化工学报 ›› 2024, Vol. 75 ›› Issue (7): 2433-2445.DOI: 10.11949/0438-1157.20240212
收稿日期:
2024-02-27
修回日期:
2024-05-23
出版日期:
2024-07-25
发布日期:
2024-08-09
通讯作者:
江霞
作者简介:
张香港(1994—),男,博士研究生,672468678@qq.com
基金资助:
Xianggang ZHANG1(), Yulong CHANG2, Hualin WANG3, Xia JIANG2()
Received:
2024-02-27
Revised:
2024-05-23
Online:
2024-07-25
Published:
2024-08-09
Contact:
Xia JIANG
摘要:
自主研发并设计搭建了生物质非相变旋流干燥的小试和中试实验装置。小试实验结果表明,在最佳干燥条件下秸秆含水率可从68%降至15%左右,脱水效率可达70%以上,放大规模的实验在中试装置上进行了验证。仿真模拟研究揭示了旋流场内切向、径向和轴向速度对固液分离的影响。理论计算结果表明干燥过程脱除的水分中有64.81%以非相变液滴形式脱离,说明非相变在干燥过程中占主要地位。机理研究表明水分可从生物质孔道中分离,这是由于生物质在旋流场中发生自公转耦合运动,导致其表面形成孔道,使水分以微液滴形式脱除。此外还对玉米胚芽、酒糟、木屑等生物质进行了实验,均达到接近70%的脱水效率,证明了该技术对生物质种类的普适性。
中图分类号:
张香港, 常玉龙, 汪华林, 江霞. 废弃秸秆等生物质低能耗非相变秒级干燥[J]. 化工学报, 2024, 75(7): 2433-2445.
Xianggang ZHANG, Yulong CHANG, Hualin WANG, Xia JIANG. Low energy consumption non-phase change second drying of waste straw and other biomass[J]. CIESC Journal, 2024, 75(7): 2433-2445.
技术类型 | 干燥效率 | 能耗水平 | 时间 | 应用阶段 | 成熟度 | 热媒温度 |
---|---|---|---|---|---|---|
旋转鼓式干燥机 | 高 | 中等 | 短 | 工业规模 | 高 | 150~400℃ |
流化床干燥机 | 中等 | 低 | 中等 | 工业/小规模 | 中等 | 100~200℃ |
喷雾干燥机 | 高 | 高 | 短 | 工业规模 | 高 | 200~300℃ |
微波干燥机 | 高 | 中等 | 短 | 实验室规模 | 中等 | 50~150℃ |
真空干燥机 | 中等 | 中等 | 长 | 实验室/小规模 | 中等 | 50~100℃ |
红外干燥机 | 中等 | 低 | 短至中等 | 小规模 | 中等 | 100~200℃ |
表1 常见的热干化技术对比分析[18]
Table 1 Comparative analysis of common sludge thermal drying technologies[18]
技术类型 | 干燥效率 | 能耗水平 | 时间 | 应用阶段 | 成熟度 | 热媒温度 |
---|---|---|---|---|---|---|
旋转鼓式干燥机 | 高 | 中等 | 短 | 工业规模 | 高 | 150~400℃ |
流化床干燥机 | 中等 | 低 | 中等 | 工业/小规模 | 中等 | 100~200℃ |
喷雾干燥机 | 高 | 高 | 短 | 工业规模 | 高 | 200~300℃ |
微波干燥机 | 高 | 中等 | 短 | 实验室规模 | 中等 | 50~150℃ |
真空干燥机 | 中等 | 中等 | 长 | 实验室/小规模 | 中等 | 50~100℃ |
红外干燥机 | 中等 | 低 | 短至中等 | 小规模 | 中等 | 100~200℃ |
实验仪器 | 型 号 | 生产公司 |
---|---|---|
鼓风干燥箱 | DHG-9145A | 上海泰坦科技股份有限公司 |
分析天平 | BSA124S | 德国赛多利斯公司 |
扫描电镜 | HITACHI SU5000+ | 日本日立公司 |
超声仪 | KH800KDE | 昆山禾创超声仪器有限公司 |
水浴锅 | DF-101S | 北京科伟永兴仪器有限公司 |
表2 实验中的主要仪器与设备
Table 2 Main instruments and equipment of experiment
实验仪器 | 型 号 | 生产公司 |
---|---|---|
鼓风干燥箱 | DHG-9145A | 上海泰坦科技股份有限公司 |
分析天平 | BSA124S | 德国赛多利斯公司 |
扫描电镜 | HITACHI SU5000+ | 日本日立公司 |
超声仪 | KH800KDE | 昆山禾创超声仪器有限公司 |
水浴锅 | DF-101S | 北京科伟永兴仪器有限公司 |
图3 (a) 模型网格图;(b) 不同网格密度条件下旋流器柱锥连接面上一条直径上的切向速度对比
Fig.3 (a) Grid of model; (b) Comparison of tangential velocity distribution along a diameter in cylinder and cone connection surface at different mesh density
生物质名称 | 初始含水率/% | 密度/(kg/m3) | 粒径/mm | 脱水效率/% |
---|---|---|---|---|
酒糟 | 67.8 | 650 | 0.5~1.0 | 69.4 |
木屑 | 55.3 | 200 | 1.0~2.5 | 70.2 |
玉米胚芽 | 60.0 | 300 | 1.0~3.0 | 68.7 |
市政污泥 | 80.0 | 1000 | 0.1~5.0 | 63.8 |
表3 不同类型生物质的物理特性以及干燥效果
Table 3 Physical properties and drying effects of different types of biomass
生物质名称 | 初始含水率/% | 密度/(kg/m3) | 粒径/mm | 脱水效率/% |
---|---|---|---|---|
酒糟 | 67.8 | 650 | 0.5~1.0 | 69.4 |
木屑 | 55.3 | 200 | 1.0~2.5 | 70.2 |
玉米胚芽 | 60.0 | 300 | 1.0~3.0 | 68.7 |
市政污泥 | 80.0 | 1000 | 0.1~5.0 | 63.8 |
图8 不同高度下CFD模拟30~60 m3/h气量范围流体速度分布曲线
Fig.8 CFD simulation of fluid velocity distribution curves in gas volume range of 30—60 m3/h at different altitudes
参数 | 数值 |
---|---|
处理量,G/(kg/h) | 84 |
初始含水率,n1/% | 68 |
剩余含水率,n2/% | 19.11(40 s) |
环境空气温度,T0/℃ | 25 |
入口载气温度,T1/℃ | 90 |
出口载气温度,T2/℃ | 40 |
初始物料温度,Tm1/℃ | 25 |
干燥后物料温度,Tm2/℃ | 35 |
气量,Q/(m³/h) | 1300 |
表4 非相变水分比例计算基本参数
Table 4 Basic parameters for calculating proportion of non-phase change moisture
参数 | 数值 |
---|---|
处理量,G/(kg/h) | 84 |
初始含水率,n1/% | 68 |
剩余含水率,n2/% | 19.11(40 s) |
环境空气温度,T0/℃ | 25 |
入口载气温度,T1/℃ | 90 |
出口载气温度,T2/℃ | 40 |
初始物料温度,Tm1/℃ | 25 |
干燥后物料温度,Tm2/℃ | 35 |
气量,Q/(m³/h) | 1300 |
项目 | 非相变旋流 干燥装置 | 管束式干燥装置 |
---|---|---|
能耗 | 65.96 kW·h/t | 耗电:26.37 kW·h/t; 耗汽:1.118 t/t |
成本 | 36.28 CNY/t | 226.61 CNY/t |
装置占地面积 | 约24 m2 | 约3600 m2 |
表5 两种干燥技术成本对比
Table 5 Cost comparison of two drying technologies
项目 | 非相变旋流 干燥装置 | 管束式干燥装置 |
---|---|---|
能耗 | 65.96 kW·h/t | 耗电:26.37 kW·h/t; 耗汽:1.118 t/t |
成本 | 36.28 CNY/t | 226.61 CNY/t |
装置占地面积 | 约24 m2 | 约3600 m2 |
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