离散元模拟，分析不同种类原料的成型质量和能耗。模拟结果表明：挤压成型后，锯末的接触数量达到8327，高于其他两种原料。锯末颗粒的最大变形率为55%，灌木细小枝条为52%，树叶为49%。成型后锯末的孔隙率为19.03%，灌木细小枝条为24.72%，树叶为32.19%。根据变形率和孔隙率，得出锯末的成型质量最好，树叶的成型质量最差。这一结论与燃料的成型密度结果相对应。整个致密成型过程锯末、灌木细小枝条和树叶消耗的能量分别为30.84J、19.76J、15.12J。模拟结果可以为生物质致密成型技术的发展提供理论依据。 　　0引言 　　随着能源危机和化石燃料对环境污染的加剧，世界各国不断地研究和探索新能源。在这些新能源中，生物质能是一种清洁绿色无污染的可再生能源[1-2]，发展利用生物质能源已成为解决全球能源问题和改善生态环境不可或缺的重要途径。 　　近年来，国内外学者针对生物质致密成型技术进行大量研究，取得一些研究成果。霍丽丽等[3]对玉米秸杆和木屑颗粒燃料横截面的微观形貌进行观察，结果表明，生物质颗粒燃料的微观成型机理为分层间断性压缩，分为中心层、过渡层和表层三部分。Kaliyanw[4]利用显微镜观察不同方式压制出的玉米秸秆颗粒和柳枝稷颗粒，发现颗粒间的结合方式主要是固体桥接。杨华等[5]利用木屑、竹屑及玉米秸杆等生物质原料进行压缩试验，结果表明，原料纤维形态和原料特性对成型燃料的抗跌碎性、抗渗水性及吸湿性均有重要影响。上述研究更多侧重于成型燃料的微观黏结机制及不同种类原料成型后的成型效果，而不同种类原料粉碎后的几何形状不同，其对成型品质及能耗有一定影响，上述文献对这方面研究较少。 　　生物质原料的细胞构造和排列方式等决定其力学性质多表现为各向异性[6]，致密成型前呈离散状态，用连续体力学分析方法很难确切研究，而离散元方法可以实现颗粒物料细观力学特性的数值模拟，弥补连续固体力学方法在处理散粒体方面的缺陷，因此，采用离散元方法更接近实际。不同种类原料粉碎后的形状不尽相同，压缩成型特性有很大差异，不但影响成型质量，而且影响成型机的产量及动力消耗。本文以锯末、树叶和灌木细小枝条为研究对象，采用离散单元法，利用计算机模拟其致密成型过程，分析不同种类原料颗粒燃料的成型质量及能耗，为生物质固化成型技术的发展提供理论依据。 　　1理论基础 　　离散单元法（Discreat Element Method，DEM)是由Cundall于1971年基于分子动力学原理提出的一种颗粒离散体物料分析方法[7]。离散元球形颗粒接触理论的计算过程较为繁琐，在不产生显著误差的条件下，有必要予以简化处理，目前常用的有软球模型和硬球模型。硬球模型忽略了颗粒的表面变形，主要应用于低浓度颗粒间快速碰撞运动时的数值模拟。而软球模型依据颗粒间法向重叠量和切向位移计算接触力，并不断更新颗粒的位置，计算强度较小，适合于工程问题的数值计算[8]。

　　2离散元仿真 　　2.1离散元模型 　　成型模具的尺寸参数如图2(a)所示。根据图2(a)中壁面的尺寸参数和约束条件创建的离散元模型如图2(b)所示，模型主要由加载面、储料仓、进料锥面、成型腔和底部挡板等五部分组成。

　　为促使生物质原料更容易进人成型腔内，成型模具的进料口处应有一定的锥度，而锥度的大小与锥面的受力有关。当模具锥角为60°时，进料锥面所受应力较小[11]，因此，选用60°锥角的模具来进行建模，成型模孔直径d=8mm，模具的长径比经过研究文献[12]选为6:1，即成型腔长度为48mm。 　　2.2颗粒模型及材料和接触参数 　　在大量的农林业加工剩余物中，不同种类原料粉碎后的形状不同，其压缩成型特性有很大差异，有的植物体粉碎以后容易压缩成型，有的就比较困难。树叶等自然形态下为片状，粉碎后也多为片状，常温时容易压缩；灌木细小枝条等粉碎后多为针状，一般较难压缩；锯末等颗粒细小，多为类球状颗粒，容易压缩[13]，3种原料粉碎后的形态如图3(a)所示。针对上述3种原料形状，在EDEM的原型颗粒模型创建中利用多球面组合功能建立类球状、针状及片状颗粒模型，如图3(b)所示。

　　参照实际致密成型试验，本次模拟用球形颗粒填充颗粒模型，颗粒模型粒度为1〜2mm。不同种类原料其离散元参数有一定差别，但本研究主要是分析原料粉碎后不同几何形状对成型过程的影响，因此，选用同一参数来进行单因素分析，避免原料自身力学特性参数的影响。离散元仿真时，仿真参数主要是材料和接触参数，材料参数是生物质原料和成型模具的物理特性参数，如表1所示[14]。接触参数是生物质原料颗粒间和生物质原料颗粒与成型模具间的接触参数，如表2所示[15]。

　　2.3颗粒工厂及工作参数设置 　　图2(b)所建立的离散元模拟模型中，根据成型腔体积和颗粒粒度，颗粒工厂采用落雨法随机生成的颗粒填满成型腔内，相当于致密成型试验中物料填充完成后进人待压缩的初始状态。加载面以固定速度向下运动，储料仓内的颗粒从锥面慢慢被压缩至成型腔内。底部加一挡板相当于做闭式压缩试验。 　　参照实际压缩试验，设置重力加速度为Z轴负方向，取9.81m/s²。在储料仓内建立一个虚拟的圆柱形颗粒工厂，采用静态方式生成原料颗粒总质量为5.6g，生成速率为1g/s。设置仿真时间步长为2×10^-6s，Rayleigh时间步长的21.89%。仿真总时间为50s，运动总位移为50mm，网格尺寸为3Rmin(最小颗粒半径）。模拟开始后，每隔1s保存一次仿真数据。 　　3结果与讨论 　　3.1成型密度与最大压力 　　图4为锯末、树叶和灌木细小枝条3种原料压缩后成型密度与最大压力的关系。从图4可以看出，在同一模具下，3种原料经压缩后均能成型且成型后密度都远大于压缩前密度，锯末的成型效果最好，成型密度达到1.28g/cm³；树叶的成型密度最低为0.93g/cm³，成型效果较差。树叶成型时所受到的压力最大为16MPa；银末的压力最小为9MPa。

　　3.2颗粒变形率 　　锯末、树叶和灌木细小枝条3种原料颗粒变形率随压缩时间的变化曲线如图5所示，对比分析发现，3种原料对应的颗粒变形率曲线变化趋势大致相同，但最大变形率却存在一定差异。锯末颗粒变形率最大为55%，灌木细小枝条次之为52%，树叶最小为49%。根据颗粒的变形程度可知，锯末的成型品质较好，树叶的成型品质较差。

　　3.3孔隙率分析 　　图6为不同种类原料孔隙率变化曲线，对比分析发现，原料种类不同，其粉碎后的形状不同，初始堆积孔隙率也存在一定差异。树叶初始孔隙率最大，锯末最小。原料种类改变对孔隙率变化趋势影响不显著，但挤压成型后成型燃料的孔隙率大小不等。孔隙率可以从颗粒排布层面予以阐述，孔隙率越小，其颗粒排布接触越为紧密，成型效果越好。压制成型后树叶的孔隙率为32.19%，灌木细小枝条为24.72%，锯末为19.03%，根据孔隙率可知，锯末的成型效果最好，树叶的成型效果最差。

　　3.4接触数量分析 　　在成型腔内建立一个测量块，计算测量块内不同种类原料的接触数量，如图7所示。从图中可以看出，不同种类原料接触数量变化趋势大致相同，压缩前期增长缓慢，压缩后期急剧增长。挤压过程完成后，锯末的接触数量达到8327，高于其他两种原料。 　　压缩前期，颗粒间空隙较大，发生接触的颗粒数量较少，压缩后期，外载荷消除了颗粒间隙，颗粒间紧密接触，接触数量急剧增长。由于接触数量代表了颗粒聚集程度，因此，锯末颗粒的聚集程度最大，其成型燃料品质优于其他两种原料，而灌木细小枝条成型块的质量优于树叶。

　　3.5能耗分析 　　锯末、树叶和灌木细小枝条3种原料颗粒的总能量见图8，图8(a)〜图8(c)按顺序分别对应于锯末、灌木细小枝条和树叶。从图中可以看出，压缩过程完成后，锯末消耗的能量为30.84J，高于其他两种原料，树叶消耗的能量最低，为15.12J。因此，压缩锯末颗粒消耗的能量最多，灌木细小枝条次之，树叶最小。

　　4结论 　　1)建立锯末、树叶和灌木细小枝条3种原料颗粒致密成型过程的离散元仿真模型，分析不同种类原料的成型质量和能耗，模拟得到不同种类原料压缩过程中的最大压力不同。 　　2)挤压过程完成后，锯末的接触数量达到8327，高于其他两种原料。成型后锯末颗粒的变形率为55%、灌木细小枝条为52%、树叶为49%，锯末的孔隙率为19.03%、灌木细小枝条为24.72%、树叶为32.19%。变形率和孔隙率代表了颗粒的黏结程度，根据颗粒变形率和孔隙率，得出锯末成型效果最好，树叶成型效果最差。这一结论与成型燃料的成型密度结果相对应。整个挤压过程锯末消耗的能量为30.84J、灌木细小枝条为19.76J、树叶为15.12J。 　　3)对比分析3种原料成型燃料的成型品质和能耗，阐明生物质原料粉碎后的几何形状与压缩成型的相关性，为生物质固化成型技术的发展提供借鉴。