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    作者：杜健昌

    生物質(zhì)燃燒是我國(guó)農(nóng)村的傳統(tǒng)用能方式，隨著農(nóng)村供暖以及農(nóng)產(chǎn)品干燥用能需求的不斷增長(zhǎng)，生物質(zhì)燃燒具有巨大的應(yīng)用潛力。在生物質(zhì)燃燒時(shí)，具有一定含水率的生物質(zhì)顆粒(約150 mm)往往直接喂入高溫燃燒的爐膛中。有時(shí)顆粒外部已經(jīng)開(kāi)始燃燒，內(nèi)部的水分還會(huì)不斷蒸發(fā)而干燥，此時(shí)物料表面溫度(300—500℃)遠(yuǎn)高于一般干燥工藝的溫度。這種高溫條件下的干燥普遍存在于生物質(zhì)能應(yīng)用（燃燒、陰燃等）、垃圾焚燒、食品高溫加工及化工等行業(yè)。

    文獻(xiàn)中對(duì)這種高溫條件下干燥過(guò)程的計(jì)算分析主要采用以下4種模型：①溫度一含水率模型，即把物質(zhì)內(nèi)部的含水率表達(dá)為溫度的代數(shù)式。2擴(kuò)散蒸發(fā)模型，用擴(kuò)散控制方程描述水分的蒸發(fā)過(guò)程，同時(shí)考慮了冷蓮作用。3Arrhenius方程模型，把干燥過(guò)程看作多相反應(yīng)，用Ar-theniuj方程描述。4面反應(yīng)模型，假設(shè)干燥前鋒是一個(gè)薄層，傳遞到該層的熱量全部用來(lái)蒸發(fā)水分．薄層溫度保持在100℃左右。上述4種模型中，面反應(yīng)模型在數(shù)學(xué)表達(dá)及數(shù)據(jù)處理上相對(duì)簡(jiǎn)單，是較為常用的模型。

    目前，在計(jì)算模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，高溫條件下干燥實(shí)驗(yàn)多以生物質(zhì)為原料，干燥和熱解、燃燒等耦合，不利于分析單純干燥模型的準(zhǔn)確性；而僅涉及干燥的實(shí)驗(yàn)，溫度多在200℃以下，和高溫環(huán)境差別較大。

    由于生物質(zhì)在高溫條件下的單純干燥實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)，為了探索高溫條件下濕物料內(nèi)部的干燥過(guò)程特性，為生物質(zhì)燃燒、垃圾焚燒過(guò)程提供借鑒，本文設(shè)計(jì)了可在高溫條件下進(jìn)行干燥并監(jiān)測(cè)物料內(nèi)部特性的試驗(yàn)裝置，以石英砂為物料，對(duì)不同含水率和粒徑的石英砂床層進(jìn)行干燥試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與面反應(yīng)模型進(jìn)行對(duì)比。

  1試驗(yàn)

  1.1試驗(yàn)裝置

    試驗(yàn)裝置主要由加熱盤、料桶、保溫層、熱電偶及電子秤構(gòu)成，其原理如圖1所示。加熱盤是由套有小陶瓷管的電熱絲盤成，并固定在不銹鋼篩網(wǎng)上，有足夠的空隙保證物料中蒸發(fā)出來(lái)的水蒸氣逸出，加熱盤配有溫度控制系統(tǒng)，可對(duì)其底部控溫。料桶內(nèi)壁附1 cm厚石棉布及玻璃纖維布，外壁附5 cm厚巖棉，這種結(jié)構(gòu)可以減少熱量通過(guò)桶壁散失，使床層徑向溫度盡量均勻[2]~[l8]。溫度由K型熱電偶及OMB –DAQP-56型數(shù)據(jù)采集卡采集，采集頻率設(shè)為0.1 Hz。6個(gè)熱電偶沿直徑安放在料桶底部（橫向間隔3 cm），測(cè)溫點(diǎn)距加熱盤的

設(shè)計(jì)距離分別為0.5，1.5，2.5，3.5，4.5，5.5 cm，由于制造及安裝等造成的誤差，實(shí)際距離為0.8，1.5，2.5，3.6，4.5，5.3 cm。物料質(zhì)量由奧豪斯EP3001電子天平（量程35 kg，精度0.1 g）及相應(yīng)軟件以相同頻率與溫度數(shù)據(jù)同步采集。

    將濕石英砂填充在圓柱形料桶(內(nèi)徑=26 cm，高H=15 cm)內(nèi)，將加熱盤升溫至設(shè)定溫度(400℃)后置于料桶上方，熱量從加熱盤向下傳遞，物料內(nèi)水分受熱蒸發(fā)，透過(guò)加熱盤向上逸出并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)排出。這種干燥方式和實(shí)際高溫條件的干燥（濕生物質(zhì)燃燒、食品加工等）中，熱量由外向內(nèi)傳遞，水分由內(nèi)向外散失的過(guò)程一致。

    從加熱盤置于物料上方開(kāi)始記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，至距離加熱盤最遠(yuǎn)處的熱電偶升溫至100℃時(shí)停止。需要注意的是，此時(shí)溫度檢測(cè)區(qū)以下的石英砂床層中仍含有水分。

1.2試驗(yàn)方案

    本試驗(yàn)選取高溫下性質(zhì)穩(wěn)定的石英砂為試驗(yàn)物料。不同粒徑石英砂表面吸附能力不同，粒徑越大表面吸附能力越小。預(yù)試驗(yàn)表明，粒徑大于380（40目）的石英砂最大表面吸附水量過(guò)低，不利于研究多種不同含水率的情況二因此，本實(shí)驗(yàn)選取粒徑小于380u m的3種規(guī)格：40~60，80~100，120~140目(250~380，150～180，109~120um)的石英砂進(jìn)行試驗(yàn)。

    由于干燥過(guò)程中物料內(nèi)部水分向上、下同時(shí)擴(kuò)散，至遠(yuǎn)離加熱盤一端時(shí)發(fā)生冷凝。預(yù)試驗(yàn)表明，石英砂床層含水率過(guò)高時(shí)．遠(yuǎn)離加熱盤一端會(huì)由于上述冷凝作用形成飽和區(qū)．水分能夠沿?zé)犭娕及惭b間隙等向下滲流，使干燥速率檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。另外，堆積石英砂為非吸濕性多孔材料，含水率過(guò)低時(shí)很容易散失水分，難以配制成穩(wěn)定的含水率工況。因此，通過(guò)大量預(yù)試驗(yàn)，本文選擇含水率上限為13%，下限為3%，并取上述兩個(gè)含水率的中間值(8%)為第3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。對(duì)上述兩因素、三水平共9種工況進(jìn)行了完全試驗(yàn)，試驗(yàn)匯總?cè)绫?所示。

1.3含水率配制

    堆積石英砂為非吸濕性多孔物料，在常溫常壓下含水率為零，可直接加入去離子水配制成不同含水率工況。配制方法：①稱取一定量絕干石英砂及相應(yīng)質(zhì)量去離子水，放入足夠空間的不銹鋼桶中進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛?#9313;密封不銹鋼桶并靜置2h。③取桶內(nèi)3個(gè)不同位置處的石英砂．用奧豪斯MB45快速水分分析儀測(cè)其含水率二重復(fù)上述步驟②，③，直至3個(gè)位置處的含水率絕對(duì)差小于1% -預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粒徑越小，含水率越低，需要重復(fù)上述操作的次數(shù)越多。

2結(jié)果與分析

2.1干燥過(guò)程特點(diǎn)

2.1.1物料內(nèi)部溫度變化

    圖2給出了不同工況下濕石英砂床層內(nèi)的度變化。從圖中可以看出，隨干燥過(guò)程的進(jìn)行，各測(cè)溫點(diǎn)的溫度都會(huì)由室溫升高至某一溫度，保持這個(gè)溫度一段時(shí)間后繼續(xù)升高。我們認(rèn)為保持恒定的這個(gè)溫度是干燥前鋒溫度。

    測(cè)溫點(diǎn)處溫度從干燥前鋒溫度再次升至1000C以上時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)處石英砂處于絕干狀態(tài)。物料內(nèi)部被干燥前鋒分為干區(qū)和濕區(qū)。圖2中各二次升溫初始時(shí)刻是干燥前鋒位于測(cè)溫點(diǎn)深度的時(shí)刻。

    對(duì)比不同工況物料在干燥過(guò)程中干燥前鋒的溫度發(fā)現(xiàn)，含水率為3%時(shí)干燥前鋒溫度為70—900C，含水率在8%以上時(shí)為90—100℃。此外，觀察3種高含水率[圖2(c)，(f)，(i)]工況發(fā)現(xiàn)，干燥前鋒溫度并不恒定，而是隨著干燥的進(jìn)行略微下降，粒徑越小下降趨勢(shì)越明顯。主要原因是，隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行，床層測(cè)溫點(diǎn)處含水率逐漸減小。這與前面低含水率下水分蒸發(fā)溫度較低這一現(xiàn)象相符，也就是說(shuō)，實(shí)際干燥過(guò)程中干燥前鋒溫度主要與物料含水室有關(guān)，隨含水率升高，干燥前鋒溫度從約70℃逐漸接近100 0C。干燥前鋒的溫度特性和我們以前對(duì)主物質(zhì)粉陰燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似。這與多數(shù)面反應(yīng)模型假設(shè)不同，面反應(yīng)模型中，一般

假設(shè)干燥前鋒溫度保持在100℃。

    從圖2中各熱電偶的溫度曲線可以看出，干區(qū)的溫度梯度遠(yuǎn)比濕區(qū)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。這說(shuō)明干區(qū)傳人濕區(qū)的熱量，大部分用來(lái)在界面蒸發(fā)水分。

2.1.2水分蒸發(fā)速率

    根據(jù)試驗(yàn)記錄的質(zhì)量變化數(shù)據(jù)及物料初始含水量，可以得到床層剩余水分含量及水分蒸發(fā)速率隨時(shí)間的變化情況，如圖3所示，其中，床層剩余含水量用相對(duì)量（某時(shí)刻床層剩余水分量占初始時(shí)刻水分量的百分比）表示。圖3的水分蒸發(fā)速率可以看出，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，含水率較高的干燥過(guò)程一直處于降速干燥段。含水率較低時(shí)，水分蒸發(fā)速率很小，但基本維持恒定，可能是由于這種情況下，多孔介質(zhì)中水蒸氣含量少，有利于水分向干區(qū)的蒸發(fā)和擴(kuò)散。另外，水蒸氣向濕區(qū)的擴(kuò)散和冷凝，也會(huì)導(dǎo)致后期濕區(qū)含水率增加，抵消干燥前鋒向深處移動(dòng)帶來(lái)干燥速率減小的趨勢(shì)。

2.2試驗(yàn)和面反應(yīng)模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.2.1對(duì)比方法

    在面反應(yīng)模型中，假設(shè)干燥前鋒是一個(gè)薄層，傳遞到這里的熱量全部用來(lái)蒸發(fā)水分，薄層溫度保持100℃不變一干燥前鋒以上為絕干區(qū)，以下為含水率未受影響的濕區(qū)，隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行，干燥前鋒向下移動(dòng)，其原理如圖4所示。

    床層某處(X)升溫至100℃（干燥前鋒假設(shè)溫度）時(shí)，采用式(1)計(jì)算該模型水分蒸發(fā)量：

式中：M模型模型為水分蒸發(fā)量的計(jì)算值，g;X為干燥前鋒的位置或熱電偶測(cè)溫點(diǎn)距加熱盤距離,cm;A為料桶橫截面．Cm2；P為濕石英砂平均堆密度，g/cm3；W為石英砂含水率（濕基），%。

    此時(shí)電子天平測(cè)得的質(zhì)量損失為M試驗(yàn)（水分蒸發(fā)量的試驗(yàn)值）。各工況下，不同測(cè)溫點(diǎn)到達(dá)100℃時(shí)的水分蒸發(fā)量的試驗(yàn)值如圖5所示。將M試驗(yàn)與M模型相除，得到比值Y，Y為1時(shí)表示面反應(yīng)模型計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。

2.2.2對(duì)比結(jié)果

    水分蒸發(fā)量的面反應(yīng)模型計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比情況如圖6所示，圖中橫軸為熱電偶距加熱盤的距離(X)，縱軸為Y，，圖中給出了Y值為1的橫線以便于比較。從圖中可以看出：相同粒徑工況下，含水率越小Y值越小且越接近1；相同含水率工況下，粒徑越小，Y值越接近1。另外，高含水率(13%)工況下，在干燥初期干燥前鋒距加熱盤較近時(shí)，實(shí)際水分蒸發(fā)量與模型計(jì)算值差別較大，隨著干燥前鋒下移，二者逐漸接近，這主要由于含水率較高時(shí)，水分在物料內(nèi)部有遷移，面反應(yīng)模型和實(shí)際物理過(guò)程差別加大。

    上述結(jié)果表明，高溫條件下的干燥，在含水率低、粒徑小的工況下，面反應(yīng)模型計(jì)算的水分蒸發(fā)量與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合。

2.2.3試驗(yàn)和模型差異的原因分析

    根據(jù)面反應(yīng)理論，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，也就是干燥前鋒位于加熱盤下方5.3 cm處時(shí)，理論床層剩余水分含量占床層總含水量的分?jǐn)?shù)為(H-5.3)/H（床層總高H=15 cm）．即65%。從圖3中可以看出，含水率越高，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)床層相對(duì)剩余含水量越小，最低能達(dá)到約20%,遠(yuǎn)小于面反應(yīng)模型計(jì)算值65 %。主要原因：面反應(yīng)模型假設(shè)干燥過(guò)程中干燥前鋒下方區(qū)域含水率保持不變，而在實(shí)際干燥過(guò)程中，高含水率物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似“液膜區(qū)”，干燥前鋒下方濕區(qū)的水分能夠在重力、毛細(xì)作用力、粘性力及濃度梯度等作用下向上遷移蒸發(fā)，使?jié)駞^(qū)含水率降低。同時(shí)，這種水分遷移作用加速了水分蒸發(fā)過(guò)程，導(dǎo)致高含水率工況下干燥前期的水分蒸發(fā)速率較高，隨著床層含水率下降，水分蒸發(fā)速率也有所下降。圖3中水分蒸發(fā)速率隨時(shí)間的變化特征也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

3結(jié)論

    本文在溫度為400℃下對(duì)不同粒徑、不同含水率的石英砂進(jìn)行了干燥試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果和分析表明：物料內(nèi)部被干燥前鋒分為干區(qū)和濕區(qū)兩部分，濕區(qū)的溫度梯度遠(yuǎn)小于干區(qū)；在試驗(yàn)范圍內(nèi)，含水率較高的干燥過(guò)程一直處于降速干燥段，含水率較低時(shí)干燥速率基本維持恒定；干燥前鋒溫度隨物料含水率的升高，從約70 0C逐漸接近1000C，與通常面反應(yīng)模型的100 0C假設(shè)不同；在含水率低、粒徑小的工況下，水分蒸發(fā)量的面反應(yīng)模型計(jì)算值和試驗(yàn)值較為吻合。