苜蓿草颗粒制粒过程流体动力学及高效制粒机理研究

In recent years, the design and manufacture level of hoop standard granulator on grass particles have constantly progressed in domestic, but the study on the granulation mechanism is relatively weak, which directly caused the hoop standard granulator such defects as irrational structure, production inefficiency, and too high energy consumption in China.In the project, based on hydrodynamics theory, the flow-solid two-phase hydrodynamics of grass pellet granulating process was studied,the heat and mass transfer behavior of grass powder fluid on the granulating process was discussed.The influence law was analyzed on the impact of different factors' changes on the physical and chemical qualities through the high solidification tests according to the alfalfa pellet granulating process. Mechanism of surface morphology on different process parameters was explored, and quantitative analysis was made.On this basis, through comprehensive analysis of internal and external conditions of grass pellet granulating process, the efficient granulating mechanism was inquired.The project has enriched the research connotation in theory on two-phase hydrodynamics and powder molding theory; practically, it has important meaning for improving the pelleting quality and the pelleting efficiency, which promotes the industry development of granular material.

近年来，国内草颗粒环模制粒机的设计、制造水平不断进步，但在制粒机理方面的研究相对薄弱，这直接导致我国的草颗粒制粒机仍然存在结构不合理，生产效率偏低、能耗偏高等缺陷。本项目针对苜蓿草颗粒的实际制粒过程，基于流体动力学理论，深入研究草颗粒制粒过程的流固两相流体动力学规律，探讨制粒过程草粉流体的传热传质行为；通过散粒体高致密成型试验，分析不同因素水平变化对草颗粒理化品质的影响规律；探索不同压缩条件下草颗粒的微观成型机理。在此基础上，综合分析草颗粒制粒过程的内外部条件，确立草颗粒的高效制粒机理。这在理论上丰富了两相流体动力学与粉体成型理论的研究内涵,在实践对提高草颗粒制粒质量与制粒效率，促进颗粒物料产业的发展具有重要的应用价值。

本项目针对目前我国草颗粒环模制粒机普遍存在的结构不合理，生产效率偏低、能耗偏高等缺陷，利用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法，深入开展草颗粒制粒成型过程的研究。首先，研究了草颗粒制粒过程流体动力学规律，建立了相应流场的数学模型，在此基础上，基于POLYFLOW软件，对环模制粒系统工作区流场进行了数值模拟，研究了喂料量、环模转速和物料含水量等因素对制粒机内部压力场、速度场、剪切速率和粘度场分布特性的影响规律。其次，通过两相流体动力学、传热传质学等理论分析，建立了苜蓿草颗粒制粒过程传热传质模型，并利用POLYFLOW软件对环模压辊系统的三维流场进行了热流固耦合模拟仿真。第三，从不同截面方向定性研究了挤出力、物料粒度、物料含水率和调制温度等因素对苜蓿草颗粒微观结构的影响，并分析了微观结构特征参数与不同成型条件的定量关系，在此基础上，揭示了苜蓿草颗粒的微观成型机理。第四，在自制的环模制粒模拟实验平台上进行苜蓿草粉的制粒成型试验，以草颗粒成型密度、粉化率和比能耗为试验指标，定量分析了不同成型条件对草颗粒成型品质的影响规律。第五，为实现草颗粒的高效制粒，从成型工艺优化、环模材料表面强化和结构改进等方面进行了探索。通过响应曲面法，建立了苜蓿草颗粒制粒密度、粉化率、比能耗与物料含水率、调制温度、草粉粒度和挤出力变化关系的数学模型。确定了最优成型工艺：物料含水率 17.8%、调制温度118.5℃、草粉粒度 6.2 mm、挤出力 5.6 kN，在此工艺条件下，各项指标均能满足实际生产要求。通过环模材料表面火焰喷涂工艺试验，确定了40Cr基Ni60A自熔性合金粉末涂层的最优喷涂工艺：重熔时间为10min、涂层厚度为0.25mm、填料含量为30%。本项目的研究在理论上丰富了两相流体动力学与粉体成型理论的研究内涵，在实践对提高草颗粒制粒质量与制粒效率，促进颗粒物料产业的发展具有重要的应用价值。