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李建1，付曉恒1，李軍1，張玉靜1，石應杰2
(1.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京100083；2.中國環境科學研究院大氣污染控制研究中心，北京100012)
摘要：通過在不同干燥溫度(140，160，180℃)、不同風速(0.4，0.8，1.2m/s)下對生物型煤進行了干燥特性實驗，并對其瞬時單位能耗進行了計算和分析，結果表明：生物質型煤干燥過程中，單位能耗曲線分為3個階段：下降階段、恒定階段和上升階段；當干燥速率處在升速階段時，單位能耗隨干燥溫度和風速的提高下降迅速；當干燥速率處在恒速階段時，單位能耗隨干燥溫度和風速的提高而降低；當干燥速率處在降速階段時，單位能耗隨干燥溫度和風速的提高而快速上升。基于干燥特性數學模型——Sabbet方程，得到了生物質型煤干燥時瞬時單位能耗的預測模型，其可以有效地反映出生物質型煤在干燥過程中單位能耗瞬態變化，為生產和工藝改進提供指導。
生物質型煤是將一定量的生物質與煤混合，并利用其纖維素、半纖維素和木質素等成分在加熱或水解后具有的粘結作用或外加粘結劑，在一定壓力下成型，干燥后制成的。其具有燃點低、燃燒充分、污染物排放少等優點[1-3]。據報道，生物質型煤總節煤率可達20%~24%，脫硫率高于65%[4-6]。在生物質型煤的生產工藝中，干燥是保證其充分燃燒和高效運輸的重要階段。同時干燥階段產生的能耗也是生物質型煤生產中主要成本消耗之一[7-8]。據有關資料顯示，在工業生產中，英國、法國、瑞典的各行業干燥能耗大約占全部工業能耗的8%，其中部分行業的干燥能耗甚至占到生產總能耗的35%，而我國干燥行業能耗占全部行業能耗的12%左右，并且這個數字在不斷地增大[9]。據報道，世界干燥工業的能源消耗分別占美國、加拿大、法國與英國總能耗和丹麥與德國總能耗的10%~15%和20%~25%[10]。相比而言，我國的能源消耗僅次于美國，已跨入能源消費國的前列。因此，為緩解能源緊張局面，降低干燥能耗顯得越來越重要。
目前為止，大部分研究只是針對平均干燥能耗和總能耗[11-13]，而缺乏對干燥過程中瞬時能耗的研究。為對生物質型煤干燥進行節能降耗，有必要對其干燥特性和單位能耗進行瞬態分析。此前，本課題組已對生物質型煤的干燥特性及干燥模型進行了研究[8]，本文主要對其單位能耗進行瞬態分析并建立相應的預測模型，以便更好地對其生產工藝的改進進行指導。
1實驗材料與方法
1.1實驗材料
實驗對象為天津市炭金能源技術有限公司生產的燒烤用生物質型煤，干基含水質量分數為40%。干燥時，為保證每組實驗蒸發水分的質量相同，每組實驗按同樣的擺放層次(2層)擺放相同個數(底層為16個，頂層為14個)煤球，使實驗中生物質型煤初始質量保持在1kg左右。
1.2實驗設備及方法
1.2.1實驗裝置
考慮到在實際生產中，大多數干燥工藝的基本原理都與熱風干燥相似，因此在設計本實驗裝置時，采用熱風作為干燥介質。根據實驗需要，本實驗自主設計安裝了一套干燥實驗裝置，如圖1所示。
1.2.2實驗儀器
鼓風機：2HR490-7AH16，廣州市威爾瑪機電有限公司生產；風壓風速儀：HD2134P.0，意大利DeltaOHM公司生產；稱重傳感器：HYLY~012，蚌埠恒遠傳感器科技有限公司生產；溫濕度測定儀：HD2301.0，意大利DeltaOHM公司生產。
1.3實驗方法
實際生產中，生物質型煤的干燥溫度為120~190℃，因此本實驗設定干燥溫度為：140，160，180℃；考慮系統穩定性，設定風速為0.4，0.8，1.2m/s。具體試驗方法如下：通過調節鼓風機的轉速控制風量，并用風壓風速儀測量風速，使風速達到預設值，并以此計算出干燥箱中風速；在干燥箱內采用熱電偶測量熱風溫度并由溫度控制器控制；待工況穩定后，迅速將擺放好的生物質型煤放入干燥箱中，由稱重傳感器實時監測生物質型煤的質量變化，并通過M400數據采集管理軟件收集和分析數據；利用溫濕度測定儀和風速風壓儀分別測出在排風口的氣體溫度和風速。
2實驗指標
2.1干燥速率
干燥速率定義為在單位時間內每單位接觸面積(物料和干燥介質的接觸面積)下物料中水分氣化的質量。而物料與干燥介質的接觸面積有時不易確定，此時可用干燥強度代替干燥速率，其定義為物料干基濕含量隨時間的變化率，通常用Nt表示[14]。計算公式如下：
3實驗結果與分析
3.1單位能耗與干燥特性的動態分析
采用熱風溫度160℃、風速0.8m/s，將1kg生物質型煤干燥至質量不再減輕為止，通過M400軟件采集數據，經處理后得到圖2。
從圖2中可以看出，生物質型煤干燥過程中干燥速率曲線可分為3部分：升速階段、恒速階段和降速階段；瞬時單位能耗也相應地分為3個階段：下降階段、恒定階段和上升階段。當干燥處于升速階段時，熱風掠過生物型煤表面，生物質型煤表面水分吸收來自熱風的熱量，導致表面水分溫度不斷上升，同時導致蒸發界面層內飽和蒸汽壓力不斷升高，最終使得蒸發界面層內飽和蒸氣壓與干燥介質蒸氣壓差不斷升高，即干燥推動力不斷提高，使得蒸發界面層內水分子在單位時間內穿過單位界面層面積擴散到干燥介質中的數目不斷提高，即干燥速率越來越高。
然而，單位時間內向系統供給的能量不變，致使單位能耗隨著干燥速率的提高而下降。當干燥至一定時間后，干燥速率進入恒速階段，此時干燥速率處于恒定狀態。由于外表面水分不斷下降，導致生物質型煤內部產生由內向外濕度梯度，此時由濕度梯度產生的最大擴散速率大于外部表面蒸發速率，致使此階段干燥速率主要由外部干燥條件控制。由于蒸發速率恒定，致使干燥能耗也處于恒定狀態。隨著干燥的進行，生物質型煤內部含水量在不斷下降，濕度梯度開始下降，從而導致內部水分的最大擴散速率開始下降。當含水量低于某一值(臨界含水率)時，干燥階段開始進入降速階段。在降速階段中，生物質型煤干燥速率主要受內部水分擴散速率的影響。
由于此階段內部含水率不斷下降，導致擴散速率不斷降低，蒸發速率下降，蒸發界面層轉向內部。生物質型煤表面溫度升高，出現了由外向內的溫度梯度，導致水分的擴散進一步降低，蒸發速率下降，最終導致單位能耗迅速上升。
3.2干燥溫度對瞬時單位能耗的影響
控制風速分別在0.4，0.8，1.2m/s時，考察在不同干燥溫度(140，160，180℃)下，單位能耗的變化。
從圖3中可以看出，當風速一定時，干燥溫度越高，在升速階段，生物質型煤的單位能耗下降越快；恒速階段時，單位能耗隨溫度的升高而降低；降速階段，干燥溫度越高，單位能耗上升越快。
這主要是因為，在風速恒定時，干燥溫度越高，干燥介質與生物質型煤間的傳熱系數越大，致使生物質型煤表面水分蒸氣壓快速升高，蒸發界面層內與干燥介質壓力差升高，干燥速率加快，單位能耗降低；恒速階段時，干燥溫度越高，生物型煤表面水分蒸發越快，致使型煤內部形成由內向外的濕度梯度越大，可以滿足表面水分的汽化，致使溫度越高，干燥速率越快。最終導致單位能耗隨溫度的升高而降低。降速階段時，隨著水分的蒸發，生物質型煤內部濕度梯度不斷減小，水分擴散速率降低。與此同時，由外向內的溫度梯度增加，從而引起干燥速率的降低，最終導致單位能耗的快速升高。
3.3風速對瞬時單位能耗的影響
控制風溫分別在140，160，180℃時，考察在不同風速(0.4，0.8，1.2m/s)下，單位能耗的變化，如圖4所示。
從圖4中可以看出，當干燥溫度一定時，干燥風速對單位能耗的影響與干燥溫度對其產生的影響有著相似的規律。干燥風速越高，在升速階段，生物質型煤的單位能耗下降越快；恒速階段時，單位能耗隨風速的升高而降低，當風速超過0.8m/s后，單位能耗下降不明顯；降速階段時，干燥風速越高，單位能耗上升越快。在干燥溫度恒定時，干燥風速越高，干燥介質與生物質型煤間的傳質系數越大，致使生物質型煤表面水分蒸氣壓快速升高，蒸發界面層內與干燥介質壓力差升高；同時，風速越高，蒸發邊界內越薄，蒸發阻力越小，導致干燥速率加快，單位能耗降低；恒速階段時，干燥風速越高，蒸發推動力越大，表面蒸發阻力越小，生物型煤表面水分蒸發越快，致使型煤內部形成由內向外的濕度梯度越大，型煤內部水分擴散速率越快，干燥速率越快，最終導致單位能耗隨風速的升高而降低。降速階段時，隨著水分的蒸發，生物質型煤內部濕度梯度不斷減小，水分擴散速率降低，與此同時，由于外部水分大量蒸發，導致表面出現干區，干區溫度快速上升，產生由外向內的溫度梯度增加，從而引起干燥速率的降低，最終導致單位能耗的快速升高。
4瞬時單位能耗預測模型
為了更好地了解生物型煤干燥過程中單位能耗的變化和預測，本文以前期對生物質型煤干燥特性研究過程中得到的數學模型為基礎，建立瞬時單位能耗的預測模型。
干燥曲線數學模型[8，16]：
從圖5中可以看出，干燥溫度160℃、風速0.8m/s時，瞬時單位能耗的實驗值與預測值曲線幾乎重合，經SPSS軟件對其進行相關性檢驗，結果顯示二者在0.01水平上顯著相關；同時，經過t檢驗發現，t=0.781，Sig=0.436＞0.05，證明實驗值與預測值沒有顯著性差異，說明該預測模型可以很好地對生物質型煤干燥的瞬時單位能耗進行預測和分析。
5結論
本文通過對生物型煤干燥的瞬時單位能耗進行分析，并通過干燥特性數學模型得到了其預測模型，通過實驗值與預測值的對比分析，得出以下結論：
(1)生物質型煤干燥過程中瞬時單位能耗有著先降低，再恒定，然后上升的規律，其每階段分別與干燥速率升速、恒速和降速階段相對應。
(2)生物質型煤干燥過程中瞬時單位能耗隨著干燥溫度的提高，其在升速階段降低越快；在恒速階段其值越低；在降速階段，其值上升越快。
(3)當干燥溫度恒定時，瞬時單位能隨著風速的提高，其值在升速階段下降越快，在恒速階段越低，但超過0.8m/s后，其值變化不明顯；在降速階段，其值上升越迅速。
(4)基于干燥特性數學模型——Sabbet方程，得到的生物質型煤瞬時單位能耗預測模型可以有效反應出生物質型煤在干燥過程中單位能耗的動態變化，可為生產和工藝改進提供指導。
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