《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Process intensification of granular heat transfer in a spiral rotary kiln using polydisperse heat-carrier media: thermal DEM and validation in waste-tire pyrolysis
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轮胎热解过程中传热受限和粘性颗粒行为导致温度不均及结焦问题。本研究提出螺旋结构回转窑与异质颗粒热载体结合的强化传热策略，通过DEM模拟揭示螺旋节距（500/1000/1500mm）改变颗粒运动模式（分层滑动→滚动），增强颗粒间热交换，降低近壁滞留；引入多分散热载体进一步优化碰撞和运动波动，实验验证使轻质组分（23.0%→27.0%）提升，BTEX（12.15%→15.85%）含量增加，芳香烃比例下降（70.1%→62.6%）。
Kongshuo Wang|Haojun Zang|Haoyu Wang|Xiaokang Liu|Xiaolong Tian|Wenwen Han|Yiren Pan|Chuansheng Wang
中国山东省青岛市青岛科技大学先进轮胎装备与关键材料国家工程技术研究中心，邮编266061
摘要
在旋转窑废轮胎热解过程中，热传递限制和颗粒间的黏附行为常常导致温度不均匀和壁面结焦，从而制约了过程的稳定运行和产品质量。本文提出了一种过程强化策略，该策略结合了结构化的螺旋飞行（螺旋旋转窑）和异质颗粒热载体介质，以增强颗粒混合和颗粒间的热交换。采用离散元方法（DEM）来模拟非黏附性和黏附性（粘性）条件下的轮胎颗粒的动力学、接触网络和瞬态温度场。实验表明，螺旋间距（500、1000和1500毫米）能够使颗粒的运动模式从层状滑动转变为滚动，从而增加颗粒间的热交换并减少近壁区域的停滞。引入多分散的热载体介质进一步增强了颗粒碰撞和运动波动，使得加热更快，温度分布更加均匀。台架规模的热解实验验证了这种强化传输的效果：添加介质后，轻质组分的含量增加（从23.0%增加到27.0%，中等组分从64.5%增加到70.0%，重质组分从12.5%减少到3.0%），同时BTEX含量从12.15%增加到15.85%（质量百分比），而整体芳香烃的比例则从70.1%降低到62.6%）。这项研究为如何结合结构化内部构件和颗粒介质来强化热传递并稳定低导热性、黏性原料的旋转窑处理过程提供了可借鉴的设计指导。
引言
废轮胎的热解已被广泛认为是资源回收的有效途径，可以将废轮胎转化为热解油、气体和固体碳质残渣[1,2]。尽管有大量的实验研究，但大规模和连续化的废轮胎热解仍面临热传递效率低、温度分布不均匀以及高温下材料严重黏附等关键挑战[[3], [4], [5]]。这些问题常常导致裂解不完全、重质组分过度生成以及旋转窑反应器内的壁面结焦，从而显著限制了工艺效率和运行稳定性。
从工艺角度来看，这些挑战与废轮胎热解过程中颗粒运动和热传递的耦合行为密切相关。废轮胎颗粒具有较低的热导率，且随着温度的升高会发生软化与团聚，导致复杂的流动行为和有效热交换面积减小[[6], [7], [8]]。在旋转窑中，颗粒的滚动、滑动和停留时间受到反应器结构参数（如螺旋间距）的强烈影响，而这些参数又决定了颗粒间和颗粒与壁面的接触频率[9,10]。因此，理解颗粒动力学与热传递之间的相互作用对于提高废轮胎热解反应器的整体性能至关重要。
由于高温旋转窑内部环境不透明且操作条件恶劣，直接观察颗粒尺度上的运动和热传递仍然具有挑战性[11]。因此，数值方法已成为研究热处理过程中颗粒系统内部行为的有效工具[12,13]。其中，离散元方法（DEM）能够明确追踪单个颗粒及其相互作用，提供关于颗粒运动模式、接触行为和导热热传递的详细信息[14]。结合针对性实验，DEM可以支持废轮胎热解过程中热传递增强机制的工艺级分析，并辅助反应器设计与优化[15]。
基于这些挑战，已有大量研究探讨了废轮胎热解及相关热处理系统中的颗粒运动、热传递和反应器行为。Fu等人[16]利用离散元模拟分析了旋转窑中轮胎颗粒的运动和热传递特性，强调了反应器转速和内部结构对颗粒加热行为的影响。Hou等人[17]通过数值模拟研究了机械搅拌热解反应器中的颗粒动力学，发现增强的颗粒-壁面相互作用可以提高热传递效率。Ou等人[18]开发了新型的螺杆或螺旋结构反应器，并指出改进的材料循环可以显著加速生物质或固体燃料的热解过程。尽管这些研究为颗粒运动与热传递之间的关系提供了宝贵的见解，但大多数现有工作仅关注均匀颗粒系统或单一结构参数，而反应器螺旋几何形状与异质介质（具有非均匀颗粒尺寸分布）的联合效应尚未得到充分关注[[19], [20], [21]]。此外，旋转窑中颗粒动力学、热传递增强与实际热解性能之间的工艺级耦合关系在涉及高温粘性颗粒的情况下仍不够明确。
对于螺旋旋转窑热解反应器而言，螺旋尺寸和间距等几何参数在决定物料传输行为和热传递性能方面起着关键作用[[22], [23], [24], [25]]。较大的间距通常能加速轴向物料传输，而较小的间距则通过增加接触频率和有效加热面积来增强颗粒停留时间和热交换。因此，合理设计螺旋几何形状对于提高废轮胎热解过程中的热传递效率和运行性能至关重要。
在本研究中，利用DEM模拟系统地研究了螺旋旋转窑中废轮胎热解过程中的颗粒运动和热传递行为，特别关注了螺旋间距的影响以及引入不同颗粒尺寸分布的异质介质的效果。进一步进行了实验室规模的热解实验，以定性验证模拟预测的热传递增强趋势，并证明其在实际废轮胎热解中的相关性。
部分内容摘录
物理模型
该模拟分为两部分。第一部分研究了反应器结构（间距）对废轮胎颗粒运动和热传递的影响；第二部分研究了添加异质介质及其尺寸分布对废轮胎热传递的影响。
废轮胎热解实验
为了研究循环介质对废轮胎热解过程和产物的影响，进行了相关的实验研究。实验使用的设备是一种自行开发的旋转窑热解装置，主要由热解反应器、冷凝器、热解油收集器和尾气处理单元组成。设备的照片和示意图如图5所示。
在实验中，设备的
物料运动分析
(1) 非黏性废轮胎颗粒的运动分析
在此阶段，废轮胎颗粒之间几乎没有黏附现象。颗粒的运动可以视为每个离散元素的独立运动。图6展示了在转速为1转/分钟的情况下，不同间距反应器中废轮胎颗粒的运动情况。横截面位于反应器的右端面，从颗粒生成侧向推出方向观察
结论
本研究利用DEM模拟研究了螺旋旋转窑中废轮胎热解过程中的颗粒运动和热传递行为，特别关注了螺旋间距的影响以及引入不同颗粒尺寸分布的异质介质的效果。进一步进行了实验室规模的热解实验，以定性验证DEM模拟预测的热传递增强趋势。
结果表明，螺旋
作者贡献声明
Kongshuo Wang：撰写——初稿撰写、研究、概念构思。Haojun Zang：可视化处理、研究。Haoyu Wang：软件开发、研究。Xiaokang Liu：研究、形式分析。Xiaolong Tian：撰写——审稿与编辑、资源协调。Wenwen Han：资金筹集。Yiren Pan：方法论设计、研究。Chuansheng Wang：项目管理、资金筹集。
