竹屑流化床干燥特性研究∗

2020-07-09羿宏雷李卫星张卫国杨阿三

林产工业 2020年6期

羿宏雷李卫星张卫国马玲杨阿三

（1.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091； 2.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，哈尔滨 150086； 3.浙江工业大学，杭州 310014）

最新发布的我国第九次森林资源清查结果表明：我国拥有竹林面积 641 万hm2，约占全球总量的20%，是世界上竹材资源最丰富的国家[1-3]。丰富的竹材资源，以及竹材具有的轻质高强，再生速度快等优点，为我国竹材相关产业的快速发展提供了得天独厚的优势。我国竹产品主要有竹材人造板、竹地板、竹浆造纸、竹制日用品、竹家具及竹纤维制品等，在竹材开发与利用过程中也相应地产生了很多竹废料[4-6]。近年来，我国在竹废料利用方面有诸多研究，如研究利用竹屑制备竹炭、竹醋、竹浆等化工产品，利用竹废料制造复合材料以及制备功能食品基料等。这些研究对竹屑的应用起到了积极的作用，扩大了竹屑的应用范围[7-9]。

在竹废料利用过程中，对竹碎屑的含水率均具有一定要求，因此需对竹废料进行干燥处理。目前对竹屑干燥的研究较少。流化床干燥是一种广泛应用于各种散粒状物料的干燥方法，具有传热传质系数高、干燥速度快、处理强度大及适应性广等优点[10]。流化床干燥已用于木屑等生物质的干燥。竹屑与木屑具有一定的相似之处，粒径较小、粒径范围大，但竹屑强度较高，竹纤维较长，而木屑较软[11-12]。目前竹屑干燥一般采用烘箱干燥及自然晾干等，不适于大规模工业化生产。因此本文探究竹屑在流化床干燥过程中的干燥特性，为竹屑干燥流化床的设计及放大提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

竹屑：32%竹屑粒径大于20 目，46%在20～40 目之间，小于40 目的为22%，初始干基含水率为13%。

1.2 设备与仪器

所用流化床干燥系统（自制）如图1 所示，鼓风机连接加热器，空气经加热后通过流化床进风口进入流化床，之后经旋风分离器及布袋除尘器排入大气，流化床分布板上方装有搅拌耙，用于辅助流化，温度由PLC控制。

DHG-9030A电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司），AB204-N分析天平（上海世义精密仪器有限公司），WT-image NT2003 显微图像分析系统（上光仪器有限公司）。

图1 流化床干燥试验装置Fig.1 Fluidized bed drying test equipment

1.3 试验方法

启动流化床风机，在流化气速分别为0.27、0.36 m/s和0.45 m/s和进风温度分别为80、100 ℃和120 ℃条件下，取干基含水率为13%的竹屑物料150 g从进料口加入到流化床干燥装置中，干燥至干基含水率2%左右。根据干燥时间的长短，每隔2、5、10、20 min取样分析。

1.4 含水率计算

试样含水率通过烘箱110 ℃恒温干燥至恒重来计算(忽略平衡含水量的影响)。含水率采用干基含水率，计算公式如式（1）。

式中， X为干基含水率，%；m干为试样在 110℃烘箱中干燥至恒重的质量，g；m为试样质量，g。

物料干燥过程中的水分比计算式为：

式中， MR 为水分比； Xt为 t 时刻含水率（干基），g/g； Xe为平衡含水量（干基），g/g； X0/为初始含水率（干基），即物料所含水的质量与干物料质量之比，g/g。

一般情况下，湿物料的平衡干基含水率Xe与X0及Xt相比很小，通常可以忽略。因此，式（1）可简化为：

2 结果与分析

2.1 竹屑流化床干燥

图2是竹屑干燥前后的照片，A为原料，B为干燥90 min后从床层中取出的物料，C为干燥0～10 min间被气体带出，经旋风分离后收集的物料，D为干燥10～20 min间被气体带出，经旋风分离后收集的物料。

图2 干燥前后竹屑 Fig.2 Bamboo sawdust before and after drying

干燥前竹屑（A）色泽较暗，竹屑粒径范围较大，既有较长的纤维，也有粉末状颗粒，而干燥后的竹屑（B）颜色较为明亮，为亮黄色，小粒径物料变少，多是相对较大的颗粒及长纤维，物料较为粗大、松散。这是由于在流化床干燥时，流化风会把粒径较小的粉末状颗粒带走，而粒径较大的纤维与颗粒则留在床层中继续干燥。C为干燥0～10 min间被气体带出的物料，由于干燥时间短，含水率较高，颜色较暗，物料粒径较小，为细粉末，D为干燥10～20 min间被气体带出的物料，相对于C，D的颜色较为明亮，由于干燥时间相对较长，因此含水率较低，粒径相对较大。

表1 为相同干燥时间下吹出细颗粒与床层物料的干基含水率，其中吹出细颗粒是指某一时间段内被带出的细颗粒，床层物料指某一时间点从床层中取样得到的物料。由表1 可知，相同干燥时间下，细颗粒与床层物料的干基含水率相差较大，被吹出的细颗粒不能达到干燥要求。这可能是因为细颗粒一直悬浮在床内高处或床体表面，温度较低，因此干燥速率较低。这说明在该竹屑流化床实际应用中，需要注意吹出的细颗粒与床层粗颗粒干燥时间的差别，被吹出的细颗粒需要重新进入流化床中进行干燥。

表1 吹出颗粒与床层物料的干基含水率Tab.1 Dry - base moisture content of blown - out particles and bed materials

在流化床中干燥竹屑时，由于竹屑粒径范围较大，若采用较大流化风速，则会被带出大量细颗粒，若流化风速较小，则流化状态不好，易产生沟流等不良流化状态。因此试验采用较小流化风速，并用耙散装置辅助流化。

干燥初期，大部分小粒径物料未被流化风带出，从视镜中可看到床内物料流化状态良好。随着干燥时间延长，大量小粒径物料被气体带出，床内主要为粒径较大的颗粒和较长的纤维，流化状态恶化，许多较长的纤维相互纠缠在一起，沉在床层底部[13～16]。

图3 是竹屑干燥前后的放大照片。A是干燥前的纤维物料，从照片中清晰可见，干燥前竹屑纤维表面被一层薄薄的绒毛包裹，绒毛孔隙中含有较多水分；B是干燥后的纤维物料，从照片中可见，干燥后绒毛收缩紧贴在纤维表面，较干燥前出现许多孔状结构，这是竹屑纤维孔隙中的水分被除去并且在高温下收缩导致的孔洞，竹屑干燥前后颜色的变化可能是由于水分被去除，导致竹纤维表面的绒毛薄膜收缩，出现许多孔洞所致。C为干燥0～10 min之内被吹出的物料，D为干燥10～20 min内被吹出的物料，对比C与D，可以明显看出C物料的颜色较深、整体粒径较细、绒毛状小颗粒较多，而D物料的颜色相对C较亮，颗粒多为杆状，粒径较大。

图3 干燥前后竹屑 (放大100 倍)Fig.3 Bamboo sawdust before and after drying(100 times magnification)

2.2 温度和气速对干燥过程的影响

不同干燥温度下，竹屑的干基含水率随时间的变化规律如图4 所示，其中流化气速取0.36 m/s，料层质量为150 g，进风温度分别为80、100 ℃和120 ℃，竹屑初始含水率为13%。

由图4 可知，竹屑在流化床中的水分下降速度较快，干燥10 min左右竹屑的干基含水率可降至2%，进风温度为120 ℃时约为9 min，100 ℃时约为12 min，80 ℃时约为13 min。进风温度越高，达到2%干基含水率所需时间越短。但降至2%以下后，水分下降明显变缓。当干燥时间达到20 min后，物料干基含水率几乎不再下降，可以认为已基本达到平衡含水量。从图中可以看出，在试验条件下平衡含水量在1%左右，进风温度升高平衡含水量降低。

图4 不同进风温度下竹屑干基含水率随时间的变化Fig.4 Changes of moisture content of dry base of bamboo sawdust with time at different air inlet temperatures

不同气速下，竹屑的水分比随时间的变化规律如图5 所示，其中进风温度为120 ℃，料层质量为150 g，流化气速分别为0.27、0.36 m/s和0.45 m/s。

由图5 可知，不同流化气速下，竹屑水分下降趋势基本相同，干燥初期水分下降迅速，然后逐渐放缓，干燥20 min后物料的干基含水率几乎不再变化，且不同气速物料的最终含水率相近，表明在流化床干燥竹屑中，竹屑最终含水率与进风温度有关，与气速关联不大。不同气速下干基含水率降至2%的干燥时间不同，0.27 m/s时约为12.5 min，0.36 m/s时约为9.4 min，0.45 m/s时约为8.8 min，在气速较低时，增大气速竹屑的干燥时间明显缩短，但当气速大于0.36 m/s后，干燥时间减少并不明显。这是由于竹屑干燥时，干燥阻力由竹屑内部水分传质阻力和外部传质阻力组成。在气速较小时，物料流化相对较差，颗粒外部的水分传递阻力对干燥速率有较大影响，且热风供热量较小，因此干燥过程的热质传递速率较小，干燥时间长。随着气速的增大，其干燥速率逐渐转为竹屑内部水分传质控制，颗粒外部的水分传递影响逐渐减小至可以忽略，因此当气速达到一定程度时，增大气速对干燥速率影响不大。

由上述可知，在流化床中竹屑的干燥速度较快，干燥时间较短，但由于竹屑粒径范围较大，使用流化床干燥时细颗粒会被气体带出，在实际应用中，需考虑将这部分物料经气固分离后重新回入流化床中进行干燥，以达到干燥要求，且细颗粒重新回入流化床有助于改善床内物料的流化状态。在竹屑干燥过程中，当气速达到一定程度时，增大气速对干燥速率影响不大，因此，应选择合适的流化气速可以降低干燥过程能耗。

图5 不同气速下竹屑干基含水率随时间的变化Fig.5 The change of dry base moisture content of bamboo sawdust with time under different air flow velocities

2.3 干燥模型拟合

薄层干燥是一种常见的干燥形式，干燥动力学模型有很多，最常用的为半经验模型，如Page模型、Lewis模型、Logarithmic模型及Henderson模型等[17-20]。采用上述半经验方程对竹屑的干燥数据分布进行拟合，模型拟合结果采用相关系数平方R2进行评价[21-25]。通过对拟合结果进行比较，认为Logarithmic模型较为适合，因此选用该模型进行竹屑干燥的拟合，模型公式如下：

表2 为竹屑干燥曲线Logarithmic模型拟合结果。从表中可以看出，模型参数k在0.13～0.29 之间，气速增大、进风温度升高，k值总体呈上升趋势[26-31]。模型参数c在0.04～0.15 之间，气速增大、进风温度升高，c值总体呈下降趋势。模型参数a在1.14～1.65 之间，气速增大、进风温度升高，a值总体呈上升趋势。其中参数c主要表示平衡含水量，受温度影响较大，气速对其影响较小。参数k主要表示水分比的下降速率，气速和进风温度都对参数k有较大影响。而参数a则主要受气速的影响，进风温度对其影响较小。