PDF《生物质粉料双套管气流式烘干机的设计与试验》

第27 卷第6期农业工程学报Vol.

27 No.6

2011 年6月Transactions of the CSAE Jun.

2011 123 生物质粉料双套管气流式烘干机的设计与试验 焦有宙,潘晓慧,杨群发,刘圣勇,张全国 (河南农业大学机电工程学院,郑州 450002) 摘要:为了有效解决生物质压缩成型中的粉料烘干问题,采用双套管结构延长粉料在高温套管中的停留时间和干燥流 程,对生物质粉料双套管气流式烘干机的主体部分(干燥管)和辅助设备(旋风分离器、引风机、热风炉)分别进行了 参数设计计算和设备选型,并以玉米秸秆粉料为干燥对象,在样机上进行了热平衡和物料平衡试验.试验结果表明,生 物质粉料双套管气流式烘干机的输入总热、输出总热、水分蒸发量、物料湿度等性能参数均达到了设计要求,出料湿度 达到 8%~12%,烘干效率达 28.1%,符合国家关于烘干机的标准要求,适用于生物质压缩成型粉料的烘干. 关键词:生物质,粉料,设计,双套管,气流式,烘干机 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2011.06.022 中图分类号:S226.6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2011)-06-0123-05 焦有宙,潘晓慧,杨群发,等. 生物质粉料双套管气流式烘干机的设计与试验[J]. 农业工程学报,2011,27(6):123 -127. Jiao Youzhou, Pan Xiaohui, Yang Qunfa, et a1. Design and experimental of double-tube airflow drier for biomass powder drying[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(6): 123-127. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 生物质粉料的烘干是生物质压缩成型过程中的必要 步骤,其烘干效果直接影响生物质粉料成型压块的质量. 目前,用于生物质粉料干燥的烘干机主要有气流式烘干 机、回转圆筒式烘干机和流化床式烘干机等[1] .气流式烘 干机相较于其他几种机型,具有干燥强度大、处理量大、 干燥速度快、连续性强、结构简单、制造方便和适应性 强等优点,适用于秸秆压块燃料、木炭机械燃料、木屑 颗粒燃料、锯末压块燃料等的干燥过程[2] .常用的气流 式烘干机有直管气流式烘干机、套管气流式烘干机和脉 冲管气流式烘干机等.直管气流式烘干机结构简单实用, 但由于设备本身的高度较高,气固两相的相对速度随设 备高度的增加而逐渐降低,从而导致设备热利用效率较 低[3] ;

脉冲管式烘干机由于管径的变化使气体流速不断变 化,使气固两相的相对速度增加、传热面增加,从而提 高换热效率,但管壁热损失较大[4] ;

套管气流式烘干机可 避免内管热损失,提高了热效率,并适当地降低了干燥 管高度[5-6] .为了进一步减少干燥管热损失,提高换热效 率,并适当降低干燥管高度,本研究对烘干机的干燥管 进行了创新设计,采用双套管结构延长粉料在高温套管 中的停留时间和物料干燥流程,对生物质粉料双套管气 流式烘干机主体和辅助设备进行了设计计算,并对样机 收稿日期:2010-12-28 修订日期:2011-05-19 基金项目:河南省科技厅科技攻关项目(编号 092102310349) 作者简介:焦有宙(1973-) ,男,河南博爱人,副教授,主要从事可再生 能源技术及煤清洁燃烧研究.郑州 河南农业大学机电工程学院,450002. 通信作者:张全国(1958-) ,男,河南郑州人,教授,博士,博士生导 师. 主要从事可再生能源转换技术研究. 郑州 河南农业大学机电工程学院, 450002.Email: [email protected] 开展了性能测试和分析.

1 生物质粉料双套管气流式烘干机的工作原理及 基本结构 1.1 工作原理 生物质粉料双套管气流式烘干机运行时,首先热风 炉中的燃料燃烧产生高温烟气,高温烟气与外界空气混 合到某一温度后直接进入干燥管.与此同时粉料通过漏 斗型进料口的振动筛过滤掉大尺寸的木料、杂物等后也 进入干燥管内.在干燥管内,粉料首先和热烟气混合后 通过一段粗管,在粗管中气固既混合均匀,又达到预热 物料的目的,同时也有少量湿分汽化.之后,在风机的 作用下粉料和烟气的混合物通过 4~6 个二级套管,经历 表面汽化阶段和升温阶段.在整个干燥管中,粉料干燥 过程大致经历

3 个过程,即预热阶段、表面汽化阶段和 升温阶段.在整个干燥过程中,粉料在套管内得到充分 换热,气体吸收粉料中的水分,使粉料含湿量降低,最 终达到干燥的目的.由于采用的是套管结构,降低了立 管高度,粉料的干燥时间和干燥流程较长,烘干效率也 较高.最后气固混合物通过旋风分离器将干粉料分离出 来,烟气从上面排出. 1.2 基本结构 生物质粉料双套管气流式烘干机主要包括热风炉、 进料口、干燥管、风机、旋风分离器等,图1为其基本 结构示意图.

2 生物质粉料双套管气流式烘干机的设计计算 2.1 干燥管的设计计算 生物质粉料双套管气流式烘干机的主体部分为干燥 管.干燥管的直径、套管间距、套管高度、弯管小圆半 农业工程学报

2011 年124 1.炉门 2.出灰门 3.料斗 4.筛子 5.空大筒 6.双筒 7.斜板 8.引风机 9.出料口 图1生物质粉料双套管气流式烘干机基本结构示意图 Fig.1 Structural diagram of double-tube airflow drier for biomass powder drying 径和减速预热管高度等参数,直接关系着粉料及干燥介 质的温度的升降、焓值的变化、湿度的变化、散热损失 及物料升温损失等,从而直接影响粉料的烘干效率. 2.1.1 干燥管直径的计算 本设计选取的风机风量为 V=6

650 m3 /h. 双套管干燥 管粗管直径为 D, mm. 双套管干燥管细管直径为 d, mm. 双套管干燥管粗管、细管直径计算公式分别为

1 4 =1000

3 600 π V D v (1)

2 4 =1000

3 600 π V d v (2) 式中,v1 为粗管内的平均流速,m/s;

v2 为细管内的平均 流速,m/s;

如果取气流在细管内的平均流速为最大颗粒 沉降速度的 3.5 倍, 气流在粗管内的平均流速为最大颗粒 沉降速度的 1.1 倍,则v

1、v2 的计算公式[7] 分别为

1 max max max =3.5 3.5Re / a a v U d ? ? ? ? (3)

2 max max max =1.1 1.1Re / a a v U d ? ? ? ? (4) 式中,Umax 为最大沉降速度,m/s;

Remax 为雷诺数;

ρ a 为烟气的密度,kg/m3 ;

μ a 为动力黏度,Pa/m-1 ;

dmax 颗粒 最大直径,mm.取Remax=510,dmax=3 m,μ a =2.62* 10-5 Pa/m-1 ,ρ a=0.72 kg/m3 . 计算得出 D=588 mm,d=327 mm,v1=22 m/s,v2=6.8 m/s.为方便制造,取D=600 mm,d=320 mm. 2.1.2 干燥管其他尺寸的计算 图2为干燥管结构示意图.设定减速预热管的高度 为套管高度 H 的一半,单位为 mm,弯管小圆半径为

320 mm,套管间距

400 mm.干燥管总容积为 V 可用公 式(5)表示. a m V Q h t ? ? (5) 式中,Q 为干燥用热量总消耗量,kJ/h;

ha 为干燥管内热 容量系数,KJ/h・ ℃・ m3 ;

Δtm 为干燥管入口处与干燥管出 口的对数平均温差,℃. 粉料的入口温度为 tm1,℃,粉料的出口温度为 tm2, ℃,空气的入口温度为 t1,℃,空气的出口温度为 t2,℃. 取tm1=27℃,tm2=120℃,t1=280℃,t2=150℃.计算 可得Δtm=104.59℃.为安全起见,假定干燥管内热容量 系数为 ha=600 KJ/h・ ℃・ m3 ;

根据表

2 中的数据,对干燥 管进行热量平衡, 可得干燥用热量总消耗量 Q=235 266.37 kJ/h,将以上所得数据代入公式(5)中,可得干燥管总 容积 V=3.75 m3 . 图2干燥管结构示意图 Fig.2 Structural diagram of dry pipe 在暂不考虑套管内管壁体积的情况下,由图 2,可得 干燥管总容积可用公式(6)表示.

2 2

2 0.48 5.5 4.5 0.8

4 4

4 D H d d V ? ??? ? ? ? ? ? ? ? (6) 根据已知数据以及公式(6) ,可得套管的高度 H, H=2.02 m,圆整后 H=2

000 mm.干燥管各尺寸如图

2 所示. 2.2 生物质粉料双套管气流式烘干机辅助设备的设计 计算 2.2.1 旋风分离器的设计计算 1)旋风分离器尺寸计算 图3为旋风分离器的结构示意图.由表

1、图3以及 公式(2) ,旋风分离器的入口面积可按公式(7)计算. 注:D'

为圆柱体直径圆柱体高度;

l2 为圆锥体高度;

l1 为圆柱体高度;

b 为 进口宽度;

a 为进口高度;

d 为排气管直径;

l'

为排气管插入深度;

d'

为出料 管直径 图3旋风分离器的结构示意图 Fig.3 Structural diagram of cyclone separator

1 0.4 0.2

3 600 S a b D D V v ? ? ? ? ? ? ? (7) 将V=6

650 m3 /h,v1=23 m/s 代入公式(7) ,可得圆 柱体直径 D'

≈1

000 mm.采用表

1 给出的标准型切线入 口的尺寸关系,筒体直径 D'

按手册规定的旋风分离器的 圆柱筒体直径选取[8-9] ,取D'

=1

000 mm.旋风分离器的 其他尺寸如图

3 所注. 第6期焦有宙等:生物质粉料双套管气流式烘干机的设计与试验

125 表1标准型切线入口尺寸关系与数据 Table

1 Relationships and data of standard tangent inlet mm 名称 D'

l1 l2 b a d l'

d'

比例 D'

1.5D'

0.5D'

0.2D'

0.4D'

0.5D'

0.5D'

0.3D'

数值

10 00

1 500

500 200

400 500

500 300 2)旋风分离器压强计算 旋风分离器的压降由气体在进出口处的膨胀和收缩 损失、方向改变和磨擦阻力压强损失等组成[10] .旋风分 离器的压降可按下式计算

1 2 n j H p C v N ? ? ? (8) 式中,Cj 为入口形式阻力系数,根据入口形式阻力系数 表进行选择,取1;

v 为入口速度,m/s,其幂指数 n 在1.5~2 之间变化,一般取 2;

ρ为气体密度,kg/m3 ;

NH 为进口速度且数值可以用 NH=11.3f1

2 f2

2 /f3

4 +3.33 来计算, 其中, f1 为旋风分离器的进口高度系数, 其值为 0.4~0.75;

f2 为旋风分离器的宽度系数,其值为 0.2~0.25;

f3 为旋风 分离器的排出管直径系数,其值为 0.3~0.5[11] .对于切线 入口,Cj,n,NH 选取合适的值,则可将公式(8)简化 为公式(9) .

2 1 1.2 p v ? ? ? (9) 将ρ=1.29 kg/m3 , v1=23m/s 代入公式(9) 可得?p=818.89 Pa,假定旋风分离器出口压强与外界大气压相 同,则旋风分离器入口出表压 P2=?p=818.89 Pa. 2.2.2 引风机的设计计算与选择 1)引风机的风量设计计算 由于面公式已经估算出引风机的风量,则取引风机 的风量 V=3 843.39 m3 /h. 2)引风机的压强设计计算 由于管道较光滑,可忽略........