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0、引  言
    流化床因具有熱質(zhì)傳遞效率高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于顆粒、粉體的干燥。然而在普通流化床干燥烘干機(jī)中，一方面為保證充分的流化，提供干燥所需熱量，必然要使用大量空氣；另一方面，為保證合理的干燥速度，空氣冷卻后溫度還很高就作為廢氣排放，因此，能耗較高，熱效率較低。
    相比之下，采用間接加熱干燥，即用適當(dāng)?shù)臒彷d體（如水蒸汽）通過管壁或器壁來加熱物料，主要依靠冷凝潛熱蒸發(fā)水分，大大提高了熱效率。但純粹的間接加熱有如下困難：(1)物料在熱表面上易粘結(jié)；(2)在物料不翻動(dòng)或翻動(dòng)較差的情況下，傳熱速率低。
    把普通流化床和純粹間接加熱兩種干燥方式結(jié)合起來，即在流化床中設(shè)置傳熱管，干燥所需熱量主要由傳熱管中的水蒸氣冷凝提供，而空氣僅起攜帶水分、維持床層顆粒良好流化的作用，進(jìn)口溫度不需很高。這樣構(gòu)成的組合加熱流化床干燥烘干機(jī)結(jié)合了流化床熱質(zhì)傳遞效率高和間接加熱熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，可以減少空氣用量，強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)，提高熱效率，降低能耗。
    流化床中傳熱管束與氣固混合相間傳熱的研究報(bào)道己不少見。C．Beeby針對(duì)過熱蒸汽干燥，研究了水平傳熱管束中單管與顆粒之間的傳熱。N.S．Grewal則主要對(duì)單管與氣固混合相間的傳熱系數(shù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。Ajay Mathu/3]、Tae-Young ChungE41等則對(duì)設(shè)置有水平換熱管束的高溫流化床反應(yīng)器中的傳熱進(jìn)行了研究。周勇等對(duì)設(shè)置水平電熱管束與床層間的傳熱進(jìn)行了研究。這些結(jié)果表明：操作氣速、床層溫度、顆粒直徑、氣體導(dǎo)熱系數(shù)等對(duì)傳熱系數(shù)有影響。但由于各研究者的研究條件及目的各不相同，得到的傳熱數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式彼此相差也較大，因此無法用于組合加熱流化床干燥烘干機(jī)的設(shè)計(jì)，富通新能源生產(chǎn)銷售顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)、鋸末木屑烘干機(jī)等生物質(zhì)燃料成型、木屑烘干機(jī)械設(shè)備。
    本文主要以組合加熱流化床干燥烘干機(jī)的工業(yè)應(yīng)用為目標(biāo)，為尋求合理的操作條件，對(duì)其傳熱及干燥特性進(jìn)行了研究。
1、實(shí)驗(yàn)流程及內(nèi)容
1.1實(shí)驗(yàn)流程
    實(shí)驗(yàn)流程見圖1。實(shí)驗(yàn)在設(shè)置有水平傳熱管束的臥式流化床中進(jìn)行，流化床截面尺寸為250 mm X1 000 mm，水平傳熱管束水平間距對(duì)管徑比Ph為3.0，垂直間距對(duì)管徑比P。為2.7。實(shí)驗(yàn)物料為食鹽，干燥能力1 000噸／年，為一中試裝置。空氣由鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)孔板流量計(jì)進(jìn)入流化床，使床層中顆粒保持良好流化狀態(tài)，并帶走物料中蒸發(fā)出來的水分；濕物料由螺旋加料機(jī)加入流化床，與水平傳熱管束進(jìn)行熱交換，管束中水蒸汽冷凝后經(jīng)疏水閥排出，濕物料干燥后排出流化床；管束中的水蒸汽由電熱鍋爐提供。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
    流化床干燥烘干機(jī)分布板以上50 mm和100 mm處沿水平方向分別設(shè)置了四個(gè)測(cè)溫點(diǎn)以及六個(gè)取樣點(diǎn)，用以測(cè)量床層中溫度和物料濕含量分布；流化床的空氣進(jìn)、出口也分別設(shè)置了測(cè)溫點(diǎn)，空氣的進(jìn)口濕度由干濕球溫度計(jì)測(cè)定；水蒸汽消耗由測(cè)定冷凝水量得到。根據(jù)得到的各測(cè)定值即可對(duì)該流化床進(jìn)行質(zhì)量、熱量衡算，并由此得到傳熱管與床層間的傳熱系數(shù)、流化床的熱效率、容積蒸發(fā)強(qiáng)度和截面蒸發(fā)強(qiáng)度。
1.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
    實(shí)驗(yàn)以食鹽為研究對(duì)象，考察了組合加熱臥式流化床中操作氣速、床層溫度及進(jìn)料濕含量對(duì)流化床中水平管束與氣固混合相間的傳熱系數(shù)及流化床熱效率的影響，同時(shí)測(cè)得了各操作條件下的容積蒸發(fā)強(qiáng)度和截面蒸發(fā)強(qiáng)度。
    實(shí)驗(yàn)中各操作條件變化范圍為：氣速uo:0.40~ 0.77 m/s、床層操作溫度T：50~ 60℃、進(jìn)口物料濕含量xo:0.017~ 0.076kg/kg。加料速度由螺旋加料機(jī)螺旋轉(zhuǎn)速控制，實(shí)驗(yàn)中加料速度G=150 kg/h，床層靜床高Ho= 250 mm，操作氣速的選取以能維持床層正常流化為標(biāo)準(zhǔn)，操作溫度和進(jìn)口物料濕含量以工業(yè)上食鹽的干燥條件為依據(jù)。
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1操作氣速的影響
    由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著操作氣速的增加，傳熱系數(shù)先增加后降低，其間有一個(gè)最大值。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生主要與床層中氣固混合相的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。操作氣速增加，床層中氣固相運(yùn)動(dòng)加劇，顆粒對(duì)管束表面的撞擊增強(qiáng)，表面顆粒更新加快，同時(shí)，管束上部被顆粒覆蓋的死區(qū)逐漸減小，因此傳熱系數(shù)增加；但隨著操作氣速的進(jìn)一步加大，床層湍動(dòng)加劇的同時(shí)，床層空隙率增加，氣泡變大、增多，包圍水平傳熱管束的氣泡數(shù)量增加，顆粒與管束表面碰撞幾率減小，因此傳熱系數(shù)達(dá)到一最大值后稍下降。
    對(duì)于熱效率，隨著操作氣速的增加，基本上呈單調(diào)下降（圖3）。這說明，由于氣量的增加，空氣帶走的熱量也隨之增加，熱效率降低。因此，在此類干燥烘干機(jī)的設(shè)計(jì)和操作中，在維持床層良好流化以及保證出口空氣帶濕后溫度適當(dāng)程度地高于露點(diǎn)溫度的前提下，應(yīng)選擇盡可能低的操作氣速，以使床層傳熱系數(shù)和熱效率都維持在一個(gè)較高水平。
2.2操作溫度的影響
    由圖2可以看出：床層操作溫度升高，傳熱系數(shù)也隨之增大。一般情況下，溫度高，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)大。眾多的研究結(jié)果表明，在相同條件下，氣體導(dǎo)熱系數(shù)是影響傳熱系數(shù)的最重要的因素，導(dǎo)熱系數(shù)大，傳熱系數(shù)也增大。因此，隨著操作溫度的提高，床層傳熱系數(shù)增大。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)也反應(yīng)了這一規(guī)律。
    隨著操作溫度增加，與傳熱系數(shù)的變化趨勢(shì)相反，熱效率降低（圖3）。這是因?yàn)榇矊訙囟雀撸�排氣溫度就高，空氣帶走的熱量也隨之增加；同時(shí)，由于床層溫度高，由器壁向周圍環(huán)境散失的熱量也多，因此熱效率降低。這一結(jié)果表明，在其它操作條件相同時(shí)，傳熱系數(shù)與熱效率是一對(duì)矛盾。因此，在干燥烘干機(jī)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理選擇操作溫度。在保證干燥過程順利進(jìn)行的前提下，應(yīng)適當(dāng)降低操作溫度，以提高熱效率，降低能耗。
2.3進(jìn)料濕含量的影響
    考慮到干燥操作中進(jìn)口物料的濕含量可能的變化范圍較寬，本實(shí)驗(yàn)也考察了不同的物料初始濕含量xo對(duì)傳熱及干燥的影響。結(jié)果表明：隨著x0的增加，傳熱系數(shù)和熱效率基本上呈線性增加（圖4、圖5)。進(jìn)口物料濕含量增加，床層平均濕度變大，一般說來，濕顆粒對(duì)壁給熱系數(shù)比干顆粒大，因此傳熱系數(shù)增加；同時(shí)，床層中熱負(fù)荷增加，蒸汽冷凝熱中用于蒸發(fā)水分的熱量變多，因此熱效率增加。
2.4關(guān)于床層中溫度和物料濕含量分布的討論
    對(duì)于所有實(shí)驗(yàn)，床層中除濕料進(jìn)口處溫度稍低外，其余各點(diǎn)溫度都較為接近（圖6）；而在物料濕含量分布圖上可以看出：濕料進(jìn)入床層后，濕含量迅速降低，整個(gè)床層中的濕含量均處于一個(gè)較低的水平，并接近出口物料濕含量。看來，在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)的食鹽處理量還未達(dá)到干燥烘干機(jī)最大能力，因此，整個(gè)床層溫度、濕含量分布均一。
    從所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，管束與床層間傳熱系數(shù)基本上在180~ 320 W/m2 K之間變化，與文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)相比偏低。這可能與文獻(xiàn)中大部分采用電熱管，而本實(shí)驗(yàn)以工業(yè)應(yīng)用為目標(biāo)采用蒸汽加熱有關(guān)。流化床熱效率在35%~75%之間變化，大部分在50%以上，明顯高于普通流化床熱效率(40%~50%)。容積蒸發(fā)強(qiáng)度與截面蒸發(fā)強(qiáng)度反映流化床的熱負(fù)荷及干燥能力。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，其最大值分別達(dá)到了169.1 kg/m3 h和43.3 kg/m2h，這表明該流化床在相同截面積和相同床層高度下具有較高的干燥強(qiáng)度。由此也可以看出，組合加熱臥式流化床干燥烘干機(jī)在各項(xiàng)指標(biāo)上均優(yōu)于普通流化床干燥烘干機(jī)。
    以上研究結(jié)果表明：組合加熱臥式流化床中操作氣速、床層溫度對(duì)傳熱及干燥均有較大影響。在設(shè)計(jì)和操作干燥烘干機(jī)時(shí)，充分考慮到這些影響因素，合理選擇各操作條件，對(duì)降低能耗是非常重要的。另一方面，該流化床熱質(zhì)傳遞效率高，蒸發(fā)強(qiáng)度高，濕料分散快，床層中平均濕含量低。因此，可以利用這些特點(diǎn)，將其應(yīng)用于一些高濕物料的干燥。這類物料在普通流化床中因濕度高易結(jié)塊造成操作困難。在組合加熱臥式流化床干燥烘干機(jī)中，只要進(jìn)入床層后能迅速分散，即可順利進(jìn)行干燥操作。在這方面，此類干燥烘干機(jī)有較廣的應(yīng)用前景。根據(jù)這一思想及上述研究結(jié)果設(shè)計(jì)的3 000 t/a高濕含量草甘膦干燥系統(tǒng)實(shí)測(cè)傳熱系數(shù)為163W／m2K，熱效率為60.8%，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的6 000 t/a高濕含量草甘膦干燥系統(tǒng)也己正常運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)傳熱系數(shù)為320 W/m2 K，熱效率達(dá)到74.6%，遠(yuǎn)高于普通流化床干燥烘干機(jī)，這也說明干燥烘干機(jī)操作條件的選擇是非常重要的。另外，進(jìn)入床層的空氣溫度及床層溫度均可維持在一個(gè)較低水平，干燥所需熱量基本上由傳熱管束中的熱載體提供，這一特點(diǎn)對(duì)一些熱敏性物料的干燥也是非常合適的。
3、結(jié)  論
    研究了組合加熱臥式流化床干燥烘干機(jī)中操作氣速、床層溫度和物料進(jìn)口濕含量對(duì)傳熱系數(shù)、熱效率和干燥過程的影響，得出：
    (1)隨著床層溫度升高，傳熱系數(shù)增加，而熱效率降低。
    (2)隨著操作氣速增大，傳熱系數(shù)先增大后降低，其間有一個(gè)最大值；熱效率則單調(diào)下降。
    (3)床層傳熱系數(shù)、熱效率基本上隨著進(jìn)口物料濕含量的增加呈線性增大。
    因此，合理選擇操作氣速和床層溫度，對(duì)于提高組合加熱臥式流化床干燥烘干機(jī)的熱效率，降低能耗是非常重要的。