摘要：根據(jù)氣固兩相流理論，通過(guò)分析生物質(zhì)燃料顆粒干燥過(guò)程的特點(diǎn)，建立了其在水平直管內(nèi)氣流干燥過(guò)程中傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值方法對(duì)模型進(jìn)行了求解，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。分別針對(duì)物料初始含水量、入口空氣溫度和進(jìn)料量對(duì)生物質(zhì)干燥的影響進(jìn)行了試驗(yàn)和分析。

　　0引言

　　生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，約占全球總能源消耗的14%^[1]。在我國(guó)生物質(zhì)能占一次能源的33%左右，是僅次于煤的第二大能源^[2]。

　　生物質(zhì)農(nóng)作物秸稈開(kāi)發(fā)利用是可再生能源利用的一條重要途徑。但剛收獲的生物質(zhì)秸稈燃料水分較大，易引起其儲(chǔ)存變質(zhì)，并且在層燃鍋爐直接燃燒時(shí)難于著火和穩(wěn)燃。而采用爐排上部噴入一定比例已磨碎的較干燥的生物質(zhì)燃料，可有效解決這些問(wèn)題。生物質(zhì)干燥問(wèn)題在其大規(guī)模利用中逐漸暴露出來(lái)，并已經(jīng)開(kāi)始成為影響農(nóng)作物秸稈規(guī)?；紵玫囊粋€(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)水分較高生物質(zhì)秸稈大規(guī)模的層狀燃燒利用，對(duì)部分已粉碎的生物質(zhì)秸稈顆粒(粉碎后多呈顆粒狀)進(jìn)行有效的干燥研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

　　氣流干燥是一種高效、連續(xù)性流態(tài)化的干燥方法，其特點(diǎn)為：①干燥時(shí)間短；②氣固兩相能接觸充分，有利于傳熱傳質(zhì)的進(jìn)行；③設(shè)備簡(jiǎn)單，適應(yīng)性廣^[3－5]。本文運(yùn)用根據(jù)氣固兩相流理論建立的生物質(zhì)燃料干燥過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，對(duì)含濕的生物質(zhì)燃料的氣流干燥過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證和比較得出結(jié)論，其研究結(jié)果可為氣流干燥器的設(shè)計(jì)及性能分析提供參考，為國(guó)家所鼓勵(lì)的生物質(zhì)發(fā)電的實(shí)際干燥過(guò)程提供有價(jià)值的指導(dǎo)依據(jù)。

　　1模型的假設(shè)

　　基于氣流干燥的特點(diǎn)，為了便于數(shù)學(xué)計(jì)算，對(duì)氣流干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)干燥過(guò)程中物料的體積收縮可忽略不計(jì)；

　　4)水分由物料內(nèi)部擴(kuò)散至表面，蒸發(fā)僅在表面進(jìn)行；

　　5)熱空氣與物料表面間進(jìn)行對(duì)流換熱，再以導(dǎo)熱的方式傳向物料內(nèi)部；

　　6)干燥管絕熱。

　　2數(shù)學(xué)模型^[9－10]

　　3模型求解和試驗(yàn)驗(yàn)證

　　通過(guò)計(jì)算機(jī)編程，結(jié)合物料物性參數(shù)、空氣和水蒸氣特性參數(shù)，在給定初始參數(shù)條件下，采用主程序調(diào)用子函數(shù)(采用ode45函數(shù)^[11])來(lái)求解方程組，得到生物質(zhì)燃料含水率、空氣含水量等參數(shù)隨管長(zhǎng)的變化數(shù)值解，并繪制相關(guān)曲線。

　　由圖2可以看出，試驗(yàn)值與計(jì)算值存在一定的偏差但是基本吻合，出現(xiàn)偏差的原因有：①模型是基于前述假設(shè)建立的；②生物質(zhì)燃料含水量的測(cè)定結(jié)果受取料、測(cè)定方法等多方面影響，所以數(shù)值上會(huì)出現(xiàn)一定的差異。所以干燥模擬能夠反映了氣流干燥過(guò)程的發(fā)展趨勢(shì)以及顆粒濕度在干燥管內(nèi)變化的真實(shí)情況。

　　4結(jié)果分析

　　圖3可以看出，氣流干燥過(guò)程大致可分為兩段。在干燥過(guò)程的起始階段，物料與空氣的濕度變化較大，這是由于固體顆粒與氣體流速之間的相對(duì)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干燥的有效面積。同時(shí)由于氣流對(duì)物料的分散和攪拌作用，使蒸發(fā)表面不斷更新。因此，固體顆粒與熱空氣之間傳熱傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力很大，傳熱傳質(zhì)強(qiáng)度大、較劇烈。在這個(gè)階段，干燥過(guò)程已經(jīng)進(jìn)行得相當(dāng)充分，所以此階段固體顆粒濕度和熱空氣溫度隨干燥管長(zhǎng)度增加其值降低幅度較大；隨后干燥過(guò)程進(jìn)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(zhì)驅(qū)動(dòng)力減小，各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值變化趨于緩和。

　　5干燥的影響因素分析

　　5.1初始含水量對(duì)干燥的影響

　　在空氣溫度140℃，進(jìn)料量1.5kg/min條件下，按不同初始含水量56%～43%進(jìn)行氣流干燥試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4?？梢钥闯龈稍镏饕性诟稍锕艿那岸?，1～2m階段干燥較快，之后干燥較緩慢。在干燥管長(zhǎng)度相同的情況下，通過(guò)對(duì)比可以看出，初始含水量越高達(dá)到干燥要求越困難。實(shí)際干燥操作時(shí)，可以預(yù)先對(duì)所要干燥物料在不影響使用的情況下進(jìn)行必要的晾曬，以求較快達(dá)到所需的干燥效果。

　　5.2空氣溫度對(duì)干燥的影響

　　在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)料量為1.5kg/min，物料初始含水量50%條件下，按空氣不同進(jìn)口溫度(100～150℃)進(jìn)行生物質(zhì)秸稈燃料氣流干燥試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5。由曲線可以看出，隨著氣流溫度的升高，干燥速率也隨之增大，干燥效果越好。這是因?yàn)榭諝鉁囟鹊奶岣?，使氣固兩相溫差增大，二者之間的傳熱傳質(zhì)加劇[12]。隨著空氣溫度的提高，生物質(zhì)秸稈顆粒表面水分蒸發(fā)速度加快，內(nèi)部水分?jǐn)U散速度也加快，最終結(jié)果就是干燥速率提高。這說(shuō)明提高空氣入口溫度有利于干燥的進(jìn)行。

　　5.3濕物料質(zhì)量流量對(duì)干燥的影響

　　干燥氣流溫度為140℃，物料初始含水量為50%，在僅改變物料質(zhì)量流量的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。濕物料質(zhì)量流量的變化即是干燥過(guò)程中氣固兩相質(zhì)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，顆粒沿干燥管長(zhǎng)度干燥速率增大，顆粒通過(guò)干燥器出口時(shí)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(zhì)來(lái)移除物料中水分，空氣中可以容納的水蒸氣量也相應(yīng)的增加。但是氣固比過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致排氣溫度過(guò)高，使得熱空氣的熱能不能有效地利用，造成能源浪費(fèi)。而且，較高的氣固比，也會(huì)導(dǎo)致氣流和被干燥顆粒速度過(guò)快，使得顆粒在干燥管內(nèi)滯留時(shí)間變短，也會(huì)造成熱量不能夠充分被利用；所以適當(dāng)?shù)臍夤瘫龋欣谔岣吒稍镄Ч?/p>

　　6結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)干燥試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，干燥數(shù)學(xué)模型正確，此模型能夠較好地模擬及預(yù)測(cè)整個(gè)干燥過(guò)程傳熱傳質(zhì)狀況。對(duì)影響干燥的因素進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析。能夠?yàn)樯镔|(zhì)發(fā)電中的實(shí)際干燥問(wèn)題提供有價(jià)值的參考依據(jù)。