生物质颗粒文丘里干燥器的设计研究

高自成，李际平，严永林，陈喜龙，谭耀辉

（中南林业科技大学，湖南长沙410004）

生物质颗粒文丘里干燥器的设计研究

高自成，李际平，严永林，陈喜龙，谭耀辉

（中南林业科技大学，湖南长沙410004）

生物质成型以后作为燃料，是可再生能源的发展方向之一。生物质原料在制成颗粒之前含水率高，需要对第一次粉碎以后的颗粒进行干燥，使含水率达到制粒要求，便于在进行第二次粉碎以后进入制粒工序。文丘里干燥器是一种新型的干燥器，具有体积小、气流阻力小、干燥效率高的优点，适用于物料粒径大且粒度分布广的颗粒干燥。以干燥能力为500 kg/h的文丘里生物质颗粒干燥器为例，论述了文丘里生物质干燥设计的原理与方法。

生物质能源；生物质成型；文丘里干燥器；燃料；颗粒；干燥

生物质颗粒成型后作燃料，是可再生能源的发展方向之一[1]。中国已制定了生物质能源中长期发展目标，生物质能源在最近几年有了迅速的发展。然而生物质颗粒干燥前的含水率一般较高，而高含水率对其后续转化利用(制粒、压块等) 非常不利[2]。目前的干燥方式主要采用气流式干燥，设备主要有滚筒式干燥机，设备占地面积大，干燥时间较长，其他的干燥方式主要有自然晾晒，这种干燥方式不仅耗时很长，且受天气变化的影响较大，严重限制了生物质的规模化利用[3]。

文丘里干燥机是一种新型干燥设备，它具有体积小、气流阻力小、适用干燥物料粒径大且粒度分布广的特点[4]，作为生物质能源的颗粒，也同样可以采用文丘里干燥机进行干燥。笔者根据生物质颗粒的干燥需求，结合文丘里干燥器的原理，论述了干燥能力为500 kg/h的文丘里颗粒干燥机的设计。

1 文丘里颗粒干燥机的结构和原理

针对文丘里干燥机用来干燥颗粒的需求，文丘里颗粒干燥机的基本结构[5-7]如图1所示，主要结构包括一级进料螺旋2、进料关风机3、二级进料螺旋4、一次风进风管5、热风分配器7、二次风进风管8，文丘里管9、干燥器筒体12等。文丘里颗粒干燥机的工作原理是，待干燥的颗粒由料斗进入一级螺旋输送机2送入关风机的上部入口，在关风机的作用下，将颗粒送入二级螺旋输送机的入口，然后在二级螺旋输送机的作用下，颗粒输送至干燥器筒体下方，文丘里管渐缩管和喷口的外侧，从高压离心风机出来的空气经过热风炉加热后，送到热风分配器7入口，热风分配器把热风按一定比例分为两部分，一部分热风经一次热风管5进入干燥机本体下部喷口，另一部分热风经二次热风管8在干燥器本体上部沿着切向吹入干燥器本体。热风分配器控制进入干燥器本体的热风比例，一次热风管5在干燥器筒体内的喷口与筒体内部的文丘里管9组成射流输送装置，在渐缩管下部产生相对真空，这样位于喷口和渐缩管之间的颗粒被吸入，并在文丘里管喉部与热风充分混合，颗粒在文丘里管内与热风进行热交换，颗粒中的水分释出，气流与颗粒的混合物通过文丘里管的渐扩管到达干燥器本体上部，干燥器本体上部锥面中心设置分级器10，分级器出口和出料管11相连接，达到干燥要求的颗粒经过分级器以后到达出料管11进入旋风分离器，在旋风分离器、引风机作用下，由旋风分离器分离出来。未达到干燥要求的颗粒，不能通过分级器进入出料管，由于二次热风沿着干燥器筒体内侧从切向吹入，吹入的方向为向下14°，这样未达到干燥要求的颗粒，在重力作用下落的过程中，进入二次风的环绕区域，在二次热风的作用下，气体和颗粒的混合物沿着干燥器本体中的壳体与文丘里管之间的间隙做从上向下做螺旋运动，到达干燥器下部，到达文丘里管下部渐缩管口，在喷口一次热风的作用下，再次被吸入到射流喷管，进行循环干燥。当达到干燥要求时，再从干燥器本体上部的分级器出口进入出料管11，然后再经过旋风分离器分离出来。

图1 干燥器结构Fig.1 Structure of dryer

2 生物质颗粒干燥器关键部件的设计

2.1 生物质颗粒干燥器的技术参数

本文设计的生物质颗粒干燥器的技术参数如表1所示[8-10]。

表1 干燥器的技术参数Table 1 Technical parameters of dryer

2.2 设计过程中需要的技术参数

2.2.1 丘里干燥机设计

设计过程中，需要水、干空气和颗粒等相关参数，详见表2。

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

2.2.2 干空气的密度计算

其公式为：

式（1）中：ρ0=1.293 kg/m3，为绝对压力为1标准大气压，温度为273 K时的干空气质量，p为绝对压力，单位Pa。

2.3 干燥器热平衡计算

由于颗粒进出干燥器的含水率不同，因此干燥器的各个主体部分的尺寸的设计应该以干燥过程的相关参数和干燥能力为依据，因为在干燥过程绝对干燥的颗粒的质量不发生变化，相应的有如下计算过程[10-13]：

(1)计算干燥器出口处纯干燥（即不含水的）颗粒质量：

m干木屑=500×(1-12%)=440 (kg/h)。 （2）

(2)计算在干燥过程中送入干燥器的颗粒质量：

则干燥过程中的经过干燥器的水量为：

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

(3)计算物料中的纯干物料（颗粒）从进入干燥器到出来时所吸收的热量：

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

(4)计算湿颗粒中的水分从干燥前到干燥完成以后吸收的热量，包括三部分：

①水从20℃加热到100℃时吸收的热量：

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

②水气化吸收的热量：

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

③水蒸气从100℃到110℃时吸收的热量，

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

干燥过程水分吸收的总热量为：

Q水总=Q水+Q气化+Q蒸气=6.191×105(kJ/h)。（9）

④干燥过程颗粒和水分吸收的总热量为：

Q总=Q水总+Q干木屑=6.994 4×105(kJ/h)。 （10）

⑤忽略湿颗粒在进入干燥器前所含空气在干燥过程中的吸热，设干燥器工作过程中外壳及管道壁损失的热量占总输入热量的15%，则干燥过程中需要由热风输入的总热量为：

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

⑥由于在干燥过程中，热风与颗粒的热交换过程复杂，而且空气在不同压力和温度条件下的比热容不同，这里采用近似的简化算法，设在干燥过程中热风的比热容不变，利用干燥过程中颗粒和水分以及损失的热量与热风在干燥过程中散发的热量平衡，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）求出压力为4 000 Pa，温度为250℃时，输入干燥器的热风密度为：

ρ热风=0.7015 kg/m3， （14）

所以：输入干燥器热空气的流量为：

V空气=1.609 9/0.701 5=2.95 (m3/s)。 （15）

2.4 文丘里管的设计

2.4.1 一次热风喷口直径的确定

根据干燥对象颗粒的物理性质，在设计时假设一次风与二次风的比例为2.6∶1，则一次风喷口的热风体积为：V1入=1.657 6 m3/s，由参考文献[3]，设一次风喷口处的速度为 v喷口=49 m/s，由V空气=π×D2喷口×v喷口/4，得：D喷口=162.9 mm，取整数得一次风喷口直径D喷口=163 mm。

2.4.2 颗粒最大沉降速度的确定

根据沉降速度的计算方法，颗粒与热空气的混合物在文丘里管渐扩管的运动状态为紊流[3]，设在文丘里管喉咙和渐扩管内，颗粒与空气已经充分混合并且进行了热交换，在渐扩管出口处颗粒内的被干燥的水分已经汽化，此时颗粒已经接近干燥要求，干颗粒颗粒的净密度为：

ρp=0.58×103kg/m3，假定在文丘里管渐扩管出口的温度为130℃，压力为3 000 Pa，此时热风密度为 ρ渐扩口=0.901 8 kg/m3，设颗粒的平均当量直径为 dp=6.83×10-3m。

由沉降速度的计算公式：

得：

up木屑=3.647 m/s。 （16）

[2]，文丘里管渐扩管出口处的气流速度为 v渐扩=7.147 m/s。

2.4.3 文丘里管主要尺寸的确定

如图2为文丘里管简图，各部分尺寸符号标注如图所示。

图2 文丘里管简图Fig.2 Sketch of Venturi tube

由文丘里干燥器的原理可知，二次风沿着筒体做螺旋运动下行到达文丘里管下端渐缩管口，与一次风和颗粒一起进入文丘里管内，假设颗粒中的水分在文丘里管内完全气化，在文丘里渐扩管出口，流出的是空气、水蒸气和干颗粒的混合物。

(1)渐扩管出口直径的计算

由于干燥过程中气体的温度、速度和压力均需要发生变化，在计算文丘里管主要部分尺寸时，应用质量守恒来计算。

假设文丘里管渐扩管出口温度130℃，出口处的压力为 3 000 Pa，由公式 pV=mTR，得：

假定颗粒中的水分汽化以后和热风混合以后的体积等于两气体的体积之和，不考虑气体流速方向对渐扩管出口直径的影响，则：7.147=1.785 4+0.117 4，D3≈583 mm。

(2)文丘里管喉管直径的计算

文丘里管内一、二风混合以及气体与颗粒混合属于的过程为绝热过程，在气流与颗粒的混合工程中，会产生较大的摩擦压力损失，在气流从渐缩管进入文丘里管喉部的过程中，存在较大的局部压力损失，同时温度下降，在文丘里管渐缩管和喉部内水分尚未完全气化，忽略水分气化以后的体积，假定从渐缩管到喉管出口处这两部分的压力损失之和为2 000 Pa，则渐扩管入口处的压力为2 000 Pa，设定在渐扩管入口处的气温为230℃ ,由式（1）可知，ρ扩入=0.712 1 kg/m3，根据实验测定，文丘里喷管喉管处的气流速度为60～100 m/s,取喉管的气流速度为 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径∶

(3)文丘里管其他部分尺寸

在确定了文丘里管喉部管径和渐扩管出口尺寸以后，根据文丘里管各部分的比例关系，可以算出文丘里管各部分的尺寸，计算中渐缩管锥角取22°，渐扩管锥角取11°，渐扩管与渐缩管长度比取2.8，则：

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，从而：

D1≈472 mm。 （22）

2.5 筒体的设计

文丘里管和筒体的之间的存在二次热风的流动，因此文丘里干燥机外筒的之间为需要有足够的空间来利于二次风的螺旋运动，取干燥机外筒的直径为1 150 mm。一次风喷口与文丘里管渐缩管之间的距离为50～150 mm，通过喷口法兰调节一次风喷口与文丘里渐缩管之间的间距，干燥器筒体上圆锥锥顶角为150°，上部圆锥出口为干燥器的分级器，分级器的做成多种规格，以适应多种颗粒和不同含水率的干燥需要。下部圆锥锥顶角为60°，以利于随着二次风下落的颗粒进入到文丘里管渐缩管入口，进入二次干燥。

二次风喷口的位置和形状直径影响到二次风能否沿着干燥器外筒做下降的螺旋运动，以及螺旋运动的速度和角度，结合干燥器上部锥顶盖的位置和文丘里管渐扩管的位置[5-7]，本设计中，二次风口采用矩形，沿着切向接入干燥机筒体，为了保证二次风喷入以后沿着筒体做下降的螺旋运动，二次风喷口中心线沿着筒体轴线向下倾斜11°，二次风喷口矩形尺寸为180 mm×240 mm，二次风喷口安装在文丘里管渐扩管出口下面100 mm处，这样保证把没有达到干燥要求不能从分级器出去的颗粒带入筒体内沿着筒体做下降的螺旋运动，并且进行热交换继续干燥，从而提高干燥效率。

整个文丘里颗粒干燥机除了第一级给料螺旋机构和料斗以外，其余各个部分采用不锈钢1Cr17制造，文丘里管和筒体以及各部分气管采用不锈钢材料，考虑到生物质颗粒是纤维状的，文丘里干燥机内部焊接各处必须打磨光滑，不存在尖、刺等棱角，避免在干燥过程中将颗粒纤维挂住，影响干燥气流畅通和降低干燥效率。

2.6 热风分配器的设计

为了使文丘里干燥器能干燥不同种类和含水率的颗粒，需要对一、二次风的比例关系进行调节，因此设计了热风分配器，如图3所示，分配器断面呈矩形，分配器叶片位于中央部位，叶片后面开有两个出口，分别接一次热风管和二次热风管，分配器上部有个蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器和叶片轴相连，通过转动蜗轮蜗杆减速器输入轴，改变叶片的位置来改变一、二次风的流量分配比例，使干燥器适应不同粒径和密度的颗粒干燥。

图3 热风分配器结构Fig.3 Structure of sirocco distributor

2.7 进料机构装置的设计

由于生物质颗粒形状复杂，粒径大小变化大，有的纤维较长，在干燥过程中，一次热风喷口的压力达到 4 000 Pa，二次风的压力在 4 000 Pa左右，因此本干燥器送料机构采用双级螺旋输送机的形式，在第一级和第二级螺旋输送机之间安装带环切刀片的关风机，环切刀片用来切断关风机入口处过长的颗粒纤维，一、二级螺旋均采用闭式变螺距螺旋输送机，入口处的螺距为100 mm，其余部分的螺距为160 mm，为了避免螺旋输送机被颗粒阻塞，螺旋与输送机筒体单边间隙为10 mm，第一级螺旋输送机采用变频调速进行给料，第二级螺旋输送机采用高速回转给料。一、二级螺旋输送机电机功率为2.2 kW，关风机电机功率2.2 kW。

3 结 语

本文结合实际需要，论述了文丘里干燥器的工作原理，详细论述了用于生物质颗粒干燥的文丘里干燥器的设计计算过程和方法。

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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

林业公益性行业科研专项（200904027）；中南林业科技大学教改项目：液压传动与机电传动控制综合实验研究

高自成（1968-），湖南祁东人，副教授，博士研究生，研究方向：现代林业装备设计与制造技术；

E-mail：gzc1968@126.com

李际平，教授，博士，博士生导师；

[本文编校：邱德勇]