呂薇 1, 李彥棟 1, 李瑞揚 2, 柳建華 3, 邵海江3
(1.哈爾濱理工大學機械動力工程學院, 黑龍江哈爾濱150080; 2.哈爾濱工業大學能源科學與工程學院, 黑龍江哈爾濱150001; 3.蘭溪市熱電有限公司, 浙江蘭溪321100)
摘要: 根據氣固兩相流理論, 通過分析生物質燃料顆粒乾燥過程的特點, 建立了其在水平直管內氣流乾燥過程中傳熱傳質數學模型, 採用數值方法對模型進行了求解, 並通過試驗進行驗證. 分別針對物料初始含水量, 入口空氣溫度和進料量對生物質乾燥的影響進行了試驗和分析.
0引言
生物質能是僅次於煤炭, 石油, 天然氣的第四大能源, 約佔全球總能源消耗的14%[1]. 在我國生物質能佔一次能源的33%左右, 是僅次於煤的第二大能源[2].
生物質農作物秸稈開發利用是可再生能源利用的一條重要途徑. 但剛收穫的生物質秸稈燃料水分較大, 易引起其儲存變質, 並且在層燃鍋爐直接燃燒時難於著火和穩燃. 而採用爐排上部噴入一定比例已磨碎的較乾燥的生物質燃料, 可有效解決這些問題. 生物質乾燥問題在其大規模利用中逐漸暴露出來, 並已經開始成為影響農作物秸稈規模化燃燒利用的一個嚴重問題. 要實現水分較高生物質秸稈大規模的層狀燃燒利用, 對部分已粉碎的生物質秸稈顆粒(粉碎後多呈顆粒狀)進行有效的乾燥研究具有現實意義.
氣流乾燥是一種高效, 連續性流態化的乾燥方法, 其特點為: ①乾燥時間短; ②氣固兩相能接觸充分, 有利於傳熱傳質的進行; ③設備簡單, 適應性廣 [3- 5]. 本文運用根據氣固兩相流理論建立的生物質燃料乾燥過程的數學模型, 對含濕的生物質燃料的氣流乾燥過程進行數值類比, 並通過試驗驗證和比較得出結論, 其研究結果可為氣流乾燥器的設計及性能分析提供參考, 為國家所鼓勵的生物質發電的實際乾燥過程提供有價值的指導依據.
1模型的假設
基於氣流乾燥的特點, 為了便於數學計算, 對氣流乾燥做一些合理的假定[6- 8]:
1)物料為各向同性的均勻球形物;
2)物料的初始溫度及含濕量分布均勻;
3)乾燥過程中物料的體積收縮可忽略不計;
4)水分由物料內部擴散至表面, 蒸發僅在表面進行;
5)熱空氣與物料表面間進行對流換熱, 再以導熱的方式傳向物料內部;
6)乾燥管絕熱.
2數學模型[9- 10]
3模型求解和試驗驗證
通過計算機編程, 結合物料物性參數, 空氣和水蒸氣特性參數, 在給定初始參數條件下, 採用主程序調用子函數(採用ode45函數 [11])來求解方程組, 得到生物質燃料含水率, 空氣含水量等參數隨管長的變化數值解, 並繪製相關曲線.
由圖2可以看出, 試驗值與計算值存在一定的偏差但是基本吻合, 出現偏差的原因有: ①模型是基於前述假設建立的; ②生物質燃料含水量的測定結果受取料, 測定方法等多方面影響, 所以數值上會出現一定的差異. 所以乾燥類比能夠反映了氣流乾燥過程的發展趨勢以及顆粒濕度在乾燥管內變化的真實情況.
4結果分析
圖3可以看出, 氣流乾燥過程大致可分為兩段. 在乾燥過程的起始階段, 物料與空氣的濕度變化較大, 這是由於固體顆粒與氣體流速之間的相對速度和溫度差較大, 碎物料能夠在氣流中較好的分散, 物料的全部表面積都可作為乾燥的有效面積. 同時由於氣流對物料的分散和攪拌作用, 使蒸發表面不斷更新. 因此, 固體顆粒與熱空氣之間傳熱傳質驅動力很大, 傳熱傳質強度大, 較劇烈. 在這個階段, 乾燥過程已經進行得相當充分, 所以此階段固體顆粒濕度和熱空氣溫度隨乾燥管長度增加其值降低幅度較大; 隨後乾燥過程進入緩和期, 隨著固體顆粒速度及溫度的提高和熱空氣溫度, 速度的降低, 熱空氣與固體顆粒間傳熱傳質驅動力減小, 各項參數數值變化趨於緩和.
5乾燥的影響因素分析
5.1初始含水量對乾燥的影響
在空氣溫度140℃, 進料量1.5kg/min條件下, 按不同初始含水量56%~ 43%進行氣流乾燥試驗, 試驗結果如圖4. 可以看出乾燥主要集中在乾燥管的前段, 1~ 2m階段乾燥較快, 之後乾燥較緩慢. 在乾燥管長度相同的情況下, 通過對比可以看出, 初始含水量越高達到乾燥要求越困難. 實際乾燥操作時, 可以預先對所要乾燥物料在不影響使用的情況下進行必要的晾曬, 以求較快達到所需的乾燥效果.
5.2空氣溫度對乾燥的影響
在試驗台進料量為1.5kg/min, 物料初始含水量50%條件下, 按空氣不同進口溫度(100~ 150℃)進行生物質秸稈燃料氣流乾燥試驗, 試驗結果如圖5. 由曲線可以看出, 隨著氣流溫度的升高, 乾燥速率也隨之增大, 乾燥效果越好. 這是因為空氣溫度的提高, 使氣固兩相溫差增大, 二者之間的傳熱傳質加劇[12]. 隨著空氣溫度的提高, 生物質秸稈顆粒表面水分蒸發速度加快, 內部水分擴散速度也加快, 最終結果就是乾燥速率提高. 這說明提高空氣入口溫度有利於乾燥的進行.
5.3濕物料質量流量對乾燥的影響
乾燥氣流溫度為140℃, 物料初始含水量為50%, 在僅改變物料質量流量的條件下進行試驗. 試驗結果如圖6所示. 濕物料質量流量的變化即是乾燥過程中氣固兩相質量比的變化. 從圖中可以看出, 隨著物料流量的減小, 即氣固比的增大, 顆粒沿乾燥管長度乾燥速率增大, 顆粒通過乾燥器出口時的濕度顯著減少. 物料流量減小, 意味著更多的熱空氣作為介質來移除物料中水分, 空氣中可以容納的水蒸氣量也相應的增加. 但是氣固比過高, 會導致排氣溫度過高, 使得熱空氣的熱能不能有效地利用, 造成能源浪費. 而且, 較高的氣固比, 也會導致氣流和被乾燥顆粒速度過快, 使得顆粒在乾燥管內滯留時間變短, 也會造成熱量不能夠充分被利用; 所以適當的氣固比, 有利於提高乾燥效果.
6結語
通過乾燥試驗驗證, 類比結果與試驗結果吻合, 乾燥數學模型正確, 此模型能夠較好地類比及預測整個乾燥過程傳熱傳質狀況. 對影響乾燥的因素進行試驗研究和分析. 能夠為生物質發電中的實際乾燥問題提供有價值的參考依據.
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