生物質(zhì)顆粒為燃料的百合烘干裝置傳熱計算與試驗

王順國

（龍山順天生物質(zhì)能源開發(fā)有限公司, 湖南 龍山416800）

隨著2015 年1 月1 日新《環(huán)境保護法》頒布和實施，各地方政府對污染物排放的控制越來越嚴(yán)格，在小型鍋爐等應(yīng)用領(lǐng)域，正逐步以生物質(zhì)替代燃煤，龍山縣為百合主要產(chǎn)地，以往百合烘干主要采用煤為燃料，正逐步改用生物質(zhì)為燃料，為滿足這一發(fā)展要求，我公司為縣內(nèi)一個別百合加工戶設(shè)計制作百合干燥裝置，按傳熱進行理論分析計算設(shè)計制作，經(jīng)生產(chǎn)試驗驗證。

1 百合烘干裝置

百合烘干裝置主要由熱風(fēng)爐和干房兩部分組成，組成原理圖如圖1 所示。在熱風(fēng)爐內(nèi)生物質(zhì)顆粒燃燒所產(chǎn)生的熱氣對干燥用的潔凈空氣進行加熱，加熱后的潔凈空氣經(jīng)引風(fēng)機從烘干房前端底部引入烘干房內(nèi)，在干燥房內(nèi)和生百合進行熱交換，再從烘干房后端頂部引出，生百合經(jīng)蒸煮后瀝干表面所帶水分，用傳動裝置從烘干房前端頂部輸入烘干房內(nèi)，烘干房內(nèi)設(shè)置多層鏈傳動機構(gòu)，生百合在最上層從烘干房的前端傳到烘干房的后端，第二層從后端再傳到前端，經(jīng)幾層傳動后，從烘干房后端底部輸出，再經(jīng)包裝儲存。

2 傳熱分析計算

2.1 干燥所需熱量計算

根據(jù)百合干燥實驗及生產(chǎn)實踐，可知3kg 生百合經(jīng)干燥處理可得1kg 干百合。本計算按每小時生產(chǎn)100kg干百合作為計算依據(jù)，需要300kg 生百合，去除水量為200kg。百合在干燥前先要在100℃水中進行蒸煮，蒸煮后撈起送入烘干房前不會完全瀝干，百合表面還粘有水分，300kg 百合沾水一般為30kg 左右，設(shè)計計算按30kg 計算，所以干燥100kg 干百合總的去水量為230kg。龍山地區(qū)百合干燥加工時間一般為7－9 月，百合在進烘干爐前先要在100℃水中進行蒸煮，撈起瀝干馬上送入烘干房，根據(jù)實際生產(chǎn)可知，生百合進入烘干房時的溫度為50℃。百合干燥過程是將生百合中所含水分蒸發(fā)去除的過程，此物理過程精確計算很困難，在本計算中，為簡化計算，先作兩個假定，第一是將百合干燥過程中水分蒸發(fā)過程簡化為水的蒸發(fā)過程，第二將水的蒸發(fā)溫度設(shè)定為100℃。龍山地區(qū)百合干燥時間一般為7－9 月，百合在進烘干爐前先要進行蒸煮，根據(jù)實際生產(chǎn)可知，生百合進入烘干爐時的溫度為50℃。根據(jù)傳熱學(xué)可知水蒸發(fā)所需熱量的計算公式為：

式中M-為蒸發(fā)水量（kg），▽t 為溫差，Cp 為水的比熱容，q 為水的汽化潛熱。

查閱資料可得在100℃時水的汽化潛熱q 為2257.2kj/kg,水的比熱Cp 為4.2kj/kg℃，綜上所述可知生產(chǎn)100kg 干百合所需要的熱量Q吸為：

2.2 干燥所需潔凈熱空氣熱量及空氣量計算

百合在干燥房內(nèi)干燥所需熱量由從熱風(fēng)爐內(nèi)出來的潔凈熱空氣釋放，釋放的熱量大部分用于加熱百合去除水分，少部分散失，利用效率一般為80-90%，本計算中假定花熱效率為85%，即η3=0.85，從上計算可知生產(chǎn)100kg 干百合所需要的熱量Q吸為567456kj，那么熱空氣所需要釋放出的熱量Q放為：

根據(jù)傳熱學(xué)，空氣放熱的計算公式為：

查閱比熱容可知，在25-110℃時空氣的比熱容可為1.003-1.006kj/kg℃，變化不大，計算時去1.006，根據(jù)百合干燥實驗及生產(chǎn)經(jīng)驗，空氣熱進入干燥房內(nèi)的初始溫度一般為105℃，從干燥房出口的溫度為40℃-60℃左右[1]，計算按50℃，那么▽t=55℃,根據(jù)公式2 可得進入干燥房的空氣質(zhì)量空氣為：

查閱相關(guān)資料，可知1 個大氣壓下100℃時空氣的密度為0.947kg/m3，則上述空氣所對應(yīng)的體積為

圖1 烘干裝置組成原理圖

2.3 所需生物質(zhì)燃料量計算

從2.2 的計算可知，為獲得100kg 干百合，進入干燥房的空氣質(zhì)量為12066kg，溫度溫度為105℃，此也為熱風(fēng)爐出口空氣質(zhì)量和溫度。龍山地區(qū)百合干燥加工時間一般為7-9 月，氣溫較高，假定空氣的平均溫度為30℃，那么熱風(fēng)爐將12066kg 空氣加熱到105℃所需要的熱量Q加為：

上式計算所得即為從熱風(fēng)爐出口熱空氣所需要獲得的熱量，此熱量生物質(zhì)顆粒燃燒產(chǎn)生的熱量經(jīng)熱風(fēng)爐的換熱器傳給空氣的，查閱相關(guān)文獻[2-3]進風(fēng)類熱風(fēng)爐的換熱效率一般為低于70%左右，本熱風(fēng)爐由于在進風(fēng)結(jié)構(gòu)上加以改進，可以提高換熱效率，因此假定熱風(fēng)爐的換熱效率為70%，由此可得生物質(zhì)顆粒燃燒的發(fā)熱量Q發(fā)為：

查閱有關(guān)資料可知，生物質(zhì)木質(zhì)顆粒的熱值3800-4500 大卡/公斤(根據(jù)木材種類),生物質(zhì)花生殼顆粒熱值3600-3800 大卡/公斤，生物質(zhì)稻殼顆粒的熱值3300-3500 大卡/公斤。假定生物質(zhì)顆粒采用熱值為木質(zhì)生物質(zhì)，熱值為4200 大卡，即17598kj，那么發(fā)熱所需生物質(zhì)顆粒質(zhì)量為：

從上述計算可得，生產(chǎn)100kg 干百合，采用熱值為4200 大卡的木質(zhì)生物質(zhì)顆粒，需要消耗74kg。

2.4 全流程熱效率

通過對分析，可將傳熱過程分為三個階段，第一階段生物質(zhì)顆粒燃燒對干燥用的空氣進行加熱，該階段在熱風(fēng)爐內(nèi)完成，將干燥用30℃的空氣加熱為105℃熱空氣，該階段的熱效率η1=70%。

第二階段105℃的干燥用熱空氣進入干燥房內(nèi)放熱，進入空氣的熱量是從30℃上升到105℃空氣所增加的熱含量，放熱量是空氣從105℃下降到50℃空氣所減少的熱含量，此階段的熱效率η2=（105-50）/(105-30)=0.733。第三價段，百合吸收空氣放熱，此階段效率為η3=0.85。綜合上述可得，全流程熱效率η：

3 生產(chǎn)試驗

我公司按上述計算為參考，為本縣一戶百合加工戶設(shè)計制作一套每天加工10000kg 生百合的百合烘干裝置。經(jīng)運行統(tǒng)計，每天加工生百合10500kg 左右，即生產(chǎn)3500kg 干百合，每天消耗熱值約為4200 大卡的木質(zhì)生物質(zhì)顆粒約2600kg，經(jīng)換算可得加工100kg 干百合消耗74.2kg,和理論計算基本一致。