生物質顆粒為燃料的百合烘干裝置傳熱計算與試驗

王順國

（龍山順天生物質能源開發有限公司, 湖南 龍山416800）

隨著2015 年1 月1 日新《環境保護法》頒布和實施，各地方政府對污染物排放的控制越來越嚴格，在小型鍋爐等應用領域，正逐步以生物質替代燃煤，龍山縣為百合主要產地，以往百合烘干主要采用煤為燃料，正逐步改用生物質為燃料，為滿足這一發展要求，我公司為縣內一個別百合加工戶設計制作百合干燥裝置，按傳熱進行理論分析計算設計制作，經生產試驗驗證。

1 百合烘干裝置

百合烘干裝置主要由熱風爐和干房兩部分組成，組成原理圖如圖1 所示。在熱風爐內生物質顆粒燃燒所產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引風機從烘干房前端底部引入烘干房內，在干燥房內和生百合進行熱交換，再從烘干房后端頂部引出，生百合經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，烘干房內設置多層鏈傳動機構，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，經幾層傳動后，從烘干房后端底部輸出，再經包裝儲存。

2 傳熱分析計算

2.1 干燥所需熱量計算

根據百合干燥實驗及生產實踐，可知3kg 生百合經干燥處理可得1kg 干百合。本計算按每小時生產100kg干百合作為計算依據，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，根據實際生產可知，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過程簡化為水的蒸發過程，第二將水的蒸發溫度設定為100℃。龍山地區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，根據實際生產可知，生百合進入烘干爐時的溫度為50℃。根據傳熱學可知水蒸發所需熱量的計算公式為：

式中M-為蒸發水量（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

百合在干燥房內干燥所需熱量由從熱風爐內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：

根據傳熱學，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，根據百合干燥實驗及生產經驗，空氣熱進入干燥房內的初始溫度一般為105℃，從干燥房出口的溫度為40℃-60℃左右[1]，計算按50℃，那么▽t=55℃,根據公式2 可得進入干燥房的空氣質量空氣為：

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

圖1 烘干裝置組成原理圖

2.3 所需生物質燃料量計算

從2.2 的計算可知，為獲得100kg 干百合，進入干燥房的空氣質量為12066kg，溫度溫度為105℃，此也為熱風爐出口空氣質量和溫度。龍山地區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爐出口熱空氣所需要獲得的熱量，此熱量生物質顆粒燃燒產生的熱量經熱風爐的換熱器傳給空氣的，查閱相關文獻[2-3]進風類熱風爐的換熱效率一般為低于70%左右，本熱風爐由于在進風結構上加以改進，可以提高換熱效率，因此假定熱風爐的換熱效率為70%，由此可得生物質顆粒燃燒的發熱量Q發為：

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

從上述計算可得，生產100kg 干百合，采用熱值為4200 大卡的木質生物質顆粒，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，第一階段生物質顆粒燃燒對干燥用的空氣進行加熱，該階段在熱風爐內完成，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 生產試驗

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