生物质型煤干燥能耗的瞬态分析及预测模型

李建¹，付晓恒¹，李军¹，张玉静¹，石应杰²

(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京100083；2.中国环境科学研究院大气污染控制研究中心，北京100012)

　　摘要：通过在不同干燥温度(140，160，180℃)、不同风速(0.4，0.8，1.2m/s)下对生物型煤进行了干燥特性实验，并对其瞬时单位能耗进行了计算和分析，结果表明：生物质型煤干燥过程中，单位能耗曲线分为3个阶段：下降阶段、恒定阶段和上升阶段；当干燥速率处在升速阶段时，单位能耗随干燥温度和风速的提高下降迅速；当干燥速率处在恒速阶段时，单位能耗随干燥温度和风速的提高而降低；当干燥速率处在降速阶段时，单位能耗随干燥温度和风速的提高而快速上升。基于干燥特性数学模型——Sabbet方程，得到了生物质型煤干燥时瞬时单位能耗的预测模型，其可以有效地反映出生物质型煤在干燥过程中单位能耗瞬态变化，为生产和工艺改进提供指导。

　　生物质型煤是将一定量的生物质与煤混合，并利用其纤维素、半纤维素和木质素等成分在加热或水解后具有的粘结作用或外加粘结剂，在一定压力下成型，干燥后制成的。其具有燃点低、燃烧充分、污染物排放少等优点^[1-3]。据报道，生物质型煤总节煤率可达20%~24%，脱硫率高于65%^[4-6]。在生物质型煤的生产工艺中，干燥是保证其充分燃烧和高效运输的重要阶段。同时干燥阶段产生的能耗也是生物质型煤生产中主要成本消耗之一^[7-8]。据有关资料显示，在工业生产中，英国、法国、瑞典的各行业干燥能耗大约占全部工业能耗的8%，其中部分行业的干燥能耗甚至占到生产总能耗的35%，而我国干燥行业能耗占全部行业能耗的12%左右，并且这个数字在不断地增大^[9]。据报道，世界干燥工业的能源消耗分别占美国、加拿大、法国与英国总能耗和丹麦与德国总能耗的10%~15%和20%~25%^[10]。相比而言，我国的能源消耗仅次于美国，已跨入能源消费国的前列。因此，为缓解能源紧张局面，降低干燥能耗显得越来越重要。

　　目前为止，大部分研究只是针对平均干燥能耗和总能耗^[11-13]，而缺乏对干燥过程中瞬时能耗的研究。为对生物质型煤干燥进行节能降耗，有必要对其干燥特性和单位能耗进行瞬态分析。此前，本课题组已对生物质型煤的干燥特性及干燥模型进行了研究^[8]，本文主要对其单位能耗进行瞬态分析并建立相应的预测模型，以便更好地对其生产工艺的改进进行指导。

　　1实验材料与方法

　　1.1实验材料

　　实验对象为天津市炭金能源技术有限公司生产的烧烤用生物质型煤，干基含水质量分数为40%。干燥时，为保证每组实验蒸发水分的质量相同，每组实验按同样的摆放层次(2层)摆放相同个数(底层为16个，顶层为14个)煤球，使实验中生物质型煤初始质量保持在1kg左右。

　　1.2实验设备及方法

　　1.2.1实验装置

　　考虑到在实际生产中，大多数干燥工艺的基本原理都与热风干燥相似，因此在设计本实验装置时，采用热风作为干燥介质。根据实验需要，本实验自主设计安装了一套干燥实验装置，如图1所示。

　　1.2.2实验仪器

　　鼓风机：2HR490-7AH16，广州市威尔玛机电有限公司生产；风压风速仪：HD2134P.0，意大利DeltaOHM公司生产；称重传感器：HYLY~012，蚌埠恒远传感器科技有限公司生产；温湿度测定仪：HD2301.0，意大利DeltaOHM公司生产。

　　1.3实验方法

　　实际生产中，生物质型煤的干燥温度为120~190℃，因此本实验设定干燥温度为：140，160，180℃；考虑系统稳定性，设定风速为0.4，0.8，1.2m/s。具体试验方法如下：通过调节鼓风机的转速控制风量，并用风压风速仪测量风速，使风速达到预设值，并以此计算出干燥箱中风速；在干燥箱内采用热电偶测量热风温度并由温度控制器控制；待工况稳定后，迅速将摆放好的生物质型煤放入干燥箱中，由称重传感器实时监测生物质型煤的质量变化，并通过M400数据采集管理软件收集和分析数据；利用温湿度测定仪和风速风压仪分别测出在排风口的气体温度和风速。

　　2实验指标

　　2.1干燥速率

　　干燥速率定义为在单位时间内每单位接触面积(物料和干燥介质的接触面积)下物料中水分气化的质量。而物料与干燥介质的接触面积有时不易确定，此时可用干燥强度代替干燥速率，其定义为物料干基湿含量随时间的变化率，通常用Nt表示^[14]。计算公式如下：

　　3实验结果与分析

　　3.1单位能耗与干燥特性的动态分析

　　采用热风温度160℃、风速0.8m/s，将1kg生物质型煤干燥至质量不再减轻为止，通过M400软件采集数据，经处理后得到图2。

　　从图2中可以看出，生物质型煤干燥过程中干燥速率曲线可分为3部分：升速阶段、恒速阶段和降速阶段；瞬时单位能耗也相应地分为3个阶段：下降阶段、恒定阶段和上升阶段。当干燥处于升速阶段时，热风掠过生物型煤表面，生物质型煤表面水分吸收来自热风的热量，导致表面水分温度不断上升，同时导致蒸发界面层内饱和蒸汽压力不断升高，最终使得蒸发界面层内饱和蒸气压与干燥介质蒸气压差不断升高，即干燥推动力不断提高，使得蒸发界面层内水分子在单位时间内穿过单位界面层面积扩散到干燥介质中的数目不断提高，即干燥速率越来越高。

　　然而，单位时间内向系统供给的能量不变，致使单位能耗随着干燥速率的提高而下降。当干燥至一定时间后，干燥速率进入恒速阶段，此时干燥速率处于恒定状态。由于外表面水分不断下降，导致生物质型煤内部产生由内向外湿度梯度，此时由湿度梯度产生的最大扩散速率大于外部表面蒸发速率，致使此阶段干燥速率主要由外部干燥条件控制。由于蒸发速率恒定，致使干燥能耗也处于恒定状态。随着干燥的进行，生物质型煤内部含水量在不断下降，湿度梯度开始下降，从而导致内部水分的最大扩散速率开始下降。当含水量低于某一值(临界含水率)时，干燥阶段开始进入降速阶段。在降速阶段中，生物质型煤干燥速率主要受内部水分扩散速率的影响。

　　由于此阶段内部含水率不断下降，导致扩散速率不断降低，蒸发速率下降，蒸发界面层转向内部。生物质型煤表面温度升高，出现了由外向内的温度梯度，导致水分的扩散进一步降低，蒸发速率下降，最终导致单位能耗迅速上升。

　　3.2干燥温度对瞬时单位能耗的影响

　　控制风速分别在0.4，0.8，1.2m/s时，考察在不同干燥温度(140，160，180℃)下，单位能耗的变化。

　　从图3中可以看出，当风速一定时，干燥温度越高，在升速阶段，生物质型煤的单位能耗下降越快；恒速阶段时，单位能耗随温度的升高而降低；降速阶段，干燥温度越高，单位能耗上升越快。

　　这主要是因为，在风速恒定时，干燥温度越高，干燥介质与生物质型煤间的传热系数越大，致使生物质型煤表面水分蒸气压快速升高，蒸发界面层内与干燥介质压力差升高，干燥速率加快，单位能耗降低；恒速阶段时，干燥温度越高，生物型煤表面水分蒸发越快，致使型煤内部形成由内向外的湿度梯度越大，可以满足表面水分的汽化，致使温度越高，干燥速率越快。最终导致单位能耗随温度的升高而降低。降速阶段时，随着水分的蒸发，生物质型煤内部湿度梯度不断减小，水分扩散速率降低。与此同时，由外向内的温度梯度增加，从而引起干燥速率的降低，最终导致单位能耗的快速升高。

　　3.3风速对瞬时单位能耗的影响

　　控制风温分别在140，160，180℃时，考察在不同风速(0.4，0.8，1.2m/s)下，单位能耗的变化，如图4所示。

　　从图4中可以看出，当干燥温度一定时，干燥风速对单位能耗的影响与干燥温度对其产生的影响有着相似的规律。干燥风速越高，在升速阶段，生物质型煤的单位能耗下降越快；恒速阶段时，单位能耗随风速的升高而降低，当风速超过0.8m/s后，单位能耗下降不明显；降速阶段时，干燥风速越高，单位能耗上升越快。在干燥温度恒定时，干燥风速越高，干燥介质与生物质型煤间的传质系数越大，致使生物质型煤表面水分蒸气压快速升高，蒸发界面层内与干燥介质压力差升高；同时，风速越高，蒸发边界内越薄，蒸发阻力越小，导致干燥速率加快，单位能耗降低；恒速阶段时，干燥风速越高，蒸发推动力越大，表面蒸发阻力越小，生物型煤表面水分蒸发越快，致使型煤内部形成由内向外的湿度梯度越大，型煤内部水分扩散速率越快，干燥速率越快，最终导致单位能耗随风速的升高而降低。降速阶段时，随着水分的蒸发，生物质型煤内部湿度梯度不断减小，水分扩散速率降低，与此同时，由于外部水分大量蒸发，导致表面出现干区，干区温度快速上升，产生由外向内的温度梯度增加，从而引起干燥速率的降低，最终导致单位能耗的快速升高。

　　4瞬时单位能耗预测模型

　　为了更好地了解生物型煤干燥过程中单位能耗的变化和预测，本文以前期对生物质型煤干燥特性研究过程中得到的数学模型为基础，建立瞬时单位能耗的预测模型。

　　干燥曲线数学模型^[8，16]：

　　从图5中可以看出，干燥温度160℃、风速0.8m/s时，瞬时单位能耗的实验值与预测值曲线几乎重合，经SPSS软件对其进行相关性检验，结果显示二者在0.01水平上显著相关；同时，经过t检验发现，t=0.781，Sig=0.436＞0.05，证明实验值与预测值没有显著性差异，说明该预测模型可以很好地对生物质型煤干燥的瞬时单位能耗进行预测和分析。

　　5结论

　　本文通过对生物型煤干燥的瞬时单位能耗进行分析，并通过干燥特性数学模型得到了其预测模型，通过实验值与预测值的对比分析，得出以下结论：

　　(1)生物质型煤干燥过程中瞬时单位能耗有着先降低，再恒定，然后上升的规律，其每阶段分别与干燥速率升速、恒速和降速阶段相对应。

　　(2)生物质型煤干燥过程中瞬时单位能耗随着干燥温度的提高，其在升速阶段降低越快；在恒速阶段其值越低；在降速阶段，其值上升越快。

　　(3)当干燥温度恒定时，瞬时单位能随着风速的提高，其值在升速阶段下降越快，在恒速阶段越低，但超过0.8m/s后，其值变化不明显；在降速阶段，其值上升越迅速。

　　(4)基于干燥特性数学模型——Sabbet方程，得到的生物质型煤瞬时单位能耗预测模型可以有效反应出生物质型煤在干燥过程中单位能耗的动态变化，可为生产和工艺改进提供指导。