稻壳高温烟气干燥系统研究

栾振辉 刘肖 李海龙

摘 要：为了提高稻壳热解气的质量，需要对稻壳进行干燥预处理。在综合分析热风干燥原理的基础上，利用稻壳热解炉排出的高温烟气作为热风源，设计了一种稻壳高温烟气干燥系统，对其中的干燥器进行了结构设计，采用高温烟气与稻壳逆流的干燥方式，在干燥器中设置了扰动装置，减缓了稻壳下落的速度，在干燥器进出口分别设置了温度传感器，对干燥过程进行监控。选取了稻壳和高温烟气的进出口温度以及稻壳下落速度等参数，确定了干燥器的结构尺寸和操作参数。研究结果表明，在相同处理量情况下，本干燥系统减小了干燥器的纵向尺寸，降低了高温烟气的流速，从而可降低干燥器的安装要求，减少干燥器的热损，提高干燥系统的性能。

关键词：稻壳；高温烟气干燥；干燥器；扰动装置

中图分类号： S216 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2017）05-0009-05

Abstract：In order to improve the quality of rice hull pyrolysis gas， the rice husk needs to be deal with dry pretreatment. On the basis of comprehensive analysis of the principle of hot air drying， using the hot exhaust gas of rice hull retort as a heat source， the authors put forward a rice hull hot exhaust gas drying system， designed the dryer with hot exhaust gas and rice hull counter-current dry method. A disturbance device was installed in the dryer， which can slow down the speed of rice hull whereabouts. And two temperature sensors were respectively set in the import and export of the dryer to monitor the drying process. This paper selected the import and export temperature of the hot exhaust gas and the rice hull， and rice hull parameters such as falling speed， determined the structure size of the dryer and the operating parameters of the system. The study indicates that the system can decrease the vertical size of the dryer， reduce the speed of the hot exhaust gas， thus can reduce the dryer's installation requirements， reduce the heat loss of the dryer， and improve the performance of the drying system.

Key words：rice hull； hot exhaust gas drying； dryer； disturbance device

能源短缺、環境污染等问题已经严重制约了我国的经济社会发展。生物质能源作为一种可再生、可持续发展且对环境友好的能源[1]，可以明显改善我们目前的窘境。生物质是指利用大气、水、土壤等通过光合作用而产生的各种有机体，包括植物、动物和微生物[2]。据文献[3]调查，我国理论生物质能源大约有50亿吨标准煤，达到了我国目前总能耗的4倍左右。生物质资源的种类很多，包括农作物秸秆、林业废弃物以及稻壳等等，生物质能的利用，不但缓解了我国能源短缺的问题，同时解决了农作物秸秆焚烧带来的环境污染问题[4]。中国是世界上最大的水稻种植国，根据国家统计局统计，2015年中国谷物产量57 225万吨，稻壳约占稻谷质量的20%左右，即稻壳约11 445万吨，稻壳资源十分丰富，如果能够利用好稻壳资源，不仅能够节约资源、净化环境，还能带来颇为不菲的经济利益。目前，稻壳等生物质资源的热解利用已被广泛接受，热解的第一步便是干燥，然而，关于稻壳干燥方面的研究还比较少。朱锡锋和陈登宇等研究表明[5-6]，生物质中的水分会影响生物油的品质，热解反应中吸收的热量有很大一部分就是用以除去生物质原料中的水分，生物质中的水分会使得热解反应开始的时间延后[7]。高温烟气干燥预处理有利于生物质热解，及节省能量。

1 热风干燥原理

Whitaker体积平均理论[8]与Luikov唯象理论[9]是目前主要物料干燥过程中的传热传质理论，它们较好地反映物料干燥过程传热传质的本质，但由于理论公式的推导过于复杂，求解非常麻烦，给实际应用带来了困难[10]。因此，对于绝大多数的物料干燥过程，仍然要通过干燥实验曲线进行分析和描述。通常，物料干燥过程可分为预热阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段等三个阶段，如图1所示[11]。在预热阶段AB，物料的温度θ小于该空气条件下的湿球温度tw，空气向物料传递热量，物料温度上升，当水分汽化所需热量等于空气传入物料的热量时，θ=tw，物料的预热阶段结束；在恒速干燥阶段BC，物料表面润湿，呈现连续水膜，空气向物料的传热推动力以及水分从物料表面向空气汽化的推动力均恒定不变，水分汽化速率保持恒定；物料的含水量降到C点时，内部水分向表面的移动速率已下降到来不及向表面补充足够的水分以维持整个表面的湿润，因而出现不湿润点，当湿润表面继续减小到D点，表面完全不湿润，从第一降速段进入第二降速段，汽化表面逐渐从物料表面向物料内部转移，汽化所需热量通过固体传到汽化区域，汽化了的水汽穿过固体孔隙向外部扩散，水分的汽化速率进一步降低，直到点E时，物料的水分汽化速率等于零，此时物料温度θ等于空气温度t。

干燥过程的实质是将湿分从固相转移到气相中，工业干燥多半用热空气、过热蒸汽或烟道气作为干燥介质。干燥设备的结构形式多种多样，按干燥操作方法的不同，可分为对流干燥、辐射干燥、真空干燥和联合干燥。就传统干燥技术而言，热风干燥技术是应用最为广泛的一种干燥技术，其具有操作方式简单、过程易于控制等优点，因而具有较大的应用优势，对于生物质物料，热风干燥技术也是一种比较经济可行的干燥方式[12]。因此，本文采用热风干燥技术，并利用稻壳热解炉排出的高温烟气作为热风源。

2 稻壳高温烟气干燥系统设计

根据前述热风干燥原理，本文设计了稻壳高温烟气干燥系统如图2所示，其主要由螺旋输送机、干燥器和风机等组成，其中干燥器分上箱体和下箱体两部分。稻壳物料由螺旋输送机2通过入料口3进入干燥器6中，干燥后的稻壳经过螺旋输送机8排出，进入热解炉进行热解处理。热解炉排出的高温烟气由进风管9进入干燥器6，高温烟气由风机5经出风口4排出，在风机5的抽吸作用下，干燥器处于负压状态，有助于物料进入干燥器。干燥器的结构如图3所示。为了使稻壳物料下落均匀，并延长稻壳下落时间，在干燥器中安装有螺旋叶片12和扰动装置13，扰动装置的结构如图4所示。

稻壳干燥过程如下：稻壳由螺旋输送机2输入干燥器，在干燥器上箱体中积累，来自进风管9的高温烟气通过稻壳之间的缝隙自下而上流动，使稻壳温度升高，水分初步蒸发，完成预热阶段；升温后的稻壳由螺旋叶片12向下输送，均匀地分散到干燥器中，而后，稻壳经扰动装置13进一步分散，由一层侧滑到另一层逐层下落，下落轨迹曲折、路程长、速度低，延长了稻壳的下落时间；另一方面，稻壳下落时与高温烟气逆向，干燥表面积大，增强了干燥效果；另外，扰动片有一定倾角，保证其上不积累稻壳，扰动片底部为半圆球结构，保证了扰动片的晃动自由度，有利于稻壳的均匀分布；落入底部的稻壳由出料管15收集，并通过螺旋输送机8排出，进入热解炉进行热解处理。

位于干燥器上箱体的温度传感器10测量进料稻壳温度并返回计算机，与给定的阈值进行比较，当温度高于阈值时，计算机控制变频电机1和11增加转速，增大上箱体中稻壳更新速度；当温度低于阈值时，计算机控制变频电机1和11降低转速，减小上箱体稻壳更新速度，使稻壳充分升温。位于干燥器下箱体中温度传感器14测量出料管段中稻壳温度并返回计算机，与给定的阈值进行比较，当温度高于阈值时，计算机控制变频电机7增加转速，及时将干燥箱中的稻壳输出，出料速度增加；当温度低于阈值时，计算机控制变频电机7降低转速，降低稻壳输出速度，积在出料管段的稻壳时刻处于干燥器高温烟气氛围中，继续干燥，整个控制系统保证了干燥效果。

4 结论

热风干燥技术是应用最为广泛的一种干燥技术，但是存在设备纵向尺寸大、风速高、压力损失大等不足。如按处理量1 500kg/h计，普通热风干燥器，要完成相应的工作量，一般风速在20m/s以上，设备高度16m左右，呈细长杆状，对设备材料、安装、维修要求较高，且由于风速大，耗能大、热损高，而本干燥器直径1m，长7.5m，风速4m/s，对干燥器的机械材料、工作环境、动力性能等要求都比较低。

参考文献：

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（责任编辑：李 丽，范 君）