生物质干燥机的设计及试验研究

可再生能源20063(总第127期)研究与试验生物质干燥机的设计及试验研究雷廷宙12,沈胜强2,李在峰',胡建军,吴创之3,师新广',朱金陵(1.河南省科学院能源研究所有限公司,河南郑州450008;2大连理工大学动力工程系,辽宁大连116024;3中国科学院广州能源研究所,广东广州510070)摘要:根据生物质的干燥特性,优化设计了一种高效的板式生物质干燥机。利用热的传导、对流、辐射3种传递方式,结合空气调节技术设计的干燥机核心部件—一多孔板换热器,使干燥机内温度场与气流速度场达到了物料干燥的要求,可对物料快速加热,实现了生物质干燥“按需供能”的要求。对生物质干燥机在不同工况下的干燥特性进行了试验研究,得到了其干燥特性曲线;生物质干燥的热能利用率达到了70%以上关键词:生物质;干燥机;多孔板;干燥特性曲线;热利用率中图分类号:TK173;TK6文献标识码:A文章编号:1671-5292(2006)03-0029-04Experimental study and design for biomass drierLEI Ting-zhou, SHEN Sheng-qiang, LI Zai-feng, HU Jian-jun, WU Chuang-zhi, SHIXin-guang, ZHU Jin-ling(1. Energy Research Institute Ltd of Henan Academy of Sciences, Zhengzhou 450008, China; 2Department of Power Engineering Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;3Institute of Energy Resources China Academy Science, Guangzhou 510070, China)Abstract: Design a high efficiency drier of biomass based on the drying characteristic ofbiomass. The temperature field and velocity field was uniform by using the heating partswhich was desgin on air conditioning technology and different mode of heat transfers, it canheart biomass quickly. It realizes the function of "providing energy according to demandWe find the drier characteristic curve by testing in different optimal operation. The thermalutilization factor of drier is over 70%Key words: biomass; drier; perforated plate; drier characteristic curve; hermal utiluization生物质的能源化利用,不仅保护了环境,而方式对物料快速加热,根据空气调节技术设计的且实现了能源的可持续发展。生物质能源化利用多孔射流板换热原件,使干燥机内温度场与气流的途径包括气化发电、液化、高温热解、压缩成型速度场达到了物料干燥的要求,实现了生物质干后直接燃烧等。无论哪一种利用方式,都对生物燥的“按需供能”,提高了干燥机的热利用率,为质的含水率有严格要求。在收获季节,农作物秸生物质的规模化利用奠定了基础。秆的初含水量通常在30%以上,长时间贮存非常1生物质干燥机的设计容易引起秸秆变质。因此,秸秆的干燥就成为秸1.1生物质干燥机的总体结构秆大规模资源化工业利用的关键问题叫。本文根生物质干燥过程可分为3个阶段:短时间的据生物质的于燥特性,设计了一种高效的板式生升温段、等速干燥段与降速干燥段鬥。在整个干燥物质干燥机,它利用热传导、对流、辐射3种传热周期中国煤化工高密度大,是干收稿日期:2006-03-22CNMHG基金项目:国家“863”计划项目(2001AA514010)作者简介:雷廷宙(1963-),男,研究员,博土研究生,主要从事生物质能源技术研究研究与试验RENEWABLE ENERGY No.3 2006(127 Issue in All燥过程中的主要吸热段,应以较高的温度与气流与等速干燥过程,在第3,4层换热板上完成等速速度来提高干燥机的产量。在干燥过程的后半个与降速干燥过程。生物质在拖动系统的带动下自周期,物料的温度较高、含水率较低、密度小,在上而下运动,完成升温、等速干燥与降速干燥的过此阶段,物料的干燥时间基本不变,可以较小的程,换热板孔眼总面积自上而下依次减小,各换热气流速度进行干燥,以节约能源。板可提供不同的能量,实现了生物质干燥过程的根据生物质的干燥特性,设计的生物质干燥按需供能。机结构如图1所示,粉碎后的生物质由进料口进入干燥机,在传动系统的链条、刮杆的拖动下,沿供热系统的射流板上表面缓缓移动,此时受到加热板上表面的传导加热,同时受到上一层加热板下表面辐射加热和从射流孔射流出的高温加热介质的强化对流换热。这样,被干燥的物料在多层加热板的传导、对流、辐射3种传热方式的作用下,水分迅速地扩散出来,由排湿系统排出干燥机外,达到快速、高效干燥的目的。图2供热系统示意图1-物料;2-加热板;3-静压箱;4-输送板(1)静压箱的设计可等压分流的静压箱为一楔形箱体,它有1个加热介质进口与数个矩形加热介质出口,出口数量与换热板的数量相同。静压箱入口风速V应比最末出风口的风速Vn大,利用这2个速度差图1生物质干燥机结构示意图形成的动压差补偿静压箱内的摩擦阻力损失和局1-排湿系统;2-进料口;3-进风管;4-传动系统;部阻力损失,使静压箱内各处的静压力能够保持5-鼓风机;6-拖动调速电机;7-供热系统稳定,各处的压力基本相同,使各矩形加热介质出1.2供热系统的设计口的流量与其面积成正比。欲达到上述要求,静加热气流均匀是干燥机设计的核心问题,也压箱的入口风速与出口风速需满足下式是影响干燥速度和于燥质量的主要因素。升温段是生物质干燥过程中的加热阶段,此时生物质具p-2p=∑(R+)有含水量高、堆积密度大等特点,在此阶段不仅式中V静压箱入口风速需要大量的热能,而且还需要较大的风速,以便V。—静压箱最末端热空气出口风速;穿透物料层,达到物料快速、均匀升温的目的。等∑Rl静压箱内摩擦阻力损失之和;速干燥段是生物质干燥过程中的主要脱水段,水∑z——静压箱内局部阻力损失之和分蒸发量大,此时只需供给生物质水分持续蒸发p——空气密度。所需的热量即可。降速干燥段是生物质干燥过程(2)射流换热板的设计中的最后一个阶段,在此阶段生物质已变得很膨热空气经静压箱可等压进入各层射流换热松,只需脱去少量的水,因此,此阶段只需少量的板,射流换热板为能承受一定压力的箱式结构。其热量,风速不宜太高,以免将物料吹飞四。根据这上表面为平板,可用作物料床;下表面为多孔板,理论研究和基础试验的结果,结合空气调节技可根据不同干燥阶段所需能量设定不同的孔眼面术与传热学原理,设计出了由等压分流的静压积V凵中国煤化工板均匀地射向被箱和高效换热的射流加热板组成的供热系统(如干燥CNMHG在进口压力相同图2)所示。它由静压箱、射流换热板、输送板等组的条件下,不同孔眼直径、不同孔眼总面积为生物成。生物质在上两层换热板上主要进行物料升温质不同的干燥阶段提供不同的能量,为设计按需30可再生能源2006.3(总第127期)研究与试验供能的生物质干燥机提供了可能門。制阀可控制废气的排出速度,通过废气特性测量1.3拖动系统的设计孔可测量废气温度、流量及含水量。生物质在干燥机内的移动由干燥机的拖动系生物质原料为当年收获后的玉米秸秆,经筛统完成。拖动系统由调速电机、传动系统、链条刮孔直径为5mm的锤片式粉碎机粉碎后,加水调杆等部分组成。刮杆为Φ12mm的圆钢,两端铰接湿至一定含水量,密封1d后备用于链条上,链条在链轮的带动下移动时,刮杆便拖2.2生物质干燥机干燥曲线动生物质随链条在换热板上表面移动,其工作过在干燥机内的物料中放置3个热电偶,让它程如图3所示。生物质在链条刮杆拖动下沿换热随物料一起移动,即可测定出原料在不同干燥时板上表面从一端向另一端移动,落到下一层换热间内的温度,取3个温度的平均值;取干燥机内不板后重新往回移动,这样的过程由上至下连续进同干燥时间的物料,测定其含水量,即可测定出物行4次。生物质向前移动的同时,圆的刮杆也把下料在不同干燥时间内的含水量。图5为生物质干面的物料翻到了上面,物料落向下一层加热板时燥机的干燥曲线。由图5可以看出,在第一层加热进行了掺混,这样就保证了产品干燥的均匀性。板,物料温度从36℃升至63℃,含水量从55%10加杰板1加板2加当3!加源4130图3传动系统示意图1-链轮;2-加热板;3-链条刮杆;4-物料移动方向图5生物质干燥机的干燥曲线2生物质干燥机的试验研究降至48%,这是因为在第一层加热板上,物料只我们完成了生物质于燥机样机的设计加工受到了传导加热,表面无射流热风加热,所以含水后,对其各项性能进行了试验研究,为生物质干量下降较慢。在第二层加热板,温度从63℃升至燥机的放大提供了基础数据。68℃,含水量从48%降至30%,这是因为物料既2.1试验系统受到了传导加热,又有上一层换热板的对流与辐试验系统如图4所示,它是以天然气燃烧生射加热,所以物料的含水量迅速下降,水分蒸发带成的烟气与空气混合后的高温混合气为干燥介走了大量的热量,物料的温度上升较慢。在第三层质,在干燥机内进行生物质的干燥。燃气进气量加热板上,温度从68℃升到85℃,含水量从调节阀可控制燃烧器的燃气进气量,从而控制干30%降至20%,此时物料的含水量较低,热风速度较低,物料在上、下换热板的加热下,温度上升较快。在第四层加热板上,物料温度从82℃降至7℃(约在第24min时),这是因为物料从第三层加热板落向第四层加热板时,遇到逆向流动的冷空气传热所致。第24min后物料温度变化不大,主图4干燥装置试验系统图要是因为第四层板为输送板,物料只受到上层加1-燃气进气量调节阀;2-气体流量计;3-高温烟气调节阀;热板的辐射与对流加热,热风速度较小,水分蒸发4高温烟气特性测量孔;5-排气量控制网;6废气特性测量孔带走的热量与上层加热板提供的热量基本平衡。燥机的能量供给。高温烟气调节阀可调节进入干中国煤化工度、不同料层厚燥机内高温混合气中烟气与空气的比例,从而调度与CNMHG燥的干燥特性曲节高温混合气的温度,通过测量孔可测出高温混线(进风温度仅选择了340℃和280℃。分析表合气进气量、温度及水分的含量,通过排气量控明,在其它条件不变的条件下,温度越高,物料的研究与试验RENEWABLE ENERGY No. 3 2006(127 Issue in All程/m行程/m进风温度340℃,料层厚度10cm近风温度340℃,料层厚度8c进风温度340℃,料层厚度6cn进风温度280℃,料层厚度10c进夙温度280℃,料层厚度8cm进凤温度280℃,料层厚度6c瞧图6不同温度、不同料层厚度和不同干燥时间下干燥机的干燥特性曲线脱水率越大,但由生物质的干燥特性可知,进风W—原料干燥前含水量温度不宜过高,当物料湿球温度超过150℃时,Wx—原料干燥后含水量;物料的挥发分便会析出,影响干燥后的生物质品r—水的汽化潜热kJ/kg;质;干燥时间越长,物料的脱水率越大,但干燥机C—玉米秸秆的比热,kJ/(kg:℃);的处理量却会变小;物料厚度越大,脱水率越低Cm—水的比热,kJ/(kg:℃);但处理量变大。在上述条件下,测得本样机热利用率为7102%2.3生物质干燥机热能利用率的测定3结束语参照GB6970-1986《粮食干燥机试验方法》,①板式生物质干燥机可根据物料特性改变物对干燥机的热利用率η进行测定。被干燥的物料料的干燥速度、干燥时间与干燥温度,并可在不同为郑州市郊区当年生产的玉米秸秆,初始含水量为的干燥阶段提供不同的热量与风速,具有较好的51.2%,温度为26℃;锤片式粉碎机的筛网孔径为原料适用性。其独特的换热元件与物料拖动系统,8m;干燥介质的进风量为8725m3/h,温度为使其热利用率达到了70%以上。因此,干燥机在340℃;料层厚度为10cm;干燥时间为30min。在不同种类的生物质能干燥方面具有较好的优势,此条件下对干燥机的热利用率η进行测定。具有广泛的应用前景产。干燥机的热利用率η=Q/Q②本文通过试验研究,得到了生物质干燥机输入干燥机的热量Q=L·Cn(t-2)在不同工况下的干燥特性曲线,为干燥机的放大式中Q秸秆有效利用热,kJ及优化设计提供了参考依据。L——进入干燥机干混合气的质量,kg参考文献Cr—混合气的干基比热容,kJ/(kg℃);[]l中国太阳能学会21世纪太阳能新技术[C上海:上海t-t2—进出干燥机混合气的温差,℃C。交通大学出版社为了使热能利用率在含水量不同的物料及不2]雷廷宙沈胜强吴创之等玉米秸秆于燥特性的试验研究太阳能学报,2005,26(2):26-28同脱水量的情况下具有可比性,本文所指的有效利用热Q包括玉米秸秆在干燥机内升温所需的显热 KALLEL F, GALANIS M. PERRIN B,et al. Effects ofduring drying of consolidated和水分汽化所需的潜热2部分组成按下式计算中国煤化工heat transfer. 1993Qr=g(1-W1)·C·△t+W1Cm·△+(Wr-W2)4CNMHG京:中国建筑工业出式中△t进出干燥机物料的温差t1-t2,℃;版社,2001g—原料质量,kg5]金国淼干燥设备M北京:化学工业出版社,200万数据