（制冷及低温工程专业论文）生物质低温干燥特性实验研究.pdf

硕士论文 生物质低温干燥特性实验研究 摘要 在我国，生物能源是对传统化石能源的重要补充，干燥工艺则是生物质原料处理过 程中的重要环节。对于许多热敏性生物质( 如果蔬类) ，干燥介质( 如热风) 温度不宜 太高，需采用低温干燥，例如从室温到6 0 。此外，低温干燥可采用低品位能源，在 能源利用方面也有优势。 本文的主要工作是通过实验测试并研究生物质低温干燥特性。首先，作者设计搭建 了一套生物质颗粒低温干燥实验装置，该装置可调节干燥介质( 热风) 温度、含湿量、 流速，测定生物质颗粒在干燥过程中的实时质量，并由此得到干燥特性曲线。 其次，作者对8 种果蔬类生物质颗粒的干燥特性进行了实验测定，分析了干燥介质 参数( 热风温度、含湿量、风速) 和颗粒尺寸对干燥过程的影响。实验结果表明，选择 边长5 m m - l o m m 的正方体颗粒和低温干燥，其干燥时间能够基本满足果蔬类生物质存 储和长输的需要。采用较小颗粒尺寸、提高干燥介质温度对减小干燥过程时间具有明显 效果；在实际应用中，干燥介质的含湿量受气候条件决定，可不做人工调节：在 0 2 m s 0 4 m s 范围内，热风速度对干燥过程时间影响不大。实验结果可供干燥装置设计 时的参数选择提供参考。 再次，作者以红薯颗粒为对象进行了固定床低温热风干燥特性实验，分析了沿热风 流向颗粒含水率的分布特性。 最后，作者设计搭建了一套生物质颗粒移动床低温干燥装置，分析了其基本特性， 为后续实验工作奠定了基础。 关键词：生物质，颗粒，熟敏性，低温干燥，干燥时间，含水率 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t i nc h i n a , b i o m a s se n e r g yi sa ni m p o r t a n ts u p p l e m e n tt ot r a d i t i o n a lf o s s i le n e r g y d r y i n g i sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h ep r o c e s s i n go fb i o m a s sm a t e r i a l f o rm a n yt h e r m o s e n s i t i v eb i o m a s s m a t e r i a l s ，s u c ha sf r u i t sa n dv e g e t a b l e s ，t e m p e r a t u r eo fd r y i n gm e d i u m ( e g ，h o ta i r ) s h o u l d n o tb et o ol l i g l l ，s od r y i n ga tl o wt e m p e r a t u r eb e c o m e sa na p p r o p r i a t es e l e c t i o n ，f o re x a m p l e f r o mr o o mt e m p e r a t u r et o6 0 i na d d i t i o n , l o w - q u a l i t ye n e r g yc a nb eu s e df o rd r y i n g a tl o w t e m p e r a t u r e ，w h i c hh a sa d v a n t a g e si ne n e r g yc o n s e r v a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h em a i nw o r ki sr e s e a r c h i n gd r y i n gc h a r a c t e r i s t i c sa tl o wt e m p e r a t u r eo f b i o m a s st h r o u g he x p e r i m e n t s f i r s t l y , t h ea u t h o rd e s i g n e da n db u i l ta ne x p e r i m e n t a ls e t u pf o r d r y i n gb i o m a s sp a r t i c l e sa tl o wt e m p e r a t u r e t h ed r y i n gm e d i u m ( i e ，h o ta i r ) t e m p e r a t u r e ， h u m i d i t yr a t i oa n dv e l o c i t yc a nb ea d j u s t e di ns p e c i f i e dr a n g ea n dt h em a s so fb i o m a s s p a r t i c l e sc a l lb em e a s u r e di n s t a n t a n e o u s l y b a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sm a s s ，t h ed r y i n g c h a r a c t e r i s t i e sc u r v ec a nb ed e d u c e d s e c o n d l y ，t h ea u t h o rm e a s u r e dt h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so fe i g h tb i o m a s sp a r t i c l e s ( f r u i t sa n dv e g e t a b l e s ) ，a n da n a l y z e dt h ee f f e c t so fd r y i n gm e d i u mp a r a m e t e r s ( t e m p e r a t u r e ， h u m i d i t yr a t i oa n dv e l o c i t y ) ，t h es i z eo fb i o m a s sp a r t i c l e so n d r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es i d el e n g t ho fc u b i cb i o m a s sp a r t i c l e si nt h er a n g e5 m m - 101 d _ n la n dd r y i n ga tl o wt e m p e r a t u r ec a l lf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t so fs t o r a g ea n d l o n g d i s t a n c et r a n s p o r t s m a l l e rs i z eo fb i o m a s sp a r t i c l e sa n dh i g h e rt e m p e r a t u r eo fd r y i n g m e d i u mh e l pi n c r e a s et h ed r y i n gt i m es i g n i f i c a n t l y i nr e a l a p p l i c a t i o n s ，t h ee n v i r o n m e n t d e t e r m i n e st h eh u m i d i t yr a t i ow h i c hd o e sn o tn e e dt ob ec o n t r o l l e da r t i f i c i a l l y t h eh o ta i r v e l o c i t yi nt h er a n g e0 2 r n s 4 ) 4 n g sh a su n i m p o r t a n te f f e c to nt h en e e dd r y i n gt i m e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v i d et h eg u i d e l i n e sf o rd e s i g n i n gd r y i n gd e v i c e s t h ea u t h o rf u r t h e rd i dt h ed r y i n ge x p e r i m e n tf o raf i xb e da tl o w t e m p e r a t u r ew i t hs w e e t p o t a t o ，a n da n a l y z e dt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o i s t u r ec o n t e n ta l o n gt h eh o ta i r f l o wd i r e c t i o n f i n a l l y ，t h ea u t h o rd e s i g n e da n db u i l tam o v i n gb e dl o w - t e m p e r a t u r ed r y i n gs e t u pa n d a n a l y z e di t sb a s i cp e r f o r m a n c e t h ew o r kp r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n tr e s e a r c h k e yw o r d s ：b i o m a s s ，p a r t i c l e ，t h e r m a ls e n s i t i v i t y , l o w - t e m p e r a t u r ed r y i n g ，d r y i n gt i m e ， m o i s t u r ec o n t e n t 硕士论文 生物质低温干燥特性实验研究 图表目录 图1 1 常见除湿方法4 图1 2 热泵低温干燥工作原理5 图1 3 吸附干燥示意图6 图3 1 生物质单颗粒低温干燥系统流程图。1 4 图3 2 低温冷却除湿物理模型1 5 图3 3 低温冷却水除湿系统实物图16 图3 4 物料在线含水率测试装置18 图3 5 干燥段尺寸图。1 7 图3 6 干燥介质温度变化。1 9 图3 7 干燥介质冷却水槽出口温度变化2 0 图3 8 生物质低温干燥系统实物图2 2 表3 1 生物质低温干燥系统组件表2 l 图4 1 不同温度下红薯单颗粒干燥含水率曲线图。2 4 图4 2 不同含湿量下红薯单颗粒干燥含水率曲线图。2 5 图4 3 不同流速下红薯单颗粒干燥含水率曲线图2 5 图4 4 不同颗粒粒径下红薯单颗粒干燥含水率曲线图。2 6 图4 5 不同温度下苹果单颗粒干燥含水率曲线图。2 8 图4 6 不同含湿量下苹果单颗粒干燥含水率曲线图一2 9 图4 7 不同流速下苹果单颗粒干燥含水率曲线图3 0 图4 8 不同颗粒粒径下苹果单颗粒干燥含水率曲线图。3 0 图4 9 不同温度下土豆单颗粒干燥含水率曲线图。3 2 图4 1 0 不同含湿量下土豆单颗粒干燥含水率曲线图3 3 图4 1 l 不同流速下土豆单颗粒干燥含水率曲线图3 4 图4 1 2 不同颗粒粒径下土豆单颗粒干燥含水率曲线图3 4 图4 1 3 不同温度下莴苣单颗粒干燥含水率曲线图3 6 图4 1 4 不同含湿量下莴苣单颗粒干燥含水率曲线图3 7 图4 1 5 不同流速下莴苣单颗粒干燥含水率曲线图3 8 图4 1 6 不同颗粒粒径下莴苣单颗粒干燥含水率曲线图3 8 v i l 图表目录 硕士论文 图4 1 7 不同温度下荸荠单颗粒干燥含水率曲线图4 0 图4 1 8 不同含湿量下荸荠单颗粒干燥含水率曲线图4 l 图4 1 9 不同流速下荸荠单颗粒干燥含水率曲线图4 2 图4 2 0 不同颗粒粒径下荸荠单颗粒干燥含水率曲线图4 2 图4 2 1 不同温度下胡萝卜单颗粒干燥含水率曲线图4 4 图4 2 2 不同含湿量下胡萝卜单颗粒干燥含水率曲线图4 5 图4 2 3 不同流速下胡萝卜单颗粒干燥含水率曲线图4 6 图4 2 4 不同胡萝卜粒径下荸荠单颗粒干燥含水率曲线图4 6 图4 2 5 不同温度下白萝b 单颗粒干燥含水率曲线图4 8 图4 2 6 不同含湿量下白萝卜单颗粒干燥含水率曲线图4 9 图4 2 7 不同流速下白萝b 单颗粒干燥含水率曲线图5 0 图4 2 8 不同粒径下白萝卜单颗粒干燥含水率曲线图5 0 图4 2 9 不同温度下山药单颗粒干燥含水率曲线图5 2 图4 3 0 不同含湿量下山药单颗粒干燥含水率曲线图5 3 图4 3 1 不同流速下山药单颗粒干燥含水率曲线图5 4 图4 3 2 不同山药粒径下干燥含水率曲线图5 4 表4 1 红薯成分表2 3 表4 2 不同干燥条件下，红薯单颗粒干燥所需时间2 7 表4 3 苹果成分表2 7 表4 4 不同干燥条件下，苹果单颗粒干燥所需时间31 表4 5 土豆成分表3 2 表4 6 不同干燥条件下，土豆单颗粒干燥所需时间3 5 表4 7 莴苣成分表3 6 表4 8 不同干燥条件下，莴苣单颗粒干燥所需时间：3 9 表4 9 荸荠成分表4 0 表4 1o 不同干燥条件下，荸荠单颗粒干燥所需时间4 3 表4 1 l 胡萝卜成分表4 4 表4 1 2 不同干燥条件下，胡萝b 单颗粒干燥所需时间4 7 表4 1 3 白萝卜成分表4 8 表4 1 4 不同干燥条件下，白萝卜单颗粒干燥所需时间5 1 表4 15 山药成分表5 2 表4 1 6 不同干燥条件下，山药单颗粒干燥所需时间5 5 v i i i 硕士论文 生物质低温干燥特性实验研究 图5 1 固定床干燥段布置示意图。j 5 7 图5 2 红薯含水率变化。5 8 图5 3 干燥段的干燥介质进出口温度变化5 8 表5 1 不同层数的干燥时间一5 9 图6 1 移动床干燥塔低温干燥系统流程图6 0 图6 2 蔗渣立式干燥塔干燥系统实物图6 5 表6 1 蔗渣立式干燥塔低温干燥系统组成部件6 5 i x 主要符号表 硕士论文 面积( i n 2 ) 定压比热( k j ( k g k ) ) 扩散系数 沿程阻力系数 唯象系数 长度( m ) 样品初始质量( 曲 样品瞬间质量( 曲 压力( p a ) 密度( k g m 3 ) 横截面积( m 2 ) 时间 体积流量( m 3 1 1 ) 样品初始含水率 样品残留含水率 空气的相对湿度 绝对温度 f实时参数 m a x 最大量 彤临界值 事 残留参数 x 主要符号表 变量 下标 当地大气压力( p a ) 样品的形状系数 空气的含湿量( g k g ( a ) ) 干燥床的高度( m m ) 干燥常数 湿度 样品干物质质量q ) 样品残留质量( g ) 阻力( p a ) 热负荷( 温度( ) 体积( m 3 ) 流速( m s ) 样品瞬间含水率 l a p l a c e 算子 局部阻力系数 新 进口 m i n最小量 o u t 出口 b c d 办k m 肌凹9 r 矿 v 墨v f 彳o d厂巧三 啪耽p p s ，吩尽 缈 硕士论文生物质低温干燥特性实验研究 1 绪论 1 1 选题的背景与意义 生物质能源是非化石能源中重要的组成部分，利用率高的国家生物质能在一次能源 消耗中占据3 0 ，但很多国家的能源结构中，生物能源只是占据能源消耗的很小一部分， 生物质能源的前景十分广阔，是替代化石能源的一个优化选择【l 】。所谓的生物质能，就 是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量【2 】。它直 接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之 不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源【3 】。生物质能， 是能源利用的一个必然的选择h 。 关于生物质的范围有不同的表达；广义上说，动物、植物、微生物以及由他们产生 排泄、代谢的全部有机物质统统是生物质，而美国国家能源安全条例中则认为，可 再生物质即是生物质，例如农产品及农业废料、木料及其废料、动物废料、城镇垃圾及 水生植物等，在我国，则认为生物质就是由光合作用直接产生的或者间接产生的物质， 包含植物类和非植物类1 5 】。 生物质物料具有如下的特点： ( 1 ) 具有区域性和分散性。生物质储存量很大，且分布极为广阔，但同时又极其分 散，单位面积的土地上的生物质含量很低，且品种丰富，加大了收获和利用的难度。 ( 2 ) 能量密度低，原煤的热值可以达到2 9 3 0 0 k j k g ，而相同体积秸秆的热值只有原 煤的o 0 4 ，垃圾的热值只有原煤的0 0 1 6 。 由于生物质的初始含水率很高，通常含水率在5 0 0 0 - - 9 8 之间，对生物质进行下一 步利用，包括燃烧、食用、储存、长途运输等方面，都需要对其进行干燥。 干燥是整个生物质能源利用中最重要的一个环节，干燥可使生物质的体积减少至原 来体积的1 1 0 1 5 ，对于生物质的储存、长途运输，可以减少空间占用率；经过干燥后 的生物质的热值可以大大提高，未经干燥含水率为8 0 的城市污泥的热值为1 1 7 0 k j k g ， 而干燥后的污泥的热值有1 5 0 0 0 k j k g ，相当于一般的劣质煤的热值 6 1 。并且生物质由于 初始含水率很高，而生物质的丰收期又很短，如果处理不及时，因为含固量很低，含水 率很高，因此微生物和酶的活性很高，造成不容易加工、生物质腐烂、生物质浪费，丰 产不丰收【5 】。因此，生物质干燥是生物质利用的一个必须环节。 1 2 国内外生物质干燥研究概述 干燥，就是利用一定方法将物料中的水分蒸发，脱离物料体，从而使物料达到脱水 绪论 硕士论文 的目的，便于物料的下一步利用。干燥技术是一门涉及多门学科的技术，包括传热学、 传质学、流体力学、工程热力学、物料学等学科1 7 1 。a s m u j u m d a r 曾经说过：干燥是科 学、技术与工艺的一种混合物，至少在可以预见的将来，干燥大概仍然如此1 4 j 。因此干 燥技术一直是科研工作者追求解决的问题。 在2 0 世纪7 0 年代之前，干燥技术一直发展很缓慢，几乎全世界都忽略了把干燥作 为一个值得研究和发展的领域，且几乎没有任何全球性的有关干燥研究的学术刊物和学 术会议，国内也没有，这主要受制于人们对于干燥技术重要性的认识以及没有意识到能 源的危机【8 】。进入7 0 年代以后，随着全球能源危机的爆发、节能意识的推广、以及对 于环境保护意识的增强，干燥技术进入了一个高速发展阶段1 9 。1 9 7 5 年，第一届全国干 燥会议在南京召开，每年一次，至今召开了3 6 次；国际干燥会议也于1 9 7 8 年在加拿大 蒙特利尔的麦基尔大学召开，每2 年举行一次【9 】。各个干燥学会及协会也在这种蓬勃的 发展浪潮下成立，中国化工学会化学工程专业委员会干燥技术专业组，以及中国通用机 械干燥设备行业协会，这两个干燥系统组织是我国活动最多，并且一直坚持下来的干燥 组织1 1 0 1 。3 0 多年来，我国已经在喷雾干燥机、气流干燥机、流化床干燥机、流化床喷 雾造粒干燥机等方面取得了一定的成果【l 。 目前，几乎所有的工业领域，都存在着干燥这一环节【1 2 1 。但物料干燥属于高能耗行 业，据数据分析，在全球范围内，1 0 0 o , - , 2 5 的能源用于干燥，在我国，干燥耗能占据 我国能耗的12 t 1 3 l 。而且干燥效率低下，如木材干燥效率在3 0 , - - 4 0 ，并且干燥过程 中产生的硫氧化物、氮氧化物，这些物质都是全球变暖、酸雨和臭氧破坏的主要因素【i4 。 “绿色”干燥、节能降耗是干燥技术发展的一个新的且必须的方向【l 引。 尽管干燥技术经历了3 0 年的快速发展，但是依然存在一些方面需要改掣”】： ( 1 ) 太阳能干燥，我国的太阳能资源丰富，年辐射总量超过5 0 0 0 m j m 2 ，太阳能干燥 适用于低温干燥，也适合某些高温干燥，太阳能是一种可再生能源，应大力推广【l 引。 ( 2 ) “绿色”干燥，干燥过程中存在的有害气体排放、噪音污染、粉尘污染，急待改善。 ( 3 ) 节能降耗。 ( 4 ) 开发新型干燥介质、新型干燥方法【1 7 j 。 目前，许多国家在生物质干燥方面主要采用：气流干燥技术、真空冷冻干燥技术、 微波干燥技术、远红外干燥技术、热泵干燥技术、渗透干燥技术以及其它干燥技术与组 合，干燥设备也可分为箱式干燥器、带式干燥机、喷雾干燥机、流化床干燥器、气流干 燥器、回转干燥器、传导干燥设备，根据相应的干燥物料选择相应的干燥技术和设备l l 列。 气流干燥技术又称瞬间干燥，是对流传热干燥的一种，在物料完成输送的过程中同 时完成干燥，两相流的同时增加了传热面积，强化了传热和传质过程；气流干燥主要分 成简单直管式、倒锥式、脉冲式、套管式以及其他的类型；曹崇文等人通过几个假设： 物料球形颗粒、粒径、含水率均匀、干燥管与水平面垂直、干燥管截面处颗粒分布均匀、 2 硕士论文生物质低温干燥特性实验研究 气流速度分布均匀、物料与空气运动同向、干燥管是绝热的等几个假设介绍了气流干燥 的基本数学模型，为干燥管的设计计算提供了理论基础，金国淼、陈文靖、郑国生、孟 魏、李军辉、梁栋等人又在曹崇文的基础上，为气流干燥技术的发展提出了补充，中国 农业大学在梁栋的基础上开发了一种专门用于气流干燥模拟的软件，能够分析操作条 件、物料种类对于干燥特性的影响，并能得出一个优化干燥条件【1 9 1 。 真空冷冻干燥常被称为冷冻真空干燥，简称冻干，是指将含水物料冻成固体，然后 让冻结物料中的水分在真空状态下直接升华而干燥，真空冷冻干燥的特点是物料在干燥 后的物理、化学、生物性状基本不变【2 0 1 。1 8 1 3 年w h w o l l a s t o n 发现水在真空状态下容 易气化，s h a c k e l l 根据这一发现，发明冷冻干燥保存菌种、病毒、血清，使得冻干技术 得到很好的应用，随着真空冷冻技术的推广，真空冷冻技术在理论和工艺方面也逐渐完 善，f l o s d o r f 在1 9 4 4 年发表了一部有关冷冻干燥技术和理论的书籍，1 9 5 1 年开始，以 真空冷冻干燥为主题的专题研讨会也在伦敦召开【2 。真空冷冻干燥可以分为三种模型： s a n d l l 和k i n g 提出的冰界面均匀向后移动模型( u r i f ) ，也叫稳态模型、d z d y r e 和 j e s u n d e r l a n d 提出的准稳态模型、l i f c h i e l d 和l i a p i s 在1 9 7 9 年提出的解吸升华模 型 2 2 1 。 2 0 世纪4 0 年代，兴起了一种了微波加热的技术，并迅速于6 0 年代在加热、干燥、杀 虫、灭菌、医疗等方面得到推广，微波干燥不同于传统干燥方式，它是材料在电磁场中 由介质损耗而引起的加热，其热传导方向与水分扩散方向相同【2 3 】。微波干燥具有干燥速 度快、产品质量高、干燥效率高、节能环保无公害等优点【2 4 】。因此在干燥领域很受重视， 德国学者j s u h m 认为微波干燥过程的差异性与干燥物料的种类存在很大关系，认为水分 决定着干燥过程，并且在陶瓷等材料微波干燥方面得到验证，其同国学者s c h l e u s e n e r 按照j s u h m 的理论，对含有大量水分的油漆进行干燥，并且得到优化干燥条件；英国学 者m c l o u g h l i n 对于药粉的微波干燥研究得到：含有氨基和醋酸基的药物有高介电损耗， 而含有阿斯匹林基的药物都有低的介电损耗，但它们都比试验用的溶剂水的介电损耗要 明显地低【2 引。南非的b r a d s h a w 、法国的l e d i o n 、n i s c h e r 等人对矿物、水、混凝土等物质 的微波干燥做了大量的研究【2 6 】。 太阳能干燥，利用太阳辐射能对所要干燥的物料进行干燥，有着节能、环保、干燥 效果好等优点：以阳光是否直接照射在物料上，太阳能干燥可以分成室温型和集热器型， 太阳能干燥技术的研究主要集中在诸如美国、加拿大、澳大利亚、新西兰、法国、德国 等欧美国家【2 。上世纪七八十年代，欧美国家建立起一些太阳能干燥装置，对太阳能在 干燥方面的利用进行研究，如今太阳能干燥主要集中在热带和亚热带等一些太阳能比较 丰富的国家，泰国在上世纪八十年代就开始利用太阳能进行谷物干燥；王云峰等人利用 太阳能干燥三七，证明太阳能干燥三七最高温度和最高效率分别达到6 2 2 c 和7 6 7 ， 且干燥周期时间为7 5 个小时，比通常的自然干燥时间缩短一半，而且具有防二次污染， 3 绪论 硕士论文 干燥产品品质好的优点；张谦等人通过太阳能干燥优质杏，研究出一种s d 装置，该装 置干燥效果相对普通自然干燥，有着效率高，防潮效果好等优点；慕松等人利用太阳能 干燥枸杞，解决了风沙、灰尘以及其他环境对于枸杞干燥造成的问题以及解决了传统干 燥方法脱水效果差、容易返潮和霉变等问题1 2 引。 1 3 生物质低温干燥技术研究现状 1 3 i 生物质低温干燥简介 低温干燥【2 9 】就是将温度不高、湿度很低的空气作为干燥介质，并且以干燥空气和湿 料之间的蒸汽压差作为推动力的一种干燥方式，低温干燥作为一种新型干燥方式，有如 下的优点【3 0 l 。 ( 1 ) 干燥介质温度为常温或者略高于常温，适于生物质这种热敏性物质，对其营养 成分、外形有良好的保护作用。 ( 2 ) 在常温条件下干燥，物料中的挥发分会减少损失，并且微生物和酶的活性减低， 能够比较好的保持物料的性质状态p 1 1 。 ( 3 ) 干燥能耗少，并且能够使用低品质能量，节能环保1 3 2 j 。 ( 4 ) 干燥排除很多水分，干燥后的物料能够进行很好的保存。 基于以上优点，低温干燥在生物质的干燥、食品干燥加工等方面具有很大的潜力， 是生物质干燥的一个重点发展方向。低温干燥，由于空气温度本身不高，空气的湿度成 为干燥速率、效率的关键，因此低湿空气的获得就是低温干燥的重点，常见的空气除湿 方法有：冷却除湿和化学除湿。图1 1 是常见的除湿方法。 空 气 除 湿 方 法 冷却除湿 冷却法：温度降至露点以下，水分冷凝，常压 压缩冷却法：压缩后将温度降至露点以下，水分冷凝 干式h 液体吸收式：三甘醇液体，氯化锂液体 瓦孽酒酬h 固定式h 固定式：固体吸附剂静态吸附 1 3 2 热泵低温干燥 4 图1 1 常见除湿方法 剿 硕士论文生物质低温干燥特性实验研究 热泵干燥装置主要是从低温热源获得热量，并且在高温热源处释放热量的一种装 置，热泵干燥的主要设备由干燥室、压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器等构成。其过程 的示意图如图1 2 【3 3 1 。 干空气 湿空气 图1 2 热泵低温干燥工作原理 如上图1 2 所示，热泵低温干燥的工作流程主要有个两个循环过程，第一，制冷介 质的循环：压缩机将气态的制冷工质进行压缩，得到高压力、高温度的制冷工质，然后 将制冷工质在冷凝器内冷凝成低温高压的液体制冷工质，进入膨胀阀节流后，在蒸发器 内吸收热量，并且蒸发成汽态的制冷工质，进入压缩机，完成一个制冷工质的闭合循环， 第二，干燥工质的循环，通过冷凝器加热后的干燥工质，进入干燥室，干燥物料而成为 湿热空气，然后进入除湿蒸发器析出水分排到机外，而降低温度后的干空气再经冷凝器 加热进入干燥室，完成干燥工质的循环 3 4 1 。 国内外对热泵干燥进行了一定的研究，r o s s i e t a l 对洋葱的热泵干燥进行了一定的研 究，发现热泵干燥洋葱有节能、节时、品质好等优点，对洋葱干燥提供了一定的基础【3 5 1 。 s t r o n a m e n 和k x a m m e r 对鱼类等海产品进行热泵干燥实验研究，发现通过热泵干燥后的 鱼类等海产品具有多孔性、复水性，并且很好的还原了海产品的韧性、质地和颜色【3 引。 徐国富等人通过试验发现：( 1 ) 采用热泵形式，用于生物质是可行的，但是尚存在问题 需要进一步研究；( 2 ) 热风温度限制了干燥效率，延长了干燥时间，因此风机成为耗功 的主要设备之一，在实验过程中，从接水盘出来的水量非常少，干燥热风去湿能力不足 2 1 ；( 3 ) 生物质进e l 温度及冷凝器加热后的空气，湿度偏高，主要原因是通过蒸发器后空 气温度没有能够降低到设计温度；( 4 ) 热风吹过生物质表面，进口空气温度低的时候， 出口空气湿度较低，远未到饱和，说明温度低时从生物质中带出水分困难，后期温度上 升后，情况稍好【3 j 。李远志等人，利用热泵低温干燥果蔬，发现热泵低温干燥后的果蔬 具有物料养分保持好、不破坏物料的原有属性等优点。 热泵低温干燥具有如下的优点：1 高效节能，因为其制热系数永远大于1 ，相对 于简单的电加热干燥( 制热系数永远小于1 ) ，具有能耗少等优点；2 高效干燥，由于热 绪论 硕士论文 泵干燥可以对干燥工质进行除湿处理，因此可以加快干燥速度，并且可以进行恒温恒湿 干燥，提高物料的干燥品质；3 环境友好【37 。 虽然热泵低温干燥具有上述优点，但是同时也存在一些缺点和不足：1 由于热泵 干燥需要有压缩机等运转部件，运行维护费用高，且存在不安全因素；2 热泵干燥中 要利用压缩机，一些制冷工质c f c s 是破坏大气臭氧层、引发温室效应、造成环境污染 的元1 3 1 3 s l 。 1 3 3 吸附低温干燥 另外一种低温干燥的方式是吸附低温干燥，核心部件是吸附除湿轮，利用吸附除湿 轮除去进口空气的水分，从而得到干燥空气，吸附低温干燥流程图如图1 3 ，主要由表 冷器、过滤器、加热器、干燥箱、除湿轮等构成，为了得到湿度更低的空气，空气先经 过表冷器l 降温除湿，然后进入除湿轮更进一步的除湿，再进入表冷器2 以及加热器进 行温度和湿度的调节，达到目的湿度和温度，然后进入干燥箱内对所需要干燥的物料进 行干燥；在整个吸附低温干燥系统中，除湿轮是关键，它由3 4 的除湿区和1 4 的再生 区组成，并通过除湿轮的缓慢转动用以实现连续的除湿和再生的过程，这样来保证除湿 效果的连续【3 9 1 。 加热 再生空气 、 器 1 、 除 表冷 、i 表冷 过滤 湿7 l 工。：爆利 器1器2器 轮 图1 3 吸附干燥示意图 上个世纪8 0 年代，吸附低温干燥开始进入人们的视线，国内外的学者开始对其展 开一定的研究，由于吸附低温干燥具有节能、对生物质损害小等优点，因此学者们利用 吸附低温干燥进行生物质干燥。前苏联的n a u m o r v a 等人对空气吸附干燥传热传质过 程建立了数学模型，并对此进行优化，降低能耗m 。澳大利亚的t h o r p e 等人针对粮食 的干燥过程中通风的必要性，对吸附低温干燥系统进行改进，研制出转轮除湿与通风结 合的一种新型干燥系统，并进行实验，发现此装置对于粮食的干燥，取得很好的干燥效 果；日本的名古屋大学针对大豆种子的低温干燥，设计了一套硅胶吸附干燥装置，并进 6 硕士论文 生物质低温干燥特性实验研究 行了实验，取得了很好的实验效果；国内学者丁静等人利用热敏性的果蔬( 包括木耳、 荔枝、冬菇等) 作为物料，进行吸附低温干燥实验，研究对比了吸附低温干燥前后物料 的营养成分、色差、味觉等方面的差异，并且对果蔬的吸附低温干燥特性进行了一定分 析；华南理工大学的化工学院利用吸附式转轮除湿系统，以胡萝b 、香菇、荔枝作为干 燥物料，分析了干燥过程的特性以及物料的成分变化，为生物质的干燥过程、物理化学 变化、杀菌等方面提供一定基础；福建农业大学在“果蔬脱水设备”项目中，研制出了 一种果蔬脱水系统内空气循环降湿技术，对于干燥介质的空气( 载热体和载湿体) 在干燥 过程中含湿量越来越大的情况下，在系统内部对干燥介质进行除湿处理，并排除多余水 分，同时利用实时监测空气的参数，进行反馈控制和调节，提高干燥过程的效率 4 0 l 。孙 庆梅等人( 南京工业大学) 利用自制的吸附剂作为填充剂，制成固定吸附器，用胡萝b 、 土豆、红薯等作为干燥物料，并分别考虑干燥介质的温度、含湿量、流速、物料的粒径 等对干燥过程的影响，并对比热风干燥，发现吸附干燥的干燥品质优于热风干燥，并且 在物料复水等方面也要优于热风干燥【舡4 3 j 。 由于吸附低温干燥在上个世纪8 0 年代才开始引起人们的关注，起步较晚，虽然得 到一定的研究，但是仍然存在着很多问题需要我们去解决。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 分析生物质低温干燥技术的特点与适用性。 ( 2 ) 设计搭建生物质单颗粒低温干燥实验装置。 ( 3 ) 通过实验测定典型高含水率果蔬类生物质颗粒低温干燥特性，研究干燥介质温 度、含湿量、流速及颗粒尺寸等因素对干燥过程的影响，分析低温干燥的可行性。 ( 4 ) 在单颗粒低温干燥实验装置基础上，设计搭建生物质固定床低温干燥实验装置， 进行典型生物质颗粒固定床低温干燥实验，研究固定床干燥分布特性。 ( 5 ) 设计搭建生物质移动床干燥塔低温干燥装置，为后续工作打下基础。 7 2 生物质低温干燥特性分析 硕士论文 2 生物质低温干燥特性分析 2 1 生物质干燥机理 生物质干燥是生物质进行下一步利用的前提步骤，生物质干燥是利用热量加以处 理，除去生物质中的水分，得到一定含水率的物料。生物质中的水分一般是以下形式储 存在其中。 ( 1 ) 以松散的化学结合形式储存。 ( 2 ) 液态溶液储存在生物质中。 ( 3 ) 集结在固体的毛细微结构中。 物料与水的结合形式因物料的不同而不同，大致可以分为结合水和非结合水，物料 在干燥的过程中时，干燥介质的热量传递至物料的表面，加热物料表面，使物料的表面 水分蒸发，失去表面水，同时，物料内部的水分由内向外传递，变成表面水，继续第一 步的步骤，蒸发失水，周而复始的蒸发、传递，直至干燥结束j 。 干燥过程中的干燥介质温度、干燥介质含湿量、干燥介质速度、暴露在干燥介质当 中的表面积、压力等外部条件都会影响生物质中的液体蒸发速度，这个时候水分的蒸发， 即由外部条件控制的，为恒速干燥阶段，是生物质干燥的初始阶段，在排除非结合表面 水分时特别重要，因为物料表面的水分以蒸汽形式通过物料表面的气膜向周围扩散，这 种传质过程伴随传热进行，故强化传热便可加速干燥【4 引。 物料内部水分的迁移是温度梯度、湿度梯度、物料性质( 包括物料内部的阻抗、水 分再分布等因素) 的函数，这是内部条件控制过程，称之为物料的降速干燥阶段，这个 阶段物料表面不能提供充分的自由水，热量通过干燥介质传递到湿物料中，物料的温度 开始升高，并且在物料中形成一个温度梯度，这样热量从外部逐渐传递至内部，同时随 着物料外部的水分蒸发，内部的水分逐渐向外部传递，这个水分的传递过程，针对不同 的物料，其传递的速率不一致，而这种传递过程一般是由扩散、毛细管流和干燥过程收 缩力等造成的，在临界含水率出现至物料干燥到很低的最终含水率时，内部水分迁移成 为控制因素【矧。 内部条件的调节，对于干燥过程的影响很有限，国内外学者通过实验研究发现缩小 物料的尺寸，可以降低水分的迁移阻力，加快物料的干燥速度。在一般的条件下，绝大 多数生物质的恒速干燥过程时间很短，研究发现生物质的整个干燥过程基本上都是降速 干燥过程m 。 然而，干燥过程的机理十分复杂，且物料内部的水分迁移受影响因素很多，另外还 有许多影响因素没有发现，但随着时间的推移，一定会有更多的相关研究出现，现阶段， 只能通过干燥过程曲线来反映物料的干燥特性1 4 s j 。 g 硕士论文 生物质低温干燥特性实验研究 2 2 干燥模型 一般情况下，生物质的干燥过程都是降速干燥过程，在这种干燥过程下，物料表面 的水分蒸发速率比物料内在水分的迁移速率要大，因此外部条件和干燥速度之间没有影 响关系，此时，物料的干燥速率下降，物料的温度上升 4 9 巧o 】。 对于物料在降速干燥过程中的干燥理论模型，国内外学者研究发现，主要分为以下 几种： ( 1 ) 由于存在温度梯度，而产生的汽态运动。 ( 2 ) 水分浓度梯度的存在，产生的汽态运动。 ( 3 ) 由于水分的浓度梯度，而产生的液态运动。 ( 4 ) 毛细管现象的存在，导致的液态运动。 ( 5 ) 蒸汽压差的存在，产生的汽态和液态的运动。 针对此种理论假设，得到如下的方程，用来描述生物质的降速干燥过程： 警：v 2 墨l m + v 2 k 2 丁+ v 2 k 3 p 譬= v 2 k l m + v 2 k 2 丁+ v 2 必3 p ( 2 1 ) 等：v 2 恐l m + v 2 墨2 丁+ v 2 k 3 尸 式中，k ，( f = 1 , 2 ，3 ；，= 1 , 2 ，3 ) 唯象系数，大小与湿度、温度、压力有关； m 显度； r 温度； p 压力； v 2 = 等+ 萨0 2 + 虿0 2 一l a p l a c e 算子。 在低温干燥条件下，干燥介质的温度为常温，或者略高于常温，因此可以不讨论压 力和温度的变化带来的影响，忽略压力梯度和温度项，且不将温度和水分的耦合作用考 虑在内，式( 2 1 ) 可以简化成如下方程： 百o m 矧k 。m 诋( 等+ 等+ 警) ( 2 2 ) 假设生物质物料的内部水分迁移主要是通过液态扩散和汽态扩散，唯象系数k 可 以通过扩散系数d ( 扩散系数是生物质干燥过程数学模型中的主要参数，是反映物料在 一定条件下的脱水能力) 来表示，因此式( 2 2 ) 可以简化成如下方程： 尝：v 2 伽 ( 2 3 ) 一= v ，j ， i l 、， 9 2 生物质低温干燥特性分析 硕士论文 式中，d 扩散系数。 d - 舭x p ( c - 丢) ( 2 4 ) 式中，a 、b 、c 系数，大小取决于物料的类型； 绝对温度。 假设d 的值为常数，则式( 2 3 ) 口- i n 简化成如下方程： 丝0 t = d 酵o r + 三r 丝o r ) ( 2 5 ) 、 z 式中，c 形状系数。 一般干燥的物料都是球形，假设物料为球形时，形状系数的值c = 2 ，则式( 2 5 ) 可 以转化成如下方程： m r = 砉言吉e 醑孚 亿6 ， 其中： m r = 而m - 瓦m e ( 2 7 ) m ? 一m ， 式中，m 物料初始含水率； m 平衡含水率。 x ：鱼( 历) ( 2 8 ) v 、 式中，4 物料表面积； y 物料的体积； d 扩散系数； f 时间。 考虑到式( 2 6 ) 是无穷级数，且计算十分复杂，本文中，为简化计算，只取第一项， 且假定干燥的生物质为球形，得到如下方程： m r ：吾e x p ( 一等f ) ( 2 9 ) 冗r 进一步简化，得到单项的扩散方程： m r = 4e x p ( 一k t ) ( 2 1 0 ) 式中，4 常数； k 干燥常数。 1 0 硕士论文生物质低温干燥特性实验研究 扩散系数暂时没有很好的求解方式，一般通过实验方法获取，对式( 2 9 ) 两边取对数，