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带水平传热管束的组合加热流化床传热及干燥特性
发布时间：2013-09-22 09:21 来源：未知
0、引 言
流化床因具有热质传递效率高的优点，广泛应用于颗粒、粉体的干燥。然而在普通流化床干燥烘干机中，一方面为保证充分的流化，提供干燥所需热量，必然要使用大量空气；另一方面，为保证合理的干燥速度，空气冷却后温度还很高就作为废气排放，因此，能耗较高，热效率较低。
相比之下，采用间接加热干燥，即用适当的热载体（如水蒸汽）通过管壁或器壁来加热物料，主要依靠冷凝潜热蒸发水分，大大提高了热效率。但纯粹的间接加热有如下困难：(1)物料在热表面上易粘结；(2)在物料不翻动或翻动较差的情况下，传热速率低。
把普通流化床和纯粹间接加热两种干燥方式结合起来，即在流化床中设置传热管，干燥所需热量主要由传热管中的水蒸气冷凝提供，而空气仅起携带水分、维持床层颗粒良好流化的作用，进口温度不需很高。这样构成的组合加热流化床干燥烘干机结合了流化床热质传递效率高和间接加热热效率高的优点，可以减少空气用量，强化传热传质，提高热效率，降低能耗。
流化床中传热管束与气固混合相间传热的研究报道己不少见。C．Beeby针对过热蒸汽干燥，研究了水平传热管束中单管与颗粒之间的传热。N.S．Grewal则主要对单管与气固混合相间的传热系数进行了关联。Ajay Mathu/3]、Tae-Young ChungE41等则对设置有水平换热管束的高温流化床反应器中的传热进行了研究。周勇等对设置水平电热管束与床层间的传热进行了研究。这些结果表明：操作气速、床层温度、颗粒直径、气体导热系数等对传热系数有影响。但由于各研究者的研究条件及目的各不相同，得到的传热数据及经验关联式彼此相差也较大，因此无法用于组合加热流化床干燥烘干机的设计，富通新能源生产销售颗�；�、木屑颗粒机、锯末木屑烘干机等生物质燃料成型、木屑烘干机械设备。
本文主要以组合加热流化床干燥烘干机的工业应用为目标，为寻求合理的操作条件，对其传热及干燥特性进行了研究。
1、实验流程及内容
1.1实验流程
实验流程见图1。实验在设置有水平传热管束的卧式流化床中进行，流化床截面尺寸为250 mm X1 000 mm，水平传热管束水平间距对管径比Ph为3.0，垂直间距对管径比P。为2.7。实验物料为食盐，干燥能力1 000吨／年，为一中试装置�？掌晒姆缁装辶髁考平肓骰�，使床层中颗粒保持良好流化状态，并带走物料中蒸发出来的水分；湿物料由螺旋加料机加入流化床，与水平传热管束进行热交换，管束中水蒸汽冷凝后经疏水阀排出，湿物料干燥后排出流化床；管束中的水蒸汽由电热锅炉提供。
1.2实验方法
流化床干燥烘干机分布板以上50 mm和100 mm处沿水平方向分别设置了四个测温点以及六个取样点，用以测量床层中温度和物料湿含量分布；流化床的空气进、出口也分别设置了测温点，空气的进口湿度由干湿球温度计测定；水蒸汽消耗由测定冷凝水量得到。根据得到的各测定值即可对该流化床进行质量、热量衡算，并由此得到传热管与床层间的传热系数、流化床的热效率、容积蒸发强度和截面蒸发强度。
1.3实验内容
实验以食盐为研究对象，考察了组合加热卧式流化床中操作气速、床层温度及进料湿含量对流化床中水平管束与气固混合相间的传热系数及流化床热效率的影响，同时测得了各操作条件下的容积蒸发强度和截面蒸发强度。
实验中各操作条件变化范围为：气速uo:0.40~ 0.77 m/s、床层操作温度T：50~ 60℃、进口物料湿含量xo:0.017~ 0.076kg/kg。加料速度由螺旋加料机螺旋转速控制，实验中加料速度G=150 kg/h，床层静床高Ho= 250 mm，操作气速的选取以能维持床层正常流化为标准，操作温度和进口物料湿含量以工业上食盐的干燥条件为依据。
2、实验结果与讨论
2.1操作气速的影响
由实验结果可以看出：随着操作气速的增加，传热系数先增加后降低，其间有一个最大值。这一现象的产生主要与床层中气固混合相的运动有关。操作气速增加，床层中气固相运动加剧，颗粒对管束表面的撞击增强，表面颗粒更新加快，同时，管束上部被颗粒覆盖的死区逐渐减小，因此传热系数增加；但随着操作气速的进一步加大，床层湍动加剧的同时，床层空隙率增加，气泡变大、增多，包围水平传热管束的气泡数量增加，颗粒与管束表面碰撞几率减小，因此传热系数达到一最大值后稍下降。
对于热效率，随着操作气速的增加，基本上呈单调下降（图3）。这说明，由于气量的增加，空气带走的热量也随之增加，热效率降低。因此，在此类干燥烘干机的设计和操作中，在维持床层良好流化以及保证出口空气带湿后温度适当程度地高于露点温度的前提下，应选择尽可能低的操作气速，以使床层传热系数和热效率都维持在一个较高水平。
2.2操作温度的影响
由图2可以看出：床层操作温度升高，传热系数也随之增大。一般情况下，温度高，气体的导热系数大。众多的研究结果表明，在相同条件下，气体导热系数是影响传热系数的最重要的因素，导热系数大，传热系数也增大。因此，随着操作温度的提高，床层传热系数增大。实验测得的数据也反应了这一规律。
随着操作温度增加，与传热系数的变化趋势相反，热效率降低（图3）。这是因为床层温度高，排气温度就高，空气带走的热量也随之增加；同时，由于床层温度高，由器壁向周围环境散失的热量也多，因此热效率降低。这一结果表明，在其它操作条件相同时，传热系数与热效率是一对矛盾。因此，在干燥烘干机的设计中，应合理选择操作温度。在保证干燥过程顺利进行的前提下，应适当降低操作温度，以提高热效率，降低能耗。
2.3进料湿含量的影响
考虑到干燥操作中进口物料的湿含量可能的变化范围较宽，本实验也考察了不同的物料初始湿含量xo对传热及干燥的影响。结果表明：随着x0的增加，传热系数和热效率基本上呈线性增加（图4、图5)。进口物料湿含量增加，床层平均湿度变大，一般说来，湿颗粒对壁给热系数比干颗粒大，因此传热系数增加；同时，床层中热负荷增加，蒸汽冷凝热中用于蒸发水分的热量变多，因此热效率增加。
2.4关于床层中温度和物料湿含量分布的讨论
对于所有实验，床层中除湿料进口处温度稍低外，其余各点温度都较为接近（图6）；而在物料湿含量分布图上可以看出：湿料进入床层后，湿含量迅速降低，整个床层中的湿含量均处于一个较低的水平，并接近出口物料湿含量。看来，在实验条件范围内的食盐处理量还未达到干燥烘干机最大能力，因此，整个床层温度、湿含量分布均一。
从所得到的实验结果来看，管束与床层间传热系数基本上在180~ 320 W/m2 K之间变化，与文献中数据相比偏低。这可能与文献中大部分采用电热管，而本实验以工业应用为目标采用蒸汽加热有关。流化床热效率在35%~75%之间变化，大部分在50%以上，明显高于普通流化床热效率(40%~50%)。容积蒸发强度与截面蒸发强度反映流化床的热负荷及干燥能力。从实验结果可知，其最大值分别达到了169.1 kg/m3 h和43.3 kg/m2h，这表明该流化床在相同截面积和相同床层高度下具有较高的干燥强度。由此也可以看出，组合加热卧式流化床干燥烘干机在各项指标上均优于普通流化床干燥烘干机。
以上研究结果表明：组合加热卧式流化床中操作气速、床层温度对传热及干燥均有较大影响。在设计和操作干燥烘干机时，充分考虑到这些影响因素，合理选择各操作条件，对降低能耗是非常重要的。另一方面，该流化床热质传递效率高，蒸发强度高，湿料分散快，床层中平均湿含量低。因此，可以利用这些特点，将其应用于一些高湿物料的干燥。这类物料在普通流化床中因湿度高易结块造成操作困难。在组合加热卧式流化床干燥烘干机中，只要进入床层后能迅速分散，即可顺利进行干燥操作。在这方面，此类干燥烘干机有较广的应用前景。根据这一思想及上述研究结果设计的3 000 t/a高湿含量草甘膦干燥系统实测传热系数为163W／m2K，热效率为60.8%，在此基础上改进的6 000 t/a高湿含量草甘膦干燥系统也己正常运行，现场实测传热系数为320 W/m2 K，热效率达到74.6%，远高于普通流化床干燥烘干机，这也说明干燥烘干机操作条件的选择是非常重要的。另外，进入床层的空气温度及床层温度均可维持在一个较低水平，干燥所需热量基本上由传热管束中的热载体提供，这一特点对一些热敏性物料的干燥也是非常合适的。
3、结 论
研究了组合加热卧式流化床干燥烘干机中操作气速、床层温度和物料进口湿含量对传热系数、热效率和干燥过程的影响，得出：
(1)随着床层温度升高，传热系数增加，而热效率降低。
(2)随着操作气速增大，传热系数先增大后降低，其间有一个最大值；热效率则单调下降。
(3)床层传热系数、热效率基本上随着进口物料湿含量的增加呈线性增大。
因此，合理选择操作气速和床层温度，对于提高组合加热卧式流化床干燥烘干机的热效率，降低能耗是非常重要的。
