秸秆移动蒸发前沿干燥模型及其实验研究

【摘要】： 随着全球经济的高速发展,能源已经成为制约经济发展的一大因素,化石能源的有限性迫使科学家们将研究的重点转移到新能源开发利用上来,而生物质能以其量大、无污染和可再生等优点引起了科研工作者的关注,近十年来生物质能应用技术研究在国内外得到了大力发展,农作物秸秆这类农业废弃物更是得到了史无前例的大规模利用,其中主要的利用方式就是把秸秆转化成其它气体、固体、液体燃料作为化石能源的替代物,目前这类转化技术已经非常成熟,但在应用技术向工程方向转换过程中却暴露出来一些关键问题和技术难题,这些新的问题将直接导致生物质能应用项目经济效益低下,在市场经济中表现出竞争力弱,难以生存,其中如何高效干燥农作物秸秆,选择合适的干燥工况等干燥方面的问题就是一个非常有价值的研究内容。国家十五863计划项目:“生物质气化发电优化系统及其示范工程”将本论文作为其子课题“农业废弃物流化床气化过程预处理技术研究”的一个重要内容开展研究。 本文首先建立了秸秆定温干燥过程的数学模型,即采用假想待干燥的含湿秸秆为球状颗粒,根据其干燥过程中含湿量的多少建立了分为湿区、蒸发区和干区的物理模型,建立了各个区间的流动方程、传热方程及传质方程。其中湿区含湿量保持恒定,主要为自由水分的毛细流动传质;蒸发区一方面是结合水分干燥,另一方面是自由水分以及部分结合水分蒸发产生的蒸汽的流动传质;干区含湿量基本保持恒定,该处的传质主要为蒸汽流动传质。 进行了四种农作物秸秆(玉米秸秆、玉米芯,棉花秸秆、小麦秸秆)的定温干燥实验研究,分析了不同干燥条件(如秸秆初含湿量、干燥温度、原料种类、干燥时间等)对干燥过程的影响情况,得出了最佳干燥工艺参数,并将秸秆定温干燥过程分为三个阶段进行回归分析,分别建立了不同阶段的回归方程。得出的主要结论为:无论干燥温度怎样变化,当取相同含湿量时,初含湿量越高,所需的干燥时间越长;无论秸秆初含湿量怎样变化,干燥温度为100℃时的干燥曲线斜率相对较大,所需的干燥时间相对较短,终态含湿量也较低,故干燥效果较好;干燥温度越高,秸秆终态含湿量越低,所需的干燥时间越短,干燥进行得越彻底;对于相同秸秆原料而言,当初含湿量一定时,随着干燥温度的升高,干燥时间减小;对于四种秸秆原料而言,不论干燥温度怎样变化,当干燥温度处于一定值时,玉米秸秆的干燥曲线斜率均最大,干燥效果最好;定温干燥过程可分为预热段、恒速干燥段和降速干燥段等三个阶段,其中预热段为抛物线方程,此时水分扩散速度远大于干燥速度;恒速干燥段为线性方程,此时水分扩散速度等于干燥速度;降速干燥段为幂曲线方程,此时水分扩散速度远小于干燥速度。 以定温干燥实验中每一次加入坩锅的物料为假想体元,根据假设和经验关系式分别对模型中相关参数进行计算。根据干燥速率的不同,将湿秸秆定温干燥过程划分为四个阶段:预热段、恒速干燥段、第一降速干燥段和第二降速干燥段,其中定义第一降速干燥段起始点为秸秆表面自由水分含量为18%,第二降速干燥段起始点为秸秆表面自由水分含量为0。在假想体元的基础上,根据秸秆表面自由水分含量的大小分别采用不同干燥区间模型进行数值计算,在预热段、恒速和第一降速段,生物质保存较高的含湿量,符合本文建立干燥模型的湿区特点,采用湿区方程模拟;在第二降速干燥段,采用干燥模型的蒸发区和干区方程进行模拟,此时蒸发前沿不断缩小以及结合水分的干燥是导致干燥速率进一步下降的主要原因。进行了同一初含湿量、不同干燥温度下和同一干燥温度、不同初含湿量下的计算值与实验值对比分析,结果表明二者吻合良好,说明本文建立的数学模型是正确的,进而为探求秸秆干燥的一般规律提供了理论和实验依据。 【关键词】：秸秆 定温干燥 初含湿量 干燥温度 传热传质
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：S38
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 1. 绪论12-15
• 1.1 物料干燥概述12
• 1.2 干燥理论研究现状12-14
• 1.3 课题提出的背景14
• 1.4 本论文的研究内容14-15
• 2. 干燥过程的数学模拟15-21
• 2.1 数学模型的建立15
• 2.2 数学模型方程及边界条件描述15-21
• 2.2.1 湿区描述15-17
• 2.2.2 蒸发区描述17-20
• 2.2.3 干区描述20
• 2.2.4 建立边界条件20-21
• 3. 农作物秸秆干燥实验21-44
• 3.1 实验目的与实验对象21
• 3.2 实验方法21
• 3.3 秸秆的定温干燥曲线分析21-33
• 3.3.1 不同初含湿量下的秸秆定温干燥曲线分析21-27
• 3.3.2 不同干燥温度时的秸秆定温干燥曲线分析27-32
• 3.3.3 不同秸秆物料的定温干燥曲线分析32-33
• 3.4 干燥温度对干燥时间的影响分析33-35
• 3.5 干燥时间对秸秆物料干燥速度的影响分析35-39
• 3.5.1 干燥时间对玉米秸秆干燥速度的影响分析35-36
• 3.5.2 干燥时间对玉米芯干燥速度的影响分析36-37
• 3.5.3 干燥时间对小麦秸秆干燥速度的影响分析37-38
• 3.5.4 干燥时间对棉花秸秆干燥速度的影响分析38-39
• 3.6 定温干燥过程的回归分析39-44
• 3.6.1 预热段回归分析39-41
• 3.6.2 恒速干燥段回归分析41-42
• 3.6.3 降速干燥段回归分析42-44
• 4. 模拟值与实验值的对比分析44-52
• 4.1 物理参数处理44-46
• 4.1.1 假想体元基本参数的理论处理44
• 4.1.2 有效导热系数44-45
• 4.1.3 等效定压比热容45
• 4.1.4 扩散系数45
• 4.1.5 对流传热、传质系数45
• 4.1.6 相对湿度（吸附平衡）45-46
• 4.1.7 饱和蒸气压力46
• 4.2 数学模型求解46-47
• 4.3 计算值与实验值对比分析47-52
• 4.3.1 同一初含湿量、不同干燥温度下的计算值与实验值对比分析47-50
• 4.3.2 同一干燥温度、不同初含湿量下的计算值与实验值对比分析50-52
• 5. 结论52-54
• 6. 创新内容54-55
• 参考文献55-59
• 致谢59

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