生物质流化床热风干燥特性研究

第32卷第6期太阳能学报Vol 32. No 6011l年6月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAJun . 2011文章编号:02540096(2011)06078205生物质流化床热风干燥特性研究李斌,陈汉平,鞠付栋,杨海平,王贤华,张世红(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉430074)摘要:在一个自制的能实时检测质量的流化床干燥试验装置上对一种速生林木材的热风干燥特性进行了深入系统的研究,分析了热风温度热风速度以及料层高度等对生物质样品干燥热特性的影响。结果表明:干燥速率随温度和风速的增加而增大;随料层厚度的增加而下降;物料的含水率越高,干燥速率越快,随含水率的变化各条件对干燥速率的影响程度发生改变。通过对干燥过程模拟分析发现,干燥曲线以及脱水速率分别符合薄层Page模型和线性方程模型,且干燥方程中的参数k主要受风温和料层厚度影响,参数n则主要受风速影响。关键词:流化床热风干燥;含水率;干燥速率;模型中图分类号:TK6文献标识码:A0引言制样时为保证样本的代表性,将树木的各部分(树干、树根、枝条等)碾切后,按照相应质量比配比混合生物质的初始含水率一般较高(达到30%以形成分析样品。试样的尺寸为20cm×1.0cmx上(),而高含水率对其后续转化利用(如增加能0.5cm,初始含水量约为30%,实验中所用的样品的耗2)、影响设备运行稳定性和产品品质等)非尺寸与初始含水量均和实际工业装置接近能有效常不利。传统的自然晾晒干燥方式不仅耗时长,且保证所测数据的实际价值受天气变化的影响较大,严重限制了生物质的规模1.2试验装置与方法化利用;而流化床干燥技术以其传热传质强、处理强试验所采用的流化床干燥试验系统见图1,主要度大等优点而受到广泛重视。目前有关干燥特性的由热风产生系统、干燥系统和称重系统3部分组成。研究报道主要集中在食品工业56和多孔材料类物干燥系统为方形流化床式干燥反应器流化床截面尺质3,对农林废弃物干燥特性的研究报道较寸为100mm×10m。台架高约1m,为了便于放置少9.10,且目前相关研究中所采用的试验装置较小,样品和实时称重内置一个100mm×1om×400mm试样量和尺寸均非常小,与实际工业装置差别较大。的金属丝网吊篮,不影响其内部布风和空气流动。鉴于此,本文采用自制的一个能实时检测质量的流空压机输出的冷空气分为两股其中一股经加热炉化床千燥试验装置,对较大质量和较大尺寸的生物加热到某温度后与另一股混合,得到设定温度和流质原料的干燥特性进行了深入研究,系统考察了风量的干燥用热风,通过调节两股空气的流量和配比速、风温和料层厚度等对干燥特性的影响,并对干燥可调节试验用的风量和风温。热风从底部进入干燥过程模拟进行了深入探讨。为工业化流化床干燥装系统,经过一渐扩段后,开始与物料接触并穿过物料置的研究设计和高效运行提供了一定依据,具有积进行干燥,最后由出气口排出。试验时称取一定质极的参考价值。量的试样装入干燥系统的吊篮中,根据料层厚度的不同,试样质量为250~500g,吊篮通过质量传感器1实验与称重系统相连。热风进入干燥系统对试样进行干1,1原料燥,通过称重系统实时记录试样质量随时间变化的试验采用的生物质原料为一种速生林木材。在数据,为避免热重香缔的影响干燥时提起吊中国煤化工收稿日期:200947-13CNMHG基金项目:国家重点基础研究发展(973)计划(2007cB210202);国家自然科学基金(50806027;50721005)通讯作者:陈汉平(1962一),男,教授、博士生导师,主要从事煤与生物质的清洁转化利用方面研究。chen@163,c0m6期李斌等:生物质流化床热风干燥特性研究783根据干燥实验数据,以ln为横坐标、lnln为纵坐标作图,采用最小二乘法求得拟合直线的斜率和截距,进而求得不同条件下的干燥常数k和n。④22结果与讨论22.1温度对干燥过程的影响不同温度下,试样的干基含水率随时间的变化规律见图2,干燥速率随干基含水率的变化规律见图3。根据流化风速的要求试验中风速取为1.2m/s,料层厚度为300mm,热风温度分别为50、70、85、100和1空压机2流量计3加热炉4K型热电偶5出气口6称重天平7吊篮110℃,图中点均为试验测量值。V=1.2m/图1流化床干燥试验台示意图H=300mm70C85℃Fig 1 Schematic diagram of the huidized bed drying device篮并停止通风。1.3含水率与干燥速率的计算拟合曲线试样的初始含水率通过烘箱110℃恒温干燥至恒重来计算。含水率采用干基含水率,计算公式如式(1):时间/minx100%(1)干式中,X——含水率;m—在110℃烘箱中干燥至图2不同温度下含水率随时间变化曲线Fig 2 Change curves of moisture content with time under恒重的质量;m—在实验过程中的实时质量。different temperature干燥速率用每分钟的干基失水速率来表示,计V=1.2m/算公式如式(2):l00H=300mmX-;-X(2)50式中,"14:时刻的干燥速率,%水/mn;Xx-1.Q王求瓣拟合直线X1—在t1-t11时间间隔内失水率的变化量。要041.4干燥过程模拟分析通常干燥过程可以用薄层Page模型山来进行0.011520模拟,其方程如式(3):含水率/%X。-X(3)图3不同温度下干燥速率随含水率变化曲线式中,X—实时的干基含水率;X0—千燥前的干Fig 3 Change curves of drying velocity with moisture contentnder diferent temperature基含水率;X。干燥平衡后的干基含水率(通常可由图2可知,风温越高,干燥曲线越陡,经相同近似x=0);干燥时间,min;k、n由干燥条时间干燥,试样的含水量越低(即样品干燥越快)。件所决定的常数如经40min中国煤化工C上升至110℃方程(3)经过转换可用下面的形式表达时,含水率电CNMHG这主要是由于InIn 0=Ink +nIntX(4)热风的温度越高其相对湿度就越低,与试样之间的784太阳能学报32卷湿度差就越大,使得传热推动力(温度差)、传质推T=85℃动力(湿度差)越大,干燥速度也越大(见图3),要达到一定含水量所需的时间就越短。随着时间的4m/s拟合曲线延长,试样含水率下降,且下降速度逐渐变慢,干燥曲线越来越平缓。从热量消耗的角度考虑,干燥温度一般不宜过高。由图3可知,温度越高,干燥速率越快,含水率越高,干燥速率越快,且当含水率越高时,温度对含水率的影响越大,低含水率时,干燥速0102030405060率相对比较接近。因此,在干燥设备设计时,需根据时间/min物料不同阶段含水率的高低,采用分阶段供风,这样图4不同风速下含水率随时间变化曲线可有效节省能耗。Fig 4 Change curves of moisture content with time under不同风温下的干燥曲线与速率曲线结果见表1。由表1可知实验用木块样的干燥过程符合薄层Page模型,而速率曲线则可近似用线性方程拟合。由速兼14msT=85℃H=300mm率方程可知,干燥速率随含水率的降低近似线性下X 0.9m/s降,这表明实验用木块样干燥过程基本处于降速阶拟合直线段,并不存在明显的预热阶段和恒速阶段0,这可0能与试验中所采用样品的特性、含水率以及水分存在形式有关。表1不同温度下干燥曲线与速率曲线的拟合结果Table 1 Fitting results of drying and velocity curves under含水率/%different temperature干燥方程图5不同风速下干燥速率随含水率变化曲线风温T速率方程v=A+BXFig 5 Change curves of drying velocity with moisture contentX/r. =exp(-kt")under different air velocitykB500.03360.7877-0.24960.02790.99率增加趋缓。因此,本试验中生物质样品的干燥风700.02340.9384-0.15220.02590.992速设为1.2m/s较为合适。干燥曲线与速率曲线的850.03180.92950.16310.03350.99拟合结果见表2,拟合相关系数较高(0.99),速率方1000.03880.9268-0.21080.04170.98程可很好反映样品的失水速率,干燥速率随风速的1100.05030.9429-0.08390.04760.993增加其增加速率先增大后减小,与试验结果一致图5。根据前面的研究结果此试验中的热风温度风速v、m出b2合绯2.2风速对干燥过程的影响表2不同风速下干燥曲线与速率曲线的拟不同风速下,试样的干基含水率随时间的变化 Table2 Fitting results of drying and规律见图4,干燥速率随干基含水率的变化规律见设为85℃,料层厚度为300mm,风速分别为09、1.2/m,g-1X/X、:(-k2)速率方程t=A+Bx和1.4m/s由图4可知,风量越大,经相同时间干燥,试样0.90.0920.8217-0.32370.03060.981的含水量越低,其原因是风量越大,表面水分的携带1.20.03180.9295-0.16310.0350.99能力越强,水分被带走的速率增加;同时边界层减1.40.02651.04900.04040.02840.993薄传热系数增大,干燥速度也就越大。因此提2.3料层厚度中国煤化工高风量对千燥过程有利,但风量越大,能量损耗也越根据前面CNMH风温度设为大。由图5可知,当风速从0.9m/s上升至12m/s85℃风速为1∠m,mT料层厚及分别为150时,干燥速率增加较大,风速再继续上升时,干燥速和300mm。不同料层厚度时试样的干基含水率随时6期斌等:生物质流化床热风千燥特性研究785间的变化规律见图6,干燥速率随干基含水率的变化2.4干燥方程参数讨论规律见图7,干燥曲线与速率曲线的拟合结果见表3。生物质热风干燥过程是一个复杂的传热传质过由图6和图7可知料层越薄,干燥曲线越陡,经相程,干燥特性受包括生物质种类、尺寸、初始含水率同时间干燥,试样的含水率越低;随着料层厚度增风温风速和料层厚度等多种因素的影响。生物质加试样的干燥速率下降,且含水率越高时,这种影干燥主要包括生物质内部水分向表面的扩散和表面响越显著。在干燥过程中确定试样的料层厚度时,水分随热风对流被携带两个过程其中热风的显热应根据试样的含水率来予以综合考虑。而干燥曲线(风温)向生物质物料提供热量,为其内部水分扩散仍然分别符合薄层Page模型速率曲线符合线性方提供驱动力;而高风速则强化表面水分携带能力,高程模型。的料层厚度则会增加水分传递的阻力。本文中,在生物质种类和尺寸一定的情况下,稳T=85℃x 300mm定初始含水率,主要考察风温、风速和料层厚度对干V=l 2m/so 150mm拟合曲线燥特性的影响。由干燥曲线拟合结果(表1~表3)可知,在温度不低于70℃时,温度和料层厚度对干燥方程参数k的影响非常显著,而对参数n的影响不明显;风速则对参数n的影响比较显著,而对参数12k的影响不太显著。结合前面对干燥过程特征的分析可得,参数k主要受扩散影响,而参数n则主要受0102030405060对流影响。在试验温度较低(50℃)时,干燥过程可能同时受扩散和对流控制的影响,表现为参数k和n图6不同料层厚度下含水率随时间变化曲线与其他结果规律不一致。Fig 6 Change curves of moisture content with time underdifferent material thickness3结论x 300mmT=85℃本文在一个自制的流化床干燥试验装置上对o 150mmV=1.2m/s种速生林木材的干燥特性进行了深入详细的研究,拟合直线主要结论如下:081)温度越高,干燥速率越大,然而随着干燥时间的延长,试样失水速率逐渐变小;随着热风速度的增加(<1.2m/s),干燥速率快速增大,然而随其进一步提高,干燥速率的增速有所降低,风速为1.2m/6比较0.0合适;而随着料层厚度增加,干燥速率下降;含水率/%2)物料的含水率越高,干燥速率越大,随着含水率的变化,各条件对干燥速率的影响程度发生改图7不同料层厚度下干燥速率随含水率变化曲线变。根据这种特性,在物料干燥过程中采取分阶段Fig7 Change curves of drying velocity with moisture content供风,可有效节省干燥过程能耗;而在所研究的条件under different material thicknes下热风温度为85℃速度为12m/s为最佳工况,而表3不同料层高度下干燥曲线与速率曲线的拟合结果料层厚度的选取应考虑物料的初始含水率;Table 3 Fitting results of drying and velocity curves under3)试验用木块样在各不同条件下的于燥曲线different material thickness和速率曲线分别符合薄层Page模型和线性方程模料层干燥方程型,且干燥方程中的参数k主要受风温和料层厚度厚度X/X=exp(-k速率方程U=A+BX影响,参数中国煤化工H/mkBR1500.04470.9243-0.23380.04710.998THCNMHG3000.03180.92950.16310.03350.[1]雷廷宙,沈胜强,李在峰,等.生物质干燥机的设计7886太阳能学报32卷及试验研究[冂].可再生能源,2006,(3):29-32[7 Hashemi G, Mowla D, Kazemeini M. 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And the mois-ture content of the materials was the higher, the drying velocity was the faster, the influence degree of various conditions on the drying velocity changed with the moisture content. Meanwhile, the drying process was simulated fur-ther. It was found that the drying and velocity curves under different conditions all accorded with the thin layer Pagemodel and linear equation model, respectively, and the parameter k was mainly affected by air temperature and ma-terial thickness, while the parameter n was mainly affected by air velocityKeywords: fluidized bed hot-air drying; moisture content; drying velocity; model中国煤化工CNMHG