鹽泥顆粒熱風干燥特性及動力學模型

朱桂華，洪澤玉，杜雅明，李忠鍇

（中南大學，湖南 長沙 410083）

鹽泥是制鹽企業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[1]。鹽泥綜合利用日漸重要，其中干燥環節能源消耗巨大，因此需要對鹽泥顆粒本身的熱風干燥特性進行研究，以便找到適合鹽泥顆粒的熱風干燥方法。

干燥動力學模型可預測物料在干燥過程中水分的變化規律，為設計干燥設備及優化結構參數提供理論基礎。目前常用的干燥動力學模型包括：Page、Midilli、Lewis、Two-term、Henderson and Pabis等模型。周煬[2]等設計恒溫干燥實驗，表明薄層污泥的水分容易受熱蒸發去除。章華熔[3]等搭建小型實驗平臺，發現提高風溫和過流速度、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，雞糞存在較優厚度。目前干燥特性及動力學模型對于鹽泥顆粒熱風干燥特性及動力學模型的研究少有報道。本文通過不同風溫、風速及堆積厚度條件對鹽泥進行干燥實驗，研究鹽泥的熱風干燥特性及動力學模型。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與設備

1.1.1 原材料

實驗所選用的物料為經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 的鹽泥顆粒作為實驗材料。對取到的鹽泥顆粒進行密封處理2 h，使得顆粒含水率均勻。

1.1.2 實驗設備

本課題干燥實驗在某鹽化公司鹽泥處理現場，自行搭建鹽泥顆粒干燥實驗臺用于研究鹽泥顆粒在干燥過程中不同因素對干燥特性的影響研究。整個實驗臺抗干擾能力強、工作穩定可靠，同時可調節熱風溫度和風速，因此可通過調節不同的風溫、風速及設置不同鹽泥含水率、鹽泥層厚度等進行鹽泥顆粒的干燥實驗研究。實驗臺的工作裝置示意圖如圖1 所示。

1.2 實驗指標及測定方法

1.2.1 干基含水率

采用干基含水率測定鹽泥顆粒含水率，計算公式采用式（1）。

式中：Mt—t時刻鹽泥顆粒干基含水率，g·g-1；

mt—鹽泥顆粒干燥到t時刻的重量，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小于起始的干基含水率及干燥到某一時刻的干基含水率，因此在實驗數據的處理過程中，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干燥過程中去除水分的快慢程度，可按式（4）計算。

式中：DR—鹽泥顆粒干燥速率，g·(g·s)-1；

Mt—鹽泥顆粒t時刻的干基含水率，g·g-1；

Mt+dt—鹽泥顆粒t+dt時刻的干基含水率，g·g-1；

dt—干燥時間段，s。

1.2.3 有效水分擴散系數Deff及活化能Ea

有效水分擴散系數表征了鹽泥顆粒熱風干燥過程中水分從內部擴散到表面的難易程度，是干燥過程中最重要的干燥參數之一。根據Fick 第二定律理論對有效水分擴散系數的解析解進行分析，并取對數化簡為式（5）。

式中：Deff—鹽泥顆粒有效水分擴散系數，m2·s-1；

L—鹽泥顆粒堆積厚度的一半，m；

t—鹽泥顆粒的干燥時間，s。

由式（5）可見lnMR的值與干燥時間t為線性關系，計算lnMR-t曲線的斜率可得到有效水分擴散系數Deff。活化能與有效擴散系數、溫度相關，可采用Arrhenius 公式計算，取對數轉化成式（6）。

式中：D0—指前因子，m2·s-1；

Ea—濕分擴散活化能，kJ·mol-1；

R—通用氣體常數，8.314×10-3J·(mol·K)-1；

T—氣體絕對溫度，K。

由式（6）可知，lnDeff與1/T成一次函數關系，通過計算lnDeff-1/T曲線的斜率得到活化能Ea。

1.2.4 干燥動力學模型

參考相關文獻[6-10]，引入5 種常用的干燥動力學模型。分別對不同干燥實驗條件下的鹽泥層水分比隨時間變化的干燥曲線進行擬合，采用決定系數R2、均方根誤差RMSE及卡方值χ2等評價指標對擬合后的結果進行評估，選取預測鹽泥顆粒熱風干燥過程含水率變化的最適模型。

1.3 數據處理

采用Excel 對數據進行計算，origin 對數據進行擬合繪圖，得到各模型擬合參數及評價模型參數。

2 實驗方案

按表1 所示熱風干燥實驗安排，進行風溫、風速、堆積厚度對鹽泥顆粒含水率的單因素影響實驗。在時刻t時從干燥實驗箱中取樣稱重得mt，然后將取出的樣品放入微波爐內進行再次干燥，并采用電子天平測其重量，至3 次質量無變化得m0。為保證實驗數據的準確性，每組干燥條件下的熱風干燥實驗進行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干燥實驗設計

3 結果與分析

3.1 鹽泥顆粒熱風干燥特性

3.1.1 風溫對鹽泥干燥特性的影響

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

圖2 風溫對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間的變化曲線。鹽泥顆粒熱風干燥過程中干燥速率逐漸降低，且熱風溫度對鹽泥顆粒干燥起始段影響較大，干燥后期則差別不大。這主要是由于實驗中所用的鹽泥顆粒經過壓濾脫水后含水率降低到30%左右[11]，內部大部分自由水及少部分結合水已經通過機械方式去除，鹽泥顆粒內部的水分主要以結合水及吸附水為主。

圖3 不同風溫下干燥速率曲線

3.1.2 風速對鹽泥干燥特性的影響

圖4 為鹽泥層厚度為10 mm、熱風溫度為60 ℃條件下，不同風速下水分比隨時間的變化曲線。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。這是由于提高風速可以使干燥室內水分更快逸出, 從而使干燥室內水蒸氣濃度減小,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間的變化曲線。干燥速率逐漸降低，不同風速對鹽泥層干燥速率的影響較小，風速對干燥初期的影響較大，對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部水分的擴散速率的制約。

圖4 風速對鹽泥干燥特性的影響

圖5 不同風速下干燥速率曲線

3.1.3 堆積厚度對鹽泥干燥特性的影響

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

圖6 堆積厚度對鹽泥干燥特性的影響

堆積厚度對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，使得內部水分擴散到表層的路徑變長，內部水分擴散阻力大。堆積厚度對鹽泥顆粒干燥后期的影響類似于溫度及風速對其的影響。

3.2 干燥動力學模型

3.2.1 干燥模型擬合及篩選

采用5 種常用干燥模型對實驗數據進行擬合，其中評價指標相關系數R2值越高、RMSE值與χ2值越低，表明模型擬合度高。表2 列出了風速為4 m·s-1、堆積厚度為10 mm 條件下，鹽泥層熱風干燥與5 種模型的擬合結果。由表2 可知，Midilli 模型平均相關系數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模型可較為準確地預測鹽泥顆粒熱風干燥過程中的含水量變化規律。

3.2.2 干燥模型的有效性

為檢驗干燥模型的有效性，在風溫為80 ℃、風速為4 m·s-1、堆積厚度為10 mm 條件下，進行干燥動力學模型的驗證，結果見圖8。由圖8 可知，實驗值與干燥模型預測值高度吻合，表明Midilli干燥模型能預測鹽泥層熱風干燥的水分變化規律。

圖8 實驗值與預測值的比較

3.3 有效水分擴散系數及活化能

表3 給出了風速為4 m·s-1、堆積厚度為10 mm干燥條件下，不同風溫干燥的有效水分擴散系數。隨著風溫的增加，有效水分擴散系數也隨之增加，說明提高風溫有利于物料濕分的遷移。表4 給出了風溫為60 ℃、風速為4 m·s-1條件下，不同堆積厚度對應的有效水分擴散系數，可以得到隨著堆積厚度的增加，有效水分擴散系數隨之減小。這與實驗結果相符。

表3 不同風溫條件下的有效水分擴散系數

表4 不同堆積厚度下的有效水分擴散系數

根據式（5）得到lnDeff-1/T 曲線的斜率即可計算出干燥活化能。因此可得在風速為4 m·s-1、堆積厚度為 10 mm 條件下鹽泥顆粒活化能為44.54 kJ·mol-1。

4 結 論

本文對鹽泥資源化處理生產線中的鹽泥顆粒進行了熱風干燥實驗研究，研究了熱風溫度在50～80 ℃、風速為3～6 m·s-1、堆積厚度為5～15 mm的干燥特性，可為干燥裝置的設計及結構參數優化提供參考。獲得如下主要結論：

1）鹽泥顆粒的熱風干燥過程中干燥速率逐漸下降。鹽泥干燥速率與風溫和堆積厚度有密切關系，相同條件下，熱風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 模型可以預測鹽泥層在熱風干燥過程中的水分變化。

3）通過對有效水分擴散系數及活化能的計算，得出熱風風速為4 m·s-1、堆積厚度為10 mm、熱風溫度范圍為40～80 ℃，水分有效擴散系數范圍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。