朱桂華，洪澤玉，杜雅明，李忠鍇

（中南大學(xué)，湖南 長沙 410083）

鹽泥是制鹽企業(yè)鹵水凈化后的廢棄物，具有含水率高、體積大及有一定腐蝕性等特點(diǎn)[1]。鹽泥綜合利用日漸重要，其中干燥環(huán)節(jié)能源消耗巨大，因此需要對(duì)鹽泥顆粒本身的熱風(fēng)干燥特性進(jìn)行研究，以便找到適合鹽泥顆粒的熱風(fēng)干燥方法。

干燥動(dòng)力學(xué)模型可預(yù)測物料在干燥過程中水分的變化規(guī)律，為設(shè)計(jì)干燥設(shè)備及優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)提供理論基礎(chǔ)。目前常用的干燥動(dòng)力學(xué)模型包括：Page、Midilli、Lewis、Two-term、Henderson and Pabis等模型。周煬[2]等設(shè)計(jì)恒溫干燥實(shí)驗(yàn)，表明薄層污泥的水分容易受熱蒸發(fā)去除。章華熔[3]等搭建小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)提高風(fēng)溫和過流速度、降低干燥過程熱空氣含濕量、減少泥條直徑和泥層厚度都能夠提高污泥干燥效率。黃光群[4]等研究奶牛糞固形物熱風(fēng)干燥特性，得出干燥溫度越高，糞層厚度越小，干基含水率下降越快。王建波[5]等研究雞糞的干燥特性，表明考慮干燥效率，雞糞存在較優(yōu)厚度。目前干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于鹽泥顆粒熱風(fēng)干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型的研究少有報(bào)道。本文通過不同風(fēng)溫、風(fēng)速及堆積厚度條件對(duì)鹽泥進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)，研究鹽泥的熱風(fēng)干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)所選用的物料為經(jīng)過水洗壓濾粉碎的顆粒狀鹽泥，取自某鹽化公司鹽泥資源化處理生產(chǎn)線，測得平均干基含水率為30%。選擇大小均勻、平均粒徑為15 mm 的鹽泥顆粒作為實(shí)驗(yàn)材料。對(duì)取到的鹽泥顆粒進(jìn)行密封處理2 h，使得顆粒含水率均勻。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本課題干燥實(shí)驗(yàn)在某鹽化公司鹽泥處理現(xiàn)場，自行搭建鹽泥顆粒干燥實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于研究鹽泥顆粒在干燥過程中不同因素對(duì)干燥特性的影響研究。整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠，同時(shí)可調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度和風(fēng)速，因此可通過調(diào)節(jié)不同的風(fēng)溫、風(fēng)速及設(shè)置不同鹽泥含水率、鹽泥層厚度等進(jìn)行鹽泥顆粒的干燥實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作裝置示意圖如圖1 所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)及測定方法

1.2.1 干基含水率

采用干基含水率測定鹽泥顆粒含水率，計(jì)算公式采用式（1）。

式中：Mt—t時(shí)刻鹽泥顆粒干基含水率，g·g-1；

mt—鹽泥顆粒干燥到t時(shí)刻的重量，g；

m0—鹽泥顆粒完全干燥的干基重量，g。

1.2.2 水分比MR及干燥速率DR水分比按式（2）計(jì)算。

式中：Me—鹽泥顆粒平衡含水率，g·g-1；

M0—鹽泥顆粒初始干基含水率，g·g-1；

Mt—鹽泥顆粒t時(shí)刻的干基含水率，g·g-1。

由于鹽泥顆粒在某一溫度及濕度條件下的平衡含水率遠(yuǎn)小于起始的干基含水率及干燥到某一時(shí)刻的干基含水率，因此在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過程中，可忽略平衡含水率。將式（2）簡化為式（3）。

干燥速率表征了鹽泥顆粒熱風(fēng)干燥過程中去除水分的快慢程度，可按式（4）計(jì)算。

式中：DR—鹽泥顆粒干燥速率，g·(g·s)-1；

Mt—鹽泥顆粒t時(shí)刻的干基含水率，g·g-1；

Mt+dt—鹽泥顆粒t+dt時(shí)刻的干基含水率，g·g-1；

dt—干燥時(shí)間段，s。

1.2.3 有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff及活化能Ea

有效水分?jǐn)U散系數(shù)表征了鹽泥顆粒熱風(fēng)干燥過程中水分從內(nèi)部擴(kuò)散到表面的難易程度，是干燥過程中最重要的干燥參數(shù)之一。根據(jù)Fick 第二定律理論對(duì)有效水分?jǐn)U散系數(shù)的解析解進(jìn)行分析，并取對(duì)數(shù)化簡為式（5）。

式中：Deff—鹽泥顆粒有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2·s-1；

L—鹽泥顆粒堆積厚度的一半，m；

t—鹽泥顆粒的干燥時(shí)間，s。

由式（5）可見lnMR的值與干燥時(shí)間t為線性關(guān)系，計(jì)算lnMR-t曲線的斜率可得到有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff?；罨芘c有效擴(kuò)散系數(shù)、溫度相關(guān)，可采用Arrhenius 公式計(jì)算，取對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化成式（6）。

式中：D0—指前因子，m2·s-1；

Ea—濕分?jǐn)U散活化能，kJ·mol-1；

R—通用氣體常數(shù)，8.314×10-3J·(mol·K)-1；

T—?dú)怏w絕對(duì)溫度，K。

由式（6）可知，lnDeff與1/T成一次函數(shù)關(guān)系，通過計(jì)算lnDeff-1/T曲線的斜率得到活化能Ea。

1.2.4 干燥動(dòng)力學(xué)模型

參考相關(guān)文獻(xiàn)[6-10]，引入5 種常用的干燥動(dòng)力學(xué)模型。分別對(duì)不同干燥實(shí)驗(yàn)條件下的鹽泥層水分比隨時(shí)間變化的干燥曲線進(jìn)行擬合，采用決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE及卡方值χ2等評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)擬合后的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，選取預(yù)測鹽泥顆粒熱風(fēng)干燥過程含水率變化的最適模型。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，origin 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合繪圖，得到各模型擬合參數(shù)及評(píng)價(jià)模型參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)方案

按表1 所示熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)安排，進(jìn)行風(fēng)溫、風(fēng)速、堆積厚度對(duì)鹽泥顆粒含水率的單因素影響實(shí)驗(yàn)。在時(shí)刻t時(shí)從干燥實(shí)驗(yàn)箱中取樣稱重得mt，然后將取出的樣品放入微波爐內(nèi)進(jìn)行再次干燥，并采用電子天平測其重量，至3 次質(zhì)量無變化得m0。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組干燥條件下的熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 次，測得的干基含水率取3 次的均值。

表1 單因素鹽泥顆粒熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與分析

3.1 鹽泥顆粒熱風(fēng)干燥特性

3.1.1 風(fēng)溫對(duì)鹽泥干燥特性的影響

圖2 為鹽泥顆粒堆積厚度為10 mm、風(fēng)速為3 m·s-1、熱風(fēng)溫度分別為50～80 ℃時(shí)鹽泥層水分比隨干燥時(shí)間的變化曲線，風(fēng)溫越高，水分比隨時(shí)間的變化曲線越陡峭，說明風(fēng)溫對(duì)干燥過程中含水率有較大影響。

圖2 風(fēng)溫對(duì)鹽泥干燥特性的影響

圖3 為50～80 ℃下鹽泥顆粒干燥速率隨干燥時(shí)間的變化曲線。鹽泥顆粒熱風(fēng)干燥過程中干燥速率逐漸降低，且熱風(fēng)溫度對(duì)鹽泥顆粒干燥起始段影響較大，干燥后期則差別不大。這主要是由于實(shí)驗(yàn)中所用的鹽泥顆粒經(jīng)過壓濾脫水后含水率降低到30%左右[11]，內(nèi)部大部分自由水及少部分結(jié)合水已經(jīng)通過機(jī)械方式去除，鹽泥顆粒內(nèi)部的水分主要以結(jié)合水及吸附水為主。

圖3 不同風(fēng)溫下干燥速率曲線

3.1.2 風(fēng)速對(duì)鹽泥干燥特性的影響

圖4 為鹽泥層厚度為10 mm、熱風(fēng)溫度為60 ℃條件下，不同風(fēng)速下水分比隨時(shí)間的變化曲線。從圖4 可以看到，隨著速度的增加，可以更快降低鹽泥顆粒的含水率。這是由于提高風(fēng)速可以使干燥室內(nèi)水分更快逸出, 從而使干燥室內(nèi)水蒸氣濃度減小,使其與物料間的濃度差增大, 干燥速率加快。圖5為3、4、5、6 m·s-1下干燥速率隨干燥時(shí)間的變化曲線。干燥速率逐漸降低，不同風(fēng)速對(duì)鹽泥層干燥速率的影響較小，風(fēng)速對(duì)干燥初期的影響較大，對(duì)干燥后期的影響較小，這是由于干燥后期干燥速率主要受到鹽泥顆粒內(nèi)部水分的擴(kuò)散速率的制約。

圖4 風(fēng)速對(duì)鹽泥干燥特性的影響

圖5 不同風(fēng)速下干燥速率曲線

3.1.3 堆積厚度對(duì)鹽泥干燥特性的影響

圖6 為熱風(fēng)溫度60 ℃、熱風(fēng)速度3 m·s-1不同鹽泥顆粒堆積厚度下水分比隨時(shí)間的變化曲線。熱風(fēng)干燥過程鹽泥顆粒堆積厚度對(duì)鹽泥層含水率隨時(shí)間的變化影響較大，鹽泥層厚度越薄，干燥曲線越陡峭，相同時(shí)間內(nèi)的水分比越小，其干燥速率越快。

圖6 堆積厚度對(duì)鹽泥干燥特性的影響

堆積厚度對(duì)初始階段干燥速率有影響如圖7所示。

圖7 不同鹽泥層厚度干燥速率曲線

由于堆積厚度的增加，使得內(nèi)部水分?jǐn)U散到表層的路徑變長，內(nèi)部水分?jǐn)U散阻力大。堆積厚度對(duì)鹽泥顆粒干燥后期的影響類似于溫度及風(fēng)速對(duì)其的影響。

3.2 干燥動(dòng)力學(xué)模型

3.2.1 干燥模型擬合及篩選

采用5 種常用干燥模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其中評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)R2值越高、RMSE值與χ2值越低，表明模型擬合度高。表2 列出了風(fēng)速為4 m·s-1、堆積厚度為10 mm 條件下，鹽泥層熱風(fēng)干燥與5 種模型的擬合結(jié)果。由表2 可知，Midilli 模型平均相關(guān)系數(shù)R2為0.999 43，且均方根誤差RMSE為0.000 549，卡方χ2為0.000 14，因此Midilli模型可較為準(zhǔn)確地預(yù)測鹽泥顆粒熱風(fēng)干燥過程中的含水量變化規(guī)律。

3.2.2 干燥模型的有效性

為檢驗(yàn)干燥模型的有效性，在風(fēng)溫為80 ℃、風(fēng)速為4 m·s-1、堆積厚度為10 mm 條件下，進(jìn)行干燥動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證，結(jié)果見圖8。由圖8 可知，實(shí)驗(yàn)值與干燥模型預(yù)測值高度吻合，表明Midilli干燥模型能預(yù)測鹽泥層熱風(fēng)干燥的水分變化規(guī)律。

圖8 實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值的比較

3.3 有效水分?jǐn)U散系數(shù)及活化能

表3 給出了風(fēng)速為4 m·s-1、堆積厚度為10 mm干燥條件下，不同風(fēng)溫干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。隨著風(fēng)溫的增加，有效水分?jǐn)U散系數(shù)也隨之增加，說明提高風(fēng)溫有利于物料濕分的遷移。表4 給出了風(fēng)溫為60 ℃、風(fēng)速為4 m·s-1條件下，不同堆積厚度對(duì)應(yīng)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，可以得到隨著堆積厚度的增加，有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨之減小。這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

表3 不同風(fēng)溫條件下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)

表4 不同堆積厚度下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)

根據(jù)式（5）得到lnDeff-1/T 曲線的斜率即可計(jì)算出干燥活化能。因此可得在風(fēng)速為4 m·s-1、堆積厚度為 10 mm 條件下鹽泥顆?；罨転?4.54 kJ·mol-1。

4 結(jié) 論

本文對(duì)鹽泥資源化處理生產(chǎn)線中的鹽泥顆粒進(jìn)行了熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)研究，研究了熱風(fēng)溫度在50～80 ℃、風(fēng)速為3～6 m·s-1、堆積厚度為5～15 mm的干燥特性，可為干燥裝置的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供參考。獲得如下主要結(jié)論：

1）鹽泥顆粒的熱風(fēng)干燥過程中干燥速率逐漸下降。鹽泥干燥速率與風(fēng)溫和堆積厚度有密切關(guān)系，相同條件下，熱風(fēng)干燥速率隨著溫度的增加而增加，隨厚度的減少而提高。

2）Midilli 模型可以預(yù)測鹽泥層在熱風(fēng)干燥過程中的水分變化。

3）通過對(duì)有效水分?jǐn)U散系數(shù)及活化能的計(jì)算，得出熱風(fēng)風(fēng)速為4 m·s-1、堆積厚度為10 mm、熱風(fēng)溫度范圍為40～80 ℃，水分有效擴(kuò)散系數(shù)范圍2.038 389×10-9～8.137 643×10-9m2·s-1。10 mm 厚鹽泥顆粒床層的活化能為44.54 kJ·mol-1。