高自成，李際平，嚴永林，陳喜龍，譚耀輝

（中南林業(yè)科技大學，湖南長沙410004）

生物質(zhì)顆粒文丘里干燥器的設計研究

高自成，李際平，嚴永林，陳喜龍，譚耀輝

（中南林業(yè)科技大學，湖南長沙410004）

生物質(zhì)成型以后作為燃料，是可再生能源的發(fā)展方向之一。生物質(zhì)原料在制成顆粒之前含水率高，需要對第一次粉碎以后的顆粒進行干燥，使含水率達到制粒要求，便于在進行第二次粉碎以后進入制粒工序。文丘里干燥器是一種新型的干燥器，具有體積小、氣流阻力小、干燥效率高的優(yōu)點，適用于物料粒徑大且粒度分布廣的顆粒干燥。以干燥能力為500 kg/h的文丘里生物質(zhì)顆粒干燥器為例，論述了文丘里生物質(zhì)干燥設計的原理與方法。

生物質(zhì)能源；生物質(zhì)成型；文丘里干燥器；燃料；顆粒；干燥

生物質(zhì)顆粒成型后作燃料，是可再生能源的發(fā)展方向之一[1]。中國已制定了生物質(zhì)能源中長期發(fā)展目標，生物質(zhì)能源在最近幾年有了迅速的發(fā)展。然而生物質(zhì)顆粒干燥前的含水率一般較高，而高含水率對其后續(xù)轉(zhuǎn)化利用(制粒、壓塊等) 非常不利[2]。目前的干燥方式主要采用氣流式干燥，設備主要有滾筒式干燥機，設備占地面積大，干燥時間較長，其他的干燥方式主要有自然晾曬，這種干燥方式不僅耗時很長，且受天氣變化的影響較大，嚴重限制了生物質(zhì)的規(guī)模化利用[3]。

文丘里干燥機是一種新型干燥設備，它具有體積小、氣流阻力小、適用干燥物料粒徑大且粒度分布廣的特點[4]，作為生物質(zhì)能源的顆粒，也同樣可以采用文丘里干燥機進行干燥。筆者根據(jù)生物質(zhì)顆粒的干燥需求，結(jié)合文丘里干燥器的原理，論述了干燥能力為500 kg/h的文丘里顆粒干燥機的設計。

1 文丘里顆粒干燥機的結(jié)構(gòu)和原理

針對文丘里干燥機用來干燥顆粒的需求，文丘里顆粒干燥機的基本結(jié)構(gòu)[5-7]如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)包括一級進料螺旋2、進料關風機3、二級進料螺旋4、一次風進風管5、熱風分配器7、二次風進風管8，文丘里管9、干燥器筒體12等。文丘里顆粒干燥機的工作原理是，待干燥的顆粒由料斗進入一級螺旋輸送機2送入關風機的上部入口，在關風機的作用下，將顆粒送入二級螺旋輸送機的入口，然后在二級螺旋輸送機的作用下，顆粒輸送至干燥器筒體下方，文丘里管漸縮管和噴口的外側(cè)，從高壓離心風機出來的空氣經(jīng)過熱風爐加熱后，送到熱風分配器7入口，熱風分配器把熱風按一定比例分為兩部分，一部分熱風經(jīng)一次熱風管5進入干燥機本體下部噴口，另一部分熱風經(jīng)二次熱風管8在干燥器本體上部沿著切向吹入干燥器本體。熱風分配器控制進入干燥器本體的熱風比例，一次熱風管5在干燥器筒體內(nèi)的噴口與筒體內(nèi)部的文丘里管9組成射流輸送裝置，在漸縮管下部產(chǎn)生相對真空，這樣位于噴口和漸縮管之間的顆粒被吸入，并在文丘里管喉部與熱風充分混合，顆粒在文丘里管內(nèi)與熱風進行熱交換，顆粒中的水分釋出，氣流與顆粒的混合物通過文丘里管的漸擴管到達干燥器本體上部，干燥器本體上部錐面中心設置分級器10，分級器出口和出料管11相連接，達到干燥要求的顆粒經(jīng)過分級器以后到達出料管11進入旋風分離器，在旋風分離器、引風機作用下，由旋風分離器分離出來。未達到干燥要求的顆粒，不能通過分級器進入出料管，由于二次熱風沿著干燥器筒體內(nèi)側(cè)從切向吹入，吹入的方向為向下14°，這樣未達到干燥要求的顆粒，在重力作用下落的過程中，進入二次風的環(huán)繞區(qū)域，在二次熱風的作用下，氣體和顆粒的混合物沿著干燥器本體中的殼體與文丘里管之間的間隙做從上向下做螺旋運動，到達干燥器下部，到達文丘里管下部漸縮管口，在噴口一次熱風的作用下，再次被吸入到射流噴管，進行循環(huán)干燥。當達到干燥要求時，再從干燥器本體上部的分級器出口進入出料管11，然后再經(jīng)過旋風分離器分離出來。

圖1 干燥器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of dryer

2 生物質(zhì)顆粒干燥器關鍵部件的設計

2.1 生物質(zhì)顆粒干燥器的技術參數(shù)

本文設計的生物質(zhì)顆粒干燥器的技術參數(shù)如表1所示[8-10]。

表1 干燥器的技術參數(shù)Table 1 Technical parameters of dryer

2.2 設計過程中需要的技術參數(shù)

2.2.1 丘里干燥機設計

設計過程中，需要水、干空氣和顆粒等相關參數(shù)，詳見表2。

表2 比熱、比容、密度Table 2 Specific heat, specific volume, density of dryer

2.2.2 干空氣的密度計算

其公式為：

式（1）中：ρ0=1.293 kg/m3，為絕對壓力為1標準大氣壓，溫度為273 K時的干空氣質(zhì)量，p為絕對壓力，單位Pa。

2.3 干燥器熱平衡計算

由于顆粒進出干燥器的含水率不同，因此干燥器的各個主體部分的尺寸的設計應該以干燥過程的相關參數(shù)和干燥能力為依據(jù)，因為在干燥過程絕對干燥的顆粒的質(zhì)量不發(fā)生變化，相應的有如下計算過程[10-13]：

(1)計算干燥器出口處純干燥（即不含水的）顆粒質(zhì)量：

m干木屑=500×(1-12%)=440 (kg/h)。 （2）

(2)計算在干燥過程中送入干燥器的顆粒質(zhì)量：

則干燥過程中的經(jīng)過干燥器的水量為：

m水=676.92-440=236.92 (kg/h)=0.065 8 (kg/s) (4)

(3)計算物料中的純干物料（顆粒）從進入干燥器到出來時所吸收的熱量：

Q干木屑=cp木屑m干木屑Δt=2.03×440×90≈ 8.034× 104(kJ/h)。 （5）

(4)計算濕顆粒中的水分從干燥前到干燥完成以后吸收的熱量，包括三部分：

①水從20℃加熱到100℃時吸收的熱量：

Q水=cp水m水Δt=4.18×236.92×80 ≈ 7.92×104(kJ/h)。 （6）

②水氣化吸收的熱量：

Q氣化=hfg×m水=2 260×236.92 ≈ 5.35×105(kJ/h)。 （7）

③水蒸氣從100℃到110℃時吸收的熱量，

Q蒸氣=cp水蒸氣m水Δt=2.06×236.92×10≈4.88× 103(kJ/h)， （8）

干燥過程水分吸收的總熱量為：

Q水總=Q水+Q氣化+Q蒸氣=6.191×105(kJ/h)。（9）

④干燥過程顆粒和水分吸收的總熱量為：

Q總=Q水總+Q干木屑=6.994 4×105(kJ/h)。 （10）

⑤忽略濕顆粒在進入干燥器前所含空氣在干燥過程中的吸熱，設干燥器工作過程中外殼及管道壁損失的熱量占總輸入熱量的15%，則干燥過程中需要由熱風輸入的總熱量為：

Q= 6.191×105/(1-0.15) ≈8.228×105(kJ/h)。（11）

⑥由于在干燥過程中，熱風與顆粒的熱交換過程復雜，而且空氣在不同壓力和溫度條件下的比熱容不同，這里采用近似的簡化算法，設在干燥過程中熱風的比熱容不變，利用干燥過程中顆粒和水分以及損失的熱量與熱風在干燥過程中散發(fā)的熱量平衡，有：

Q=cmΔt=1.012×m空×(250-110)， （12）

m空=5.796×103(kg/h)=1.609 9 (kg/s)。 （13）

由式（1）求出壓力為4 000 Pa，溫度為250℃時，輸入干燥器的熱風密度為：

ρ熱風=0.7015 kg/m3， （14）

所以：輸入干燥器熱空氣的流量為：

V空氣=1.609 9/0.701 5=2.95 (m3/s)。 （15）

2.4 文丘里管的設計

2.4.1 一次熱風噴口直徑的確定

根據(jù)干燥對象顆粒的物理性質(zhì)，在設計時假設一次風與二次風的比例為2.6∶1，則一次風噴口的熱風體積為：V1入=1.657 6 m3/s，由參考文獻[3]，設一次風噴口處的速度為 v噴口=49 m/s，由V空氣=π×D2噴口×v噴口/4，得：D噴口=162.9 mm，取整數(shù)得一次風噴口直徑D噴口=163 mm。

2.4.2 顆粒最大沉降速度的確定

根據(jù)沉降速度的計算方法，顆粒與熱空氣的混合物在文丘里管漸擴管的運動狀態(tài)為紊流[3]，設在文丘里管喉嚨和漸擴管內(nèi)，顆粒與空氣已經(jīng)充分混合并且進行了熱交換，在漸擴管出口處顆粒內(nèi)的被干燥的水分已經(jīng)汽化，此時顆粒已經(jīng)接近干燥要求，干顆粒顆粒的凈密度為：

ρp=0.58×103kg/m3，假定在文丘里管漸擴管出口的溫度為130℃，壓力為3 000 Pa，此時熱風密度為 ρ漸擴口=0.901 8 kg/m3，設顆粒的平均當量直徑為 dp=6.83×10-3m。

由沉降速度的計算公式：

得：

up木屑=3.647 m/s。 （16）

[2]，文丘里管漸擴管出口處的氣流速度為 v漸擴=7.147 m/s。

2.4.3 文丘里管主要尺寸的確定

如圖2為文丘里管簡圖，各部分尺寸符號標注如圖所示。

圖2 文丘里管簡圖Fig.2 Sketch of Venturi tube

由文丘里干燥器的原理可知，二次風沿著筒體做螺旋運動下行到達文丘里管下端漸縮管口，與一次風和顆粒一起進入文丘里管內(nèi)，假設顆粒中的水分在文丘里管內(nèi)完全氣化，在文丘里漸擴管出口，流出的是空氣、水蒸氣和干顆粒的混合物。

(1)漸擴管出口直徑的計算

由于干燥過程中氣體的溫度、速度和壓力均需要發(fā)生變化，在計算文丘里管主要部分尺寸時，應用質(zhì)量守恒來計算。

假設文丘里管漸擴管出口溫度130℃，出口處的壓力為 3 000 Pa，由公式 pV=mTR，得：

假定顆粒中的水分汽化以后和熱風混合以后的體積等于兩氣體的體積之和，不考慮氣體流速方向?qū)u擴管出口直徑的影響，則：7.147=1.785 4+0.117 4，D3≈583 mm。

(2)文丘里管喉管直徑的計算

文丘里管內(nèi)一、二風混合以及氣體與顆?；旌蠈儆诘倪^程為絕熱過程，在氣流與顆粒的混合工程中，會產(chǎn)生較大的摩擦壓力損失，在氣流從漸縮管進入文丘里管喉部的過程中，存在較大的局部壓力損失，同時溫度下降，在文丘里管漸縮管和喉部內(nèi)水分尚未完全氣化，忽略水分氣化以后的體積，假定從漸縮管到喉管出口處這兩部分的壓力損失之和為2 000 Pa，則漸擴管入口處的壓力為2 000 Pa，設定在漸擴管入口處的氣溫為230℃ ,由式（1）可知，ρ擴入=0.712 1 kg/m3，根據(jù)實驗測定，文丘里噴管喉管處的氣流速度為60～100 m/s,取喉管的氣流速度為 75 m/s，由公式：

V喉管=m喉管/ρ=2.2607 m3/s， （19）

得文丘里管喉管的直徑∶

(3)文丘里管其他部分尺寸

在確定了文丘里管喉部管徑和漸擴管出口尺寸以后，根據(jù)文丘里管各部分的比例關系，可以算出文丘里管各部分的尺寸，計算中漸縮管錐角取22°，漸擴管錐角取11°，漸擴管與漸縮管長度比取2.8，則：

L3=[(D3-D2)/2]/tan5.50≈2 037 mm。 （21）

取 L2=D2=190 mm，

由 L3∶ L1=2.8 ∶ 1，得 L1≈727 mm，從而：

D1≈472 mm。 （22）

2.5 筒體的設計

文丘里管和筒體的之間的存在二次熱風的流動，因此文丘里干燥機外筒的之間為需要有足夠的空間來利于二次風的螺旋運動，取干燥機外筒的直徑為1 150 mm。一次風噴口與文丘里管漸縮管之間的距離為50～150 mm，通過噴口法蘭調(diào)節(jié)一次風噴口與文丘里漸縮管之間的間距，干燥器筒體上圓錐錐頂角為150°，上部圓錐出口為干燥器的分級器，分級器的做成多種規(guī)格，以適應多種顆粒和不同含水率的干燥需要。下部圓錐錐頂角為60°，以利于隨著二次風下落的顆粒進入到文丘里管漸縮管入口，進入二次干燥。

二次風噴口的位置和形狀直徑影響到二次風能否沿著干燥器外筒做下降的螺旋運動，以及螺旋運動的速度和角度，結(jié)合干燥器上部錐頂蓋的位置和文丘里管漸擴管的位置[5-7]，本設計中，二次風口采用矩形，沿著切向接入干燥機筒體，為了保證二次風噴入以后沿著筒體做下降的螺旋運動，二次風噴口中心線沿著筒體軸線向下傾斜11°，二次風噴口矩形尺寸為180 mm×240 mm，二次風噴口安裝在文丘里管漸擴管出口下面100 mm處，這樣保證把沒有達到干燥要求不能從分級器出去的顆粒帶入筒體內(nèi)沿著筒體做下降的螺旋運動，并且進行熱交換繼續(xù)干燥，從而提高干燥效率。

整個文丘里顆粒干燥機除了第一級給料螺旋機構(gòu)和料斗以外，其余各個部分采用不銹鋼1Cr17制造，文丘里管和筒體以及各部分氣管采用不銹鋼材料，考慮到生物質(zhì)顆粒是纖維狀的，文丘里干燥機內(nèi)部焊接各處必須打磨光滑，不存在尖、刺等棱角，避免在干燥過程中將顆粒纖維掛住，影響干燥氣流暢通和降低干燥效率。

2.6 熱風分配器的設計

為了使文丘里干燥器能干燥不同種類和含水率的顆粒，需要對一、二次風的比例關系進行調(diào)節(jié)，因此設計了熱風分配器，如圖3所示，分配器斷面呈矩形，分配器葉片位于中央部位，葉片后面開有兩個出口，分別接一次熱風管和二次熱風管，分配器上部有個蝸輪蝸桿減速器，蝸輪蝸桿減速器和葉片軸相連，通過轉(zhuǎn)動蝸輪蝸桿減速器輸入軸，改變?nèi)~片的位置來改變一、二次風的流量分配比例，使干燥器適應不同粒徑和密度的顆粒干燥。

圖3 熱風分配器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of sirocco distributor

2.7 進料機構(gòu)裝置的設計

由于生物質(zhì)顆粒形狀復雜，粒徑大小變化大，有的纖維較長，在干燥過程中，一次熱風噴口的壓力達到 4 000 Pa，二次風的壓力在 4 000 Pa左右，因此本干燥器送料機構(gòu)采用雙級螺旋輸送機的形式，在第一級和第二級螺旋輸送機之間安裝帶環(huán)切刀片的關風機，環(huán)切刀片用來切斷關風機入口處過長的顆粒纖維，一、二級螺旋均采用閉式變螺距螺旋輸送機，入口處的螺距為100 mm，其余部分的螺距為160 mm，為了避免螺旋輸送機被顆粒阻塞，螺旋與輸送機筒體單邊間隙為10 mm，第一級螺旋輸送機采用變頻調(diào)速進行給料，第二級螺旋輸送機采用高速回轉(zhuǎn)給料。一、二級螺旋輸送機電機功率為2.2 kW，關風機電機功率2.2 kW。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合實際需要，論述了文丘里干燥器的工作原理，詳細論述了用于生物質(zhì)顆粒干燥的文丘里干燥器的設計計算過程和方法。

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Design study of Venturi biomass energy granule dryer

GAO Zi-cheng, LΙ Ji-ping, YAN Yong-lin, CHEN Xi-long, TAN Yao-hui
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Biomass briquette can be used as a kind of fuel, which is a developing direction of renewable energy. Biomass raw is in high moisture content before it is made into granules. Certainly, it is necessary that the granules should be dried after they have been crushed f i rst time to make the moisture content meet the granulating requirements, so that the granules second timecrushed dried could be convenient to the granulation process. Venturi dryer is a new type of drier, which has the advantages of small volume, small airf l ow resistance, and high drying eff i ciency. Meanwhile, it is suitable for drying particles which have large particle size and widegranularity distribution. The design principle and method of Venturi biomass energy granule dryer were discoursed by taking Venturi biomass pellet dryer (with drying ability of 500 kg/h) as the example.

biomass energy; biomass briquetting; Venturi dryer; bunkers; particles; dryness

S759.8；S782.31

A

1673-923X(2013)12-0130-05

2013-07-15

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（200904027）；中南林業(yè)科技大學教改項目：液壓傳動與機電傳動控制綜合實驗研究

高自成（1968-），湖南祁東人，副教授，博士研究生，研究方向：現(xiàn)代林業(yè)裝備設計與制造技術；

E-mail：gzc1968@126.com

李際平，教授，博士，博士生導師；

[本文編校：邱德勇]