一种基于离散单元法的耙齿设计方法与流程

本发明属于散粒煤的干燥、热解和激冷回转设备的耙齿设计领域，具体涉及一种基于离散单元法的耙齿设计方法。

背景技术：

近年来，低阶煤提质工艺技术(LCC)已被社会广泛重视，国内很多机构都在进行低阶煤提质工艺及关键设备的开发。某企业已经建设了30万吨/年的低阶煤提质工业化示范装置，关键设备包括干燥炉、热解炉和激冷盘，装置运行状况良好。通过合理的耙齿设计(耙齿结构及布置)，在炉盘上形成多个通道，各通道间由耙齿实现连通，当煤经过耙齿时径向位置发生变化，即进入下一通道，经过多个耙齿作用后，最终实现煤从炉盘外侧通道(进口)运动至炉盘内侧通道(出口)。

干燥炉中，煤在炉盘上沿螺旋形路线运动，与通过炉盘底部缝隙的气流接触进行干燥，煤运动的理想状态是指煤首先经过耙进耙齿后形成波峰波谷形态，再由耙平耙齿将波峰的煤刮入波谷，煤在炉盘上厚度均匀，无沟槽。为达到上述要求，应合理设计耙齿(结构及布置)，防止煤在干燥过程中出现周向沟槽、返料及跨越通道现象，从而产生热气短路、干燥时间不充分，影响干燥效果。对于煤的运动状态，热解炉和激冷盘与干燥炉类似。

国内外相关机构缺乏对低阶煤提质工艺技术(LCC)装置中耙齿结构及布置的研究。耙齿的设计较为复杂，影响因素多，耙齿的数量、间距、长度、角度、炉盘转速等均会影响煤的运动状态。目前30万吨/年的低阶煤提质装置中耙齿设计是通过搭建5:1整体模型进行实验获得，但由于放大准则不清楚，实验数据应用于工业装置中存在一定的风险。当工业规模从30万吨/年扩大到100万吨/年，装置中关键设备尺寸增大两倍以上，耙齿若仍按缩小的实验模型方法进行设计，则存在较大的风险；若按1:1整体模型实验的方法设计耙齿，实验数据虽然可直接应用于耙齿设计，但需整套的物料输送装置，实验成本过高。因此需要一种经济、高效的设计方法进行耙齿设计。

离散元方法(DEM)作为一个用于描述散粒物料运动的工具，在最近十几年被广泛应用于许多领域，如采矿、化工、农业和医药产业等。该方法在许多涉及散粒物料操作的设备和工艺过程中都已经被证明是可靠的工具。

由于100万吨每年规模的LCC装置(设备直径超过20m)处理的煤量大、煤的物性复杂(煤块形状复杂多样、粒径分布广)。耙齿设计需要精确定位煤在经过耙齿后的运动状态，而目前DEM在实验室规模的仿真计算中精度较高，而对工业规模的计算结果与实际运行结果对比的分析文献较少，计算精度难以保证；同时，耙齿的设计需要调整耙齿结构及布置参数后大量的重复计算，在计算资源有限的条件下，当颗粒数量达到百万级以上的规模，颗粒形状多样，粒径分布广，几何模型庞大时，单一仿真算例耗时能达到数月，计算效率就难以满足工程实际的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于离散单元法的耙齿设计方法，以解决上述问题导致采用DEM指导耙齿设计面临计算精度差、计算效率低的困难。

为达到上述目的，本发明所述的一种基于离散单元法的耙齿设计方法，以物性参数实验的结果为依据，标定仿真参数，在保证仿真结果准确的前提下，优化离散元仿真参数，然后以局部模型实验的结果，验证优化后的离散元软件仿真参数的准确性及计算效率，在此基础之上，简化计算区域，再进行完整模型的仿真，最终指导完成耙齿的设计。所述方法包括以下步骤：

1)对耙齿作用的散粒物料进行物性参数试验，获得物料的物性参数；

2)在离散元软件(EDEM)中建立与物性参数试验相同的模型进行仿真，对比仿真与试验结果，标定出离散元软件仿真输入参数；

3)在保证仿真结果与试验结果一致的前提下，优化仿真参数，包括降低物料颗粒的剪切模量、放大物料颗粒模型尺寸；

4)采用优化后的仿真参数进行耙齿局部模型的计算，同时建立1:1大小的耙齿局部实验模型，进行实验对比研究，分析仿真结果与实验结果中散粒物料颗粒的运动状态和耙齿的受力情况，验证仿真计算的准确性是否满足工程要求；

5)如果不满足工程要求，则重复进行步骤3)和4)，直至耙齿局部模型仿真计算的准确性满足工程要求；

6)在离散元软件中采用验证后的仿真参数进行耙齿完整模型计算，简化计算区域，模拟在不同耙齿结构及布置情况下，物料的运动状态以及耙齿的受力情况，选取最优的耙齿结构和布置设计方案，完成设计。

优选地，步骤1)中的物性参数试验具体内容包括物料的粒径分布、典型形状、视相对密度、安息角以及物料与壁面的摩擦角的测定。

优选地，步骤2)中的与物性参数试验相同的模型具体包括物料的颗粒模型和试验装置的几何模型，其中颗粒模型一般由3～6个球形进行填充。

优选地，步骤2)中离散元软件仿真输入参数包括物料的剪切模量，壁面材料的剪切模量，物料和物料之间静摩擦系数、滚动摩擦系数和碰撞恢复系数，以及物料与壁面材料之间的静摩擦系数、滚动摩擦系数和碰撞恢复系数。

优选地，步骤4)中物料的运动状态具体包括物料的运动轨迹、运动距离、堆积高度和外形轮廓；所述耙齿的受力情况是指耙齿推动物料运动时，耙齿受到物料的反作用力和力矩。

优选地，步骤4)中所述耙齿局部实验模型包括具有弧形盘面的炉盘和炉盘上的耙齿。

优选地，步骤4)中所述弧形盘面的弧度为90～120度。

优选地，步骤5)中的准确性是指仿真和实验中物料的运动状态和耙齿的受力情况的一致程度，通过对比物料运动过程中的周向沟槽宽度、物料径向运动距离、物料堆积高度参数的方法来实现，根据工程需要，控制在80％以上的精度范围内。

优选地，步骤6)耙齿完整模型包括炉盘、设于炉盘上的耙齿和连续进料和出料装置。

优选地，步骤6)简化计算区域包括设置周期性边界条件，具体指当物料在炉盘上未受到耙齿作用，与炉盘相对静止时，将这部分的计算区域设置成周期性边界条件不予计算，以此提高计算效率。

优选地，步骤6)中耙齿结构和布置设计具体包括耙齿的数量、间距、长度和角度的设计。

本发明的有益效果是：本发明综合考虑了离散元仿真计算和实验模型的优缺点，通过采用1：1局部模型实验与物性参数试验结果的对比，验证模拟结果的准确，在此基础上，优化仿真参数，与未经优化的模型相比，计算效率提高约7倍，大大缩短了仿真计算时间，同时仿真结果与实验结果一致程度达到80％以上，满足工程要求。通过整体模型的仿真计算，分析物料的运动状态和耙齿的受力情况，最终指导和完成耙齿结构和布置的设计，使物料按设计的轨道运行，堆积高度均匀，无周向凹槽，不发生回流、堵塞现象，本发明设计方法省时省力，准确高效、有效降低实验和投资成本。

附图说明

图1为本发明的设计方法流程图；

图2为本发明实施例中物料颗粒的仿真模型；

图3为本发明实施例中物性参数试验之一的堆积角试验示意图，其中(a)为试验示意图，(b)为模拟示意图；

图4为本发明实施例中物性参数试验之一的倾斜法试验示意图，其中(a)为试验示意图，(b)为模拟示意图；

图5为本发明实施例中耙齿局部模型示意图；

图6为低阶煤运行示意图；

其中，(a)为试验中低阶煤示意图；(b)为仿真中颗粒示意图；

图7为稳定状态下煤层横截面轮廓示意图；

图8为本发明实施例中耙齿完整模型示意图；

图9为耙齿设计结果示意图。

其中，1炉盘；2耙进耙齿组；3耙平耙齿组；4出料口；5进料管。

具体实施方式

下面结合附图，以应用于低阶煤提质装置中干燥炉耙齿设计为例，对本发明的具体实施方式进行详细阐述。

如图1所示，首先以物性参数试验为依据，标定EDEM仿真参数，在保证仿真结果准确的前提下，优化仿真参数，然后以局部模型实验结果为依据，验证优化后的仿真参数的准确性及计算效率，在此基础之上，再进行完整模型的仿真，指导耙齿结构的设计，具体包括以下步骤：

对低阶煤进行物性参数试验，包括对粒径分布、典型形状、视相对密度、安息角以及物料与壁面的摩擦角的测定。

粒径分布结果如下：

典型形状如下：

视相对密度：1026kg/m³；安息角：32.6°；煤与钢板的摩擦角：29.9°。

同时在EDEM中建立与物性参数试验相同的模型进行仿真，对比仿真与试验的结果，标定EDEM的仿真参数。

在EDEM中建立煤颗粒的典型模型，如图2所示，将典型形状分为3类，如图2所示，具体包括块状(图2的(a)所示4球颗粒填充)、片状(图2的(b)所示6球颗粒填充)及条状(图2的(c)所示4球颗粒填充)，其中单个球颗粒的直径为25mm,球心距12.5mm。

在EDEM中建立颗粒工厂，设置颗粒粒径分布为50～25mm，25～13mm，13～6mm三种粒径段，每种粒径段所占比重根据筛分实验确定。设置每种颗粒段内最大尺寸及最小尺寸，粒径段内颗粒尺寸随机分布。在EDEM中建立与物性参数试验相同的模型，模型具体包括物料的颗粒模型和实验装置的几何模型。如图3、图4所示，分为侧壁坍塌法试验和倾斜法试验示意图，其中(a)为试验示意图，(b)为模拟示意图。标定得到仿真参数：物料和物料之间静摩擦系数0.5、滚动摩擦系数0.06和碰撞恢复系数0.2，以及物料与壁面材料之间的静摩擦系数0.75、滚动摩擦系数0.3和碰撞恢复系数0.3。

在已标定的仿真参数不变的基础上，保证侧壁坍塌法测得的安息角与倾斜法测得的倾斜角的仿真结果与实验保持误差在5％以内的情况下，将煤颗粒的剪切模量由10⁸pa降至10⁶pa、放大煤颗粒尺寸至原尺寸的1.5倍，优化仿真参数，大幅缩短仿真计算时间。

如图5所示为耙齿局部模型，由炉盘1和耙齿组成，所述耙齿由耙进耙齿组2和耙平耙齿3组成，炉盘1并非常规的圆形盘面，而是为具弧形盘面(优选弧度为90～120度)，本实施例中为90度，仅炉盘为整盘的1/4大小，其余结构和尺寸与整盘模型相同。炉盘圆心为出料口4，在SolidWorks中建立耙齿的局部三维模型(设备直径20m)，将该模型导入EDEM中，采用优化后的仿真参数进行计算，同时建立耙齿的局部实验模型(成本约为完整实验模型的50％)，进行实验对比研究，分析仿真结果与实验结果中低阶煤的运动状态和耙齿的受力情况，验证仿真计算的效率和准确性是否满足工程要求。

低阶煤的运动状态具体包括低阶煤的运动轨迹、运动距离、堆积高度和外形轮廓。如图6所示，(a)为实验中的低阶煤示意图，(b)仿真中的颗粒示意图。如图7所示，为稳定时煤层横截面轮廓示意图。运动状态(实验)：通过在局部实验装置中给典型煤块包上锡纸，并在内部标记序号，将标记的煤块放置煤层不同位置，测量其初始位置(坐标)，炉盘旋转，经过耙齿作用后测量其终止位置(坐标)，可得到标记煤块的运动距离，在炉盘上方设置摄影机录制标记煤块的运动轨迹，可得到标记煤块的运动轨迹；煤的堆积高度和外形轮廓是按照一定规律在煤的外表面取大量的点坐标，并在CAD软件中将其绘制得到。

运动状态(仿真)：标记颗粒的位置，EDEM中可直接监测颗粒的起止坐标、距离及轨迹；在终止状态下，取多个垂直于盘面并穿过炉盘圆心的截面，截取煤在各截面上的形态，测量堆积高度和外形轮廓。耙齿的受力情况是指耙齿推动低阶煤运动时，耙齿受到低阶煤的反作用力和力矩。

耙齿受力(实验)：在局部实验耙齿安装的位置设置测力传感器，并通过屏幕实时读取压力值，计算力矩。

耙齿受力(仿真)：在EDEM中直接监测耙齿面的压力，然后计算力矩。

所述工程要求：仿真计算的准确性是指仿真计算获取的结果与实验获取的结果对比，一致程度在90％以上；仿真计算的效率是指单一算例耗时在2天左右，整体模型计算耗时约10天左右，可满足项目需求。

如果不满足工程要求，则重复进行离散元软件仿真参数的优化，直至耙齿局部模型仿真计算的效率和准确性满足工程要求；

如果局部模型计算满足工程要求，则在SolidWorks中建立耙齿的完整三维模型。将该三维模型导入EDEM，简化计算区域，然后采用验证后的仿真参数进行计算。

简化计算区域具体指设置周期性边界条件，由于在非耙齿区域的煤与炉盘相对静止，取耙齿所在区域附近90°作为计算区域，见图8，两边的边界A、B作为周期性边界，从A边界输出的煤直接从B边界进入炉盘，简化计算区域后计算耗时可减少60％左右。

对整体模型进行仿真，将进料管5设置为颗粒入口，仿真参数与局部模型仿真中设置相同，计算煤从进料管5进入炉盘1，经过耙进耙齿组2和耙平耙齿组3的作用，从出料口4排出的连续过程，通过调整耙齿的数量、间距、长度、角度等设计参数，使煤在炉盘上达到工程所预期的运动状态，最终得到的数据见表1及图9。

工程所预期的运动状态：在耙齿的作用下，物料从一圈通道全部进入下一圈通道，物料按工程设计所期望的轨迹运动，且物料层厚度保持平稳，无周向凹槽、回流和堵塞现象发生。

所述EDEM指离散元软件。所述SolidWorks为三维建模软件。

表1

其中，上表中，R1-R6分别为耙进耙齿组2包含的六个耙进耙齿，P1-P3为耙平耙齿组3包含的三个耙平耙齿。

所述径向距离是指路耙齿端部到炉盘中心的距离。所述间距指该耙齿到下一个耙齿的垂直距离。

以上所述仅为本发明的一个具体实施例，但本发明并不局限此实施例，根据本发明的技术方案或构思所作的任何等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。