高自成, 李際平, 嚴永林, 陳喜龍, 譚耀輝
摘要: 生物質成型以後作為燃料, 是可再生能源的發展方向之一. 生物質原料在製成顆粒之前含水率高, 需要對第一次粉碎以後的顆粒進行乾燥, 使含水率達到制粒要求, 便於在進行第二次粉碎以後進入制粒工序. 文丘裡乾燥器是一種新型的乾燥器, 具有體積小, 氣流阻力小, 乾燥效率高的優點, 適用於物料粒徑大且粒度分布廣的顆粒乾燥. 以乾燥能力為500kg/ h的文丘裡生物質顆粒乾燥器為例, 論述了文丘裡生物質乾燥設計的原理與方法.
生物質顆粒成型後作燃料, 是可再生能源的發展方向之一. 中國已制定了生物質能源中長期發展目標, 生物質能源在最近幾年有了迅速的發展. 然而生物質顆粒乾燥前的含水率一般較高, 而高含水率對其後續轉化利用(制粒, 壓塊等非常不利. 目前的乾燥方式主要採用氣流式乾燥, 設備主要有滾筒式乾燥機, 設備佔地面積大, 乾燥時間較長, 其他的乾燥方式主要有自然晾曬, 這種乾燥方式不僅耗時很長, 且受天氣變化的影響較大, 嚴重限制了生物質的規模化利用.
文丘裡乾燥機是一種新型乾燥設備, 它具有體積小, 氣流阻力小, 適用乾燥物料粒徑大且粒度分布廣的特點, 作為生物質能源的顆粒, 也同樣可以採用文丘裡乾燥機進行乾燥. 筆者根據生物質顆粒的乾燥需求, 結合文丘裡乾燥器的原理, 論述了乾燥能力為500kg/ h的文丘裡顆粒乾燥機的設計.
1文丘裡顆粒乾燥機的結構和原理
針對文丘裡乾燥機用來乾燥顆粒的需求, 文丘裡顆粒乾燥機的基本結構如圖1所示, 主要結構包括一級進料螺旋2, 進料關風機3, 二級進料螺旋4, 一次風進風管5, 熱風分配器7, 二次風進風管8, 文丘裡管9, 乾燥器筒體12等. 文丘裡顆粒乾燥機的工作原理是, 待乾燥的顆粒由料鬥進入一級螺旋輸送機2送入關風機的上部入口, 在關風機的作用下, 將顆粒送入二級螺旋輸送機的入口, 然後在二級螺旋輸送機的作用下, 顆粒輸送至乾燥器筒體下方, 文丘裡管漸縮管和噴口的外側, 從高壓離心風機出來的空氣經過熱風爐加熱後, 送到熱風分配器7入口, 熱風分配器把熱風按一定比例分為兩部分, 一部分熱風經一次熱風管5進入乾燥機本體下部噴口, 另一部分熱風經二次熱風管8在乾燥器本體上部沿著切向吹入乾燥器本體.
熱風分配器控制進入乾燥器本體的熱風比例, 一次熱風管5在乾燥器筒體內的噴口與簡體內部的文丘裡管9組成射流輸送裝置, 在漸縮管下部產生相對真空, 這樣位於噴口和漸縮管之間的顆粒被吸入, 並在文丘裡管喉部與熱風充分混合, 顆粒在文丘裡管內與熱風進行熱交換, 顆粒中的水分釋出, 氣流與顆粒的混合物通過文丘裡管的漸擴管到達乾燥器本體上部, 乾燥器本體上部錐面中心設置分級器10, 分級器出口和出料管11相連接, 達到乾燥要求的顆粒經過分級器以後到達出料管11進入旋風分離器, 在旋風分離器, 引風機作用下, 由旋風分離器分離出來. 未達到乾燥要求的顆粒, 不能通過分級器進入出料管, 由於二次熱風沿著乾燥器筒體內側從切向吹入, 吹入的方向為向下l4°, 這樣未達到乾燥要求的顆粒, 在重力作用下落的過程中, 進入二次風的環繞區域, 在二次熱風的作用下, 氣體和顆粒的混合物沿著乾燥器本體中的殼體與文丘裡管之問的間隙做從上向下做螺旋運動, 到達乾燥器下部, 到達文丘裡管下部漸縮管口, 在噴口一次熱風的作用下, 再次被吸入到射流噴管, 進行迴圈乾燥. 當達到乾燥要求時, 再從乾燥器本體上部的分級器出口進入出料管11, 然後再經過旋風分離器分離出來.
2生物質顆粒乾燥器關鍵部件的設計
2.1生物質顆粒乾燥器的技術參數
本文設計的生物質顆粒乾燥器的技術參數如表1所示.
2.2設計過程中需要的技術參數
2.2.1丘裡乾燥機設計
設計過程中, 需要水, 幹空氣和顆粒等相關參數, 詳見表2.
2.2.2幹空氣的密度計算
其公式為:
2.3乾燥器熱平衡計算
由於顆粒進出乾燥器的含水率不同, 因此乾燥器的各個主體部分的尺寸的設計應該以乾燥過程的相關參數和乾燥能力為依據, 因為在乾燥過程絕對乾燥的顆粒的質量不發生變化, 相應的有如下計算過程:
2.4文丘裡管的設計
2.4.1一次熱風噴口直徑的確定
2.4.2顆粒最大沉降速度的確定
根據沉降速度的計算方法, 顆粒與熱空氣的混合物在文丘裡管漸擴管的運動狀態為紊流, 設在文丘裡管喉嚨和漸擴管內, 顆粒與空氣已經充分混合并且進行了熱交換, 在漸擴管出口處顆粒內的被乾燥的水分已經汽化, 此時顆粒已經接近乾燥要求, 幹顆粒顆粒的淨密度為:
2.4.3文丘裡管主要尺寸的確定
如圖2為文丘裡管簡圖, 各部分尺寸符號標註如圖所示.
由文丘裡乾燥器的原理可知, 二次風沿著筒體做螺旋運動下行到達文丘裡管下端漸縮管口, 與一次風和顆粒一起進入文丘裡管內, 假設顆粒中的水分在文丘裡管內完全氣化, 在文丘裡漸擴管出口, 流出的是空氣, 水蒸氣和幹顆粒的混合物.
(1)漸擴管出口直徑的計算
由於乾燥過程中氣體的溫度, 速度和壓力均需要發生變化, 在計算文丘裡管主要部分尺寸時, 應用質量守恒來計算.
2.5簡體的設計
文丘裡管和簡體的之問的存在二次熱風的流動, 因此文丘裡乾燥機外筒的之間為需要有足夠的空間來利於二次風的螺旋運動, 取乾燥機外筒的直徑為1150mm. 一次風噴口與文丘裡管漸縮管之間的距離為50~ 150mm, 通過噴口法蘭調節一次風噴口與文丘裡漸縮管之間的間距, 乾燥器簡體上圓錐錐頂角為150°, 上部圓錐出口為乾燥器的分級器, 分級器的做成多種規格, 以適應多種顆粒和不同含水率的乾燥需要. 下部圓錐錐頂角為60°, 以利於隨著二次風下落的顆粒進入到文丘裡管漸縮管入口, 進入二次乾燥.
二次風噴口的位置和形狀直徑影響到二次風能否沿著乾燥器外筒做下降的螺旋運動, 以及螺旋運動的速度和角度, 結合乾燥器上部錐頂蓋的位置和文丘裡管漸擴管的位置, 本設計中, 二次風口採用矩形, 沿著切向接入乾燥機簡體, 為了保證二次風噴入以後沿著簡體做下降的螺旋運動, 二次風噴口中心線沿著筒體軸線向下傾斜11°, 二次風噴口矩形尺寸為180mm×240mm, 二次風噴口安裝在文丘裡管漸擴管出口下面100mm處, 這樣保證把沒有達到乾燥要求不能從分級器出去的顆粒帶入簡體內沿著筒體做下降的螺旋運動, 並且進行熱交換繼續乾燥, 從而提高乾燥效率.
整個文丘裡顆粒乾燥機除了第一級給料螺旋機構和料鬥以外, 其餘各個部分採用不鏽鋼1Cr17製造, 文丘裡管和簡體以及各部分氣管採用不鏽鋼材料, 考慮到生物質顆粒是纖維狀的, 文丘裡乾燥機內部焊接各處必須打磨光滑, 不存在尖, 刺等稜角, 避免在乾燥過程中將顆粒纖維掛住, 影響乾燥氣流暢通和降低乾燥效率.
2.6熱風分配器的設計
為了使文丘裡乾燥器能乾燥不同種類和含水率的顆粒, 需要對一, 二次風的比例關係進行調節, 因此設計了熱風分配器, 如圖3所示, 分配器斷面呈矩形, 分配器葉片位於中央部位, 葉片後面開有兩個出口, 分別接一次熱風管和二次熱風管, 分配器上部有個蝸輪蝸杆減速器, 蝸輪蝸杆減速器和葉片軸相連, 通過轉動蝸輪蝸杆減速器輸入軸, 改變葉片的位置來改變一, 二次風的流量分配比例, 使乾燥器適應不同粒徑和密度的顆粒乾燥.
2.7進料機構裝置的設計
由於生物質顆粒形狀複雜, 粒徑大小變化大, 有的纖維較長, 在乾燥過程中, 一次熱風噴口的壓力達到4000Pa, 二次風的壓力在4000Pa左右, 因此本乾燥器送料機構採用雙級螺旋輸送機的形式, 在第一級和第二級螺旋輸送機之間安裝帶環切刀片的關風機, 環切刀片用來切斷關風機入口處過長的顆粒纖維, 一, 二級螺旋均採用閉式變螺距螺旋輸送機, 入口處的螺距為100mm, 其餘部分的螺距為160mm, 為了避免螺旋輸送機被顆粒阻塞, 螺旋與輸送機簡體單邊問隙為10mm, 第一級螺旋輸送機採用變頻調速進行給料, 第二級螺旋輸送機採用高速迴轉給料. 一, 二級螺旋輸送機電機功率為2.2kW, 關風機電機功率2.2kW.
3結語
本文結合實際需要, 論述了文丘裡乾燥器的工作原理, 詳細論述了用於生物質顆粒乾燥的文丘裡乾燥器的設計計算過程和方法.
