第32卷第6期太陽能學(xué)報Vol 32. No 6011l年6月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAJun . 2011文章編號:02540096(2011)06078205生物質(zhì)流化床熱風(fēng)干燥特性研究李斌,陳漢平,鞠付棟,楊海平,王賢華,張世紅(華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點實驗室,武漢430074)摘要:在一個自制的能實時檢測質(zhì)量的流化床干燥試驗裝置上對一種速生林木材的熱風(fēng)干燥特性進行了深入系統(tǒng)的研究,分析了熱風(fēng)溫度熱風(fēng)速度以及料層高度等對生物質(zhì)樣品干燥熱特性的影響。結(jié)果表明:干燥速率隨溫度和風(fēng)速的增加而增大;隨料層厚度的增加而下降;物料的含水率越高,干燥速率越快,隨含水率的變化各條件對干燥速率的影響程度發(fā)生改變。通過對干燥過程模擬分析發(fā)現(xiàn),干燥曲線以及脫水速率分別符合薄層Page模型和線性方程模型,且干燥方程中的參數(shù)k主要受風(fēng)溫和料層厚度影響,參數(shù)n則主要受風(fēng)速影響。關(guān)鍵詞:流化床熱風(fēng)干燥;含水率;干燥速率;模型中圖分類號:TK6文獻標識碼:A0引言制樣時為保證樣本的代表性,將樹木的各部分(樹干、樹根、枝條等)碾切后,按照相應(yīng)質(zhì)量比配比混合生物質(zhì)的初始含水率一般較高(達到30%以形成分析樣品。試樣的尺寸為20cm×1.0cmx上(),而高含水率對其后續(xù)轉(zhuǎn)化利用(如增加能0.5cm,初始含水量約為30%,實驗中所用的樣品的耗2)、影響設(shè)備運行穩(wěn)定性和產(chǎn)品品質(zhì)等)非尺寸與初始含水量均和實際工業(yè)裝置接近能有效常不利。傳統(tǒng)的自然晾曬干燥方式不僅耗時長,且保證所測數(shù)據(jù)的實際價值受天氣變化的影響較大,嚴重限制了生物質(zhì)的規(guī)模1.2試驗裝置與方法化利用;而流化床干燥技術(shù)以其傳熱傳質(zhì)強、處理強試驗所采用的流化床干燥試驗系統(tǒng)見圖1,主要度大等優(yōu)點而受到廣泛重視。目前有關(guān)干燥特性的由熱風(fēng)產(chǎn)生系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)和稱重系統(tǒng)3部分組成。研究報道主要集中在食品工業(yè)56和多孔材料類物干燥系統(tǒng)為方形流化床式干燥反應(yīng)器流化床截面尺質(zhì)3,對農(nóng)林廢棄物干燥特性的研究報道較寸為100mm×10m。臺架高約1m,為了便于放置少9.10,且目前相關(guān)研究中所采用的試驗裝置較小,樣品和實時稱重內(nèi)置一個100mm×1om×400mm試樣量和尺寸均非常小,與實際工業(yè)裝置差別較大。的金屬絲網(wǎng)吊籃,不影響其內(nèi)部布風(fēng)和空氣流動。鑒于此,本文采用自制的一個能實時檢測質(zhì)量的流空壓機輸出的冷空氣分為兩股其中一股經(jīng)加熱爐化床千燥試驗裝置,對較大質(zhì)量和較大尺寸的生物加熱到某溫度后與另一股混合,得到設(shè)定溫度和流質(zhì)原料的干燥特性進行了深入研究,系統(tǒng)考察了風(fēng)量的干燥用熱風(fēng),通過調(diào)節(jié)兩股空氣的流量和配比速、風(fēng)溫和料層厚度等對干燥特性的影響,并對干燥可調(diào)節(jié)試驗用的風(fēng)量和風(fēng)溫。熱風(fēng)從底部進入干燥過程模擬進行了深入探討。為工業(yè)化流化床干燥裝系統(tǒng),經(jīng)過一漸擴段后,開始與物料接觸并穿過物料置的研究設(shè)計和高效運行提供了一定依據(jù),具有積進行干燥,最后由出氣口排出。試驗時稱取一定質(zhì)極的參考價值。量的試樣裝入干燥系統(tǒng)的吊籃中,根據(jù)料層厚度的不同,試樣質(zhì)量為250~500g,吊籃通過質(zhì)量傳感器1實驗與稱重系統(tǒng)相連。熱風(fēng)進入干燥系統(tǒng)對試樣進行干1,1原料燥,通過稱重系統(tǒng)實時記錄試樣質(zhì)量隨時間變化的試驗采用的生物質(zhì)原料為一種速生林木材。在數(shù)據(jù),為避免熱重香締的影響干燥時提起吊中國煤化工收稿日期:200947-13CNMHG基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展(973)計劃(2007cB210202);國家自然科學(xué)基金(50806027;50721005)通訊作者:陳漢平(1962一),男,教授、博士生導(dǎo)師,主要從事煤與生物質(zhì)的清潔轉(zhuǎn)化利用方面研究。chen@163,c0m6期李斌等:生物質(zhì)流化床熱風(fēng)干燥特性研究783根據(jù)干燥實驗數(shù)據(jù),以ln為橫坐標、lnln為縱坐標作圖,采用最小二乘法求得擬合直線的斜率和截距,進而求得不同條件下的干燥常數(shù)k和n。④22結(jié)果與討論22.1溫度對干燥過程的影響不同溫度下,試樣的干基含水率隨時間的變化規(guī)律見圖2,干燥速率隨干基含水率的變化規(guī)律見圖3。根據(jù)流化風(fēng)速的要求試驗中風(fēng)速取為1.2m/s,料層厚度為300mm,熱風(fēng)溫度分別為50、70、85、100和1空壓機2流量計3加熱爐4K型熱電偶5出氣口6稱重天平7吊籃110℃,圖中點均為試驗測量值。V=1.2m/圖1流化床干燥試驗臺示意圖H=300mm70C85℃Fig 1 Schematic diagram of the huidized bed drying device籃并停止通風(fēng)。1.3含水率與干燥速率的計算擬合曲線試樣的初始含水率通過烘箱110℃恒溫干燥至恒重來計算。含水率采用干基含水率,計算公式如式(1):時間/minx100%(1)干式中,X——含水率;m—在110℃烘箱中干燥至圖2不同溫度下含水率隨時間變化曲線Fig 2 Change curves of moisture content with time under恒重的質(zhì)量;m—在實驗過程中的實時質(zhì)量。different temperature干燥速率用每分鐘的干基失水速率來表示,計V=1.2m/算公式如式(2):l00H=300mmX-;-X(2)50式中,"14:時刻的干燥速率,%水/mn;Xx-1.Q王求瓣擬合直線X1—在t1-t11時間間隔內(nèi)失水率的變化量。要041.4干燥過程模擬分析通常干燥過程可以用薄層Page模型山來進行0.011520模擬,其方程如式(3):含水率/%X。-X(3)圖3不同溫度下干燥速率隨含水率變化曲線式中,X—實時的干基含水率;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(通常可由圖2可知,風(fēng)溫越高,干燥曲線越陡,經(jīng)相同近似x=0);干燥時間,min;k、n由干燥條時間干燥,試樣的含水量越低(即樣品干燥越快)。件所決定的常數(shù)如經(jīng)40min中國煤化工C上升至110℃方程(3)經(jīng)過轉(zhuǎn)換可用下面的形式表達時,含水率電CNMHG這主要是由于InIn 0=Ink +nIntX(4)熱風(fēng)的溫度越高其相對濕度就越低,與試樣之間的784太陽能學(xué)報32卷濕度差就越大,使得傳熱推動力(溫度差)、傳質(zhì)推T=85℃動力(濕度差)越大,干燥速度也越大(見圖3),要達到一定含水量所需的時間就越短。隨著時間的4m/s擬合曲線延長,試樣含水率下降,且下降速度逐漸變慢,干燥曲線越來越平緩。從熱量消耗的角度考慮,干燥溫度一般不宜過高。由圖3可知,溫度越高,干燥速率越快,含水率越高,干燥速率越快,且當含水率越高時,溫度對含水率的影響越大,低含水率時,干燥速0102030405060率相對比較接近。因此,在干燥設(shè)備設(shè)計時,需根據(jù)時間/min物料不同階段含水率的高低,采用分階段供風(fēng),這樣圖4不同風(fēng)速下含水率隨時間變化曲線可有效節(jié)省能耗。Fig 4 Change curves of moisture content with time under不同風(fēng)溫下的干燥曲線與速率曲線結(jié)果見表1。由表1可知實驗用木塊樣的干燥過程符合薄層Page模型,而速率曲線則可近似用線性方程擬合。由速兼14msT=85℃H=300mm率方程可知,干燥速率隨含水率的降低近似線性下X 0.9m/s降,這表明實驗用木塊樣干燥過程基本處于降速階擬合直線段,并不存在明顯的預(yù)熱階段和恒速階段0,這可0能與試驗中所采用樣品的特性、含水率以及水分存在形式有關(guān)。表1不同溫度下干燥曲線與速率曲線的擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of drying and velocity curves under含水率/%different temperature干燥方程圖5不同風(fēng)速下干燥速率隨含水率變化曲線風(fēng)溫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率增加趨緩。因此,本試驗中生物質(zhì)樣品的干燥風(fēng)700.02340.9384-0.15220.02590.992速設(shè)為1.2m/s較為合適。干燥曲線與速率曲線的850.03180.92950.16310.03350.99擬合結(jié)果見表2,擬合相關(guān)系數(shù)較高(0.99),速率方1000.03880.9268-0.21080.04170.98程可很好反映樣品的失水速率,干燥速率隨風(fēng)速的1100.05030.9429-0.08390.04760.993增加其增加速率先增大后減小,與試驗結(jié)果一致圖5。根據(jù)前面的研究結(jié)果此試驗中的熱風(fēng)溫度風(fēng)速v、m出b2合緋2.2風(fēng)速對干燥過程的影響表2不同風(fēng)速下干燥曲線與速率曲線的擬不同風(fēng)速下,試樣的干基含水率隨時間的變化 Table2 Fitting results of drying and規(guī)律見圖4,干燥速率隨干基含水率的變化規(guī)律見設(shè)為85℃,料層厚度為300mm,風(fēng)速分別為09、1.2/m,g-1X/X、:(-k2)速率方程t=A+Bx和1.4m/s由圖4可知,風(fēng)量越大,經(jīng)相同時間干燥,試樣0.90.0920.8217-0.32370.03060.981的含水量越低,其原因是風(fēng)量越大,表面水分的攜帶1.20.03180.9295-0.16310.0350.99能力越強,水分被帶走的速率增加;同時邊界層減1.40.02651.04900.04040.02840.993薄傳熱系數(shù)增大,干燥速度也就越大。因此提2.3料層厚度中國煤化工高風(fēng)量對千燥過程有利,但風(fēng)量越大,能量損耗也越根據(jù)前面CNMH風(fēng)溫度設(shè)為大。由圖5可知,當風(fēng)速從0.9m/s上升至12m/s85℃風(fēng)速為1∠m,mT料層厚及分別為150時,干燥速率增加較大,風(fēng)速再繼續(xù)上升時,干燥速和300mm。不同料層厚度時試樣的干基含水率隨時6期斌等:生物質(zhì)流化床熱風(fēng)千燥特性研究785間的變化規(guī)律見圖6,干燥速率隨干基含水率的變化2.4干燥方程參數(shù)討論規(guī)律見圖7,干燥曲線與速率曲線的擬合結(jié)果見表3。生物質(zhì)熱風(fēng)干燥過程是一個復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過由圖6和圖7可知料層越薄,干燥曲線越陡,經(jīng)相程,干燥特性受包括生物質(zhì)種類、尺寸、初始含水率同時間干燥,試樣的含水率越低;隨著料層厚度增風(fēng)溫風(fēng)速和料層厚度等多種因素的影響。生物質(zhì)加試樣的干燥速率下降,且含水率越高時,這種影干燥主要包括生物質(zhì)內(nèi)部水分向表面的擴散和表面響越顯著。在干燥過程中確定試樣的料層厚度時,水分隨熱風(fēng)對流被攜帶兩個過程其中熱風(fēng)的顯熱應(yīng)根據(jù)試樣的含水率來予以綜合考慮。而干燥曲線(風(fēng)溫)向生物質(zhì)物料提供熱量,為其內(nèi)部水分擴散仍然分別符合薄層Page模型速率曲線符合線性方提供驅(qū)動力;而高風(fēng)速則強化表面水分攜帶能力,高程模型。的料層厚度則會增加水分傳遞的阻力。本文中,在生物質(zhì)種類和尺寸一定的情況下,穩(wěn)T=85℃x 300mm定初始含水率,主要考察風(fēng)溫、風(fēng)速和料層厚度對干V=l 2m/so 150mm擬合曲線燥特性的影響。由干燥曲線擬合結(jié)果(表1~表3)可知,在溫度不低于70℃時,溫度和料層厚度對干燥方程參數(shù)k的影響非常顯著,而對參數(shù)n的影響不明顯;風(fēng)速則對參數(shù)n的影響比較顯著,而對參數(shù)12k的影響不太顯著。結(jié)合前面對干燥過程特征的分析可得,參數(shù)k主要受擴散影響,而參數(shù)n則主要受0102030405060對流影響。在試驗溫度較低(50℃)時,干燥過程可能同時受擴散和對流控制的影響,表現(xiàn)為參數(shù)k和n圖6不同料層厚度下含水率隨時間變化曲線與其他結(jié)果規(guī)律不一致。Fig 6 Change curves of moisture content with time underdifferent material thickness3結(jié)論x 300mmT=85℃本文在一個自制的流化床干燥試驗裝置上對o 150mmV=1.2m/s種速生林木材的干燥特性進行了深入詳細的研究,擬合直線主要結(jié)論如下:081)溫度越高,干燥速率越大,然而隨著干燥時間的延長,試樣失水速率逐漸變小;隨著熱風(fēng)速度的增加(<1.2m/s),干燥速率快速增大,然而隨其進一步提高,干燥速率的增速有所降低,風(fēng)速為1.2m/6比較0.0合適;而隨著料層厚度增加,干燥速率下降;含水率/%2)物料的含水率越高,干燥速率越大,隨著含水率的變化,各條件對干燥速率的影響程度發(fā)生改圖7不同料層厚度下干燥速率隨含水率變化曲線變。根據(jù)這種特性,在物料干燥過程中采取分階段Fig7 Change curves of drying velocity with moisture content供風(fēng),可有效節(jié)省干燥過程能耗;而在所研究的條件under different material thicknes下熱風(fēng)溫度為85℃速度為12m/s為最佳工況,而表3不同料層高度下干燥曲線與速率曲線的擬合結(jié)果料層厚度的選取應(yīng)考慮物料的初始含水率;Table 3 Fitting results of drying and velocity curves under3)試驗用木塊樣在各不同條件下的于燥曲線different material thickness和速率曲線分別符合薄層Page模型和線性方程模料層干燥方程型,且干燥方程中的參數(shù)k主要受風(fēng)溫和料層厚度厚度X/X=exp(-k速率方程U=A+BX影響,參數(shù)中國煤化工H/mkBR1500.04470.9243-0.23380.04710.998THCNMHG3000.03180.92950.16310.03350.[1]雷廷宙,沈勝強,李在峰,等.生物質(zhì)干燥機的設(shè)計7886太陽能學(xué)報32卷及試驗研究[冂].可再生能源,2006,(3):29-32[7 Hashemi G, Mowla D, Kazemeini M. Moisture diffusivity[2] Yuntenwi E A T, Mac Carty N, Still D, et al. Laboratoryand shrinkage of broad beans during bulk drying in anstudy of the effects of moisture content on heat transfer andert medium fluidized bed dryer assisted by dielectricheating[ J]. Journal of Food Engineering, 2009, 92(3):Energy for Sustainable Development, 2008, 12(2): 6331-338.[8] Rayhani M H T, Yanful E K, Fakher A. Physical model[3] Yang Y B, Sharifi V N, Swithenbank J. Effect of air flowing of desiccation cracking in plastic soils[J]. Engineer-rate and fuel moisture on the burning behaviours ofing Geology,2008,97(12):25-31massmunicipal solid wastes in pac[9]雷廷宙,沈勝強,吳創(chuàng)之,等,玉米秸稈干燥特性的[刀].Fuel,2004,83(11-12):1553-1562試驗研究[J].太陽能學(xué)報,2005,26(2):224-227[4] Demirbas A. Effect of initial moisture content on the[10]胡建軍,沈勝強,師新廣,等.棉花秸稈等溫干燥特yields of oily products from pyrolysis of biomass[ J].Jour-性試驗研究及回歸分析[].太陽能學(xué)報,2008,29nal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2004, 71(2)(1):100-104803-815.[11] Wang Z F, Sun J H, Chen F, et al. Mathematical model-[5]劉正懷,王俊,馬廣,質(zhì)熱平衡原理預(yù)測蘿卜絲ling on thin layer microwave drying of apple pomace with薄層干燥與試驗研究[J].中國農(nóng)機化,2006,(5):and without hot air pre-drying[ J]. Joumal of Food Engi-seeing,2007,80(2):536-544.[6]曾令彬,趙思明,熊善柏,等,風(fēng)干白鰱的熱風(fēng)干燥[12]諸愛土,成忠.西芹熱風(fēng)干燥動力學(xué)研究[門].農(nóng)機模型及內(nèi)部水分擴散特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008化研究,2007,(3):139-14224(7):280-283STUDY ON HOT-AIR CHARACTERISTICS OFBIOMASS IN FLUIDIZED BEDLi Bin, Chen Hanping, Ju Fudong, Yang Haiping, Wang Xianhua, Zhang ShihongState Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science& Technology, Wuhan 430074, China)Abstract: The hot-air drying characteristics of a fast-growing timber were studied in-depth in a self -made fluidizedbed drying device with real-time detection of quality, and the effect of hot-air temperature, velocity and materialthickness on the drying characteristics was analyzed. The results showed that the drying velocity increased as hot-airtemperature and velocity increased. As material thickness increasing, the drying velocity decreased. 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中國煤化工CNMHG