（环境工程专业论文）城市生活垃圾干燥过程的数值模拟研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要： 垃圾焚烧能够迅速实现垃圾的减容减量及无害化处理，应用日益广泛。但垃 圾中的水分降低了垃圾的发热量和焚烧效率，因此干燥处理在焚烧中至关重要。 本文通过数值模拟的方法，对生活垃圾的干燥特性进行了研究，可为后续燃烧模 型的研究打下一定基础，并可为垃圾焚烧干燥的实际工程提供参考和依据。 本文根据生话垃圾具有的多孔介质特点，对干燥过程中垃圾内部、垃圾与干 燥气流间的传热传质进行了研究。依据体积平均理论的主要假设，建立描述垃圾 在马弗炉和流化床密相区内干燥过程的数学模型，得到以垃圾含湿量和温度为基 本参数的干燥过程控制方程。运用数值计算方法，采用交警方向隐式法和全隐式 法对控制方程、边界条件进行离散，得到一系列非线性方程组，采用f o r l r a n 语言 编程对其进行数值求解。 运用以上模型和程序，本文分别对不同种类的垃圾在马弗炉和流化床密相区 内不同干燥条件下的干燥过程进行了模拟，最终得到垃圾平均含湿量、平均温度 和干燥速率的变化特性以及垃圾内部含湿量和温度的二维空间分布。将干燥模型 得到的计算结果与实验数据进行对比，两者吻合较好，证明模型是合理的，本文 获得的研究结果可以满足工程研究的需要。计算结果表明，垃圾内部含湿量分布 从近平面状变化为凸状，最后趋向平面状：垃圾表面传热传质系数、垃圾尺寸及 初始含湿量、干燥气体温度与相对湿度在不同程度上影响干燥过程。 关键词：城市生活垃圾；多孔介质；干燥；传热传质；数值模拟 分类号：t u 9 9 3 3 j b 京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a s t ei n c i n e r a t i o ni sae f f e c t i v ep r o c e s s i n gm e t h o df o rw a s t ee n d l e s s l y , w h i c h 锄 r a p i d l yd i m i u s ht h ev o l u m ea n dm a s so f w a s t ea n dm a k ew a s t ei n n o x i o u s t h ed r y i n go f w a s t ei s i m p o r t a n t , b e c a u s ew a t e ri nw a s t ew o u l dr e d u c ei t s c a l o r i ca n db u r i n g e f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , t h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so fw a s t ei ss t u d i e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n , t h er e s u l t sg e tf r o mw h i c hc a nb eu s e df o rf u r t h e rr e s e a r c h0 0c o m b u s t i o n m o d e la n dc a l lp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ed r y i n gt e c h n o l o g yo f w a s t e i nt h i sp a p e r , h e a ta n dm a s st r a n s f e ri n s i d et h ew a s t ea sw e l la sb e t w e e nt h e 嘲s t e a n dh o ta i ri ss t u d i e da e c r o d i n gt ot h es i m i l a r i t yb c t w e g nw a s t ea n dp o r o u sm e d i & a m a t h e m a t i c sm o d e lo nt h ed r y i n gp r o c e s so fw a s t eh a sb e e nb u i l ti nt h eb a s eo f v o l u m e a v e r a g et h e o r y ，w h i c hi sd e s c r i b e db yt w os t a t e v a r i a b l e ：m o i s t u r ec o n t e n ta n d t e m p e r a t u r e t h r o u g hd i s c r e t i z a t i o no fg o v e r n i n ge q u a t i o n sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n e q u a t i o n su s i n gt h ea l t e r n a t i n gd i r e c t i o ni m p l i c i tm e t h o da n dt h ef u l l yi m p l i c i tm e t h o d ， n u m e r i c a lr e s u l t so f d r y i n gp r o c e s sa r ec o m p u t e db yf o r t r a nl a n g u a g e i nt h i sp a p e r , t h ed r y i n go fd i f f e r e n tt y p e so fw a s t ei nm u f f l ea n dc i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e do nd i f f e r e n tc o n d i t i o n si ss i m u l a t e db yt h e d r y i n g m o d e la n d c o m p u t a t i o n a lp r o c e d u r e sa b o v e , t h e nw ec a ng e tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa v e r a g em o i s t u r e c o n t e n t ，a v e r a g et e m p e r a t u r ea n dd r y i n gr a t ea n dt h ed i s t r i b u t i o no fm o i s t u r ec o n t e n t a n dt e m p e r a t u r ei n s i d ew a s t e c o m p a r i n gw i t l lt h ea v e r a g em o i s t u r ec o n t e n t s , i ts h o w s t h a tt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n o s c u l a t ew e l l ，f r o mw h i c hi t c a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ed r y i n gm o d e li sr e a s o n a b l ea n dc a nb eu s e di ne n g i n e e r i n g s t u d i e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta tb e g i n n i n go ft h ed r y i n gp r o c e s s , t h e r ei ss m a l l e r m o i s t u r ec o n t e n td i f f e r e n c eb e t w e e nb o u n d a r ya n dc e n t e r t h e nt h ed i f f e r e n c eb e c o m e s l a r g e ra n dt h es h a p eo ft h em o i s t u r ec o n t e n td i s t r i b u t i o ns k e t c hm a pb e c o m e sg i b b o s e a tl a s t , t h ed i f f e r e n c ei ss m a l l e ra n dt h es h a p eo ft h em a pb e 4 m e sp l a n e d r y i n g p r o c e s sw o u l db ea f f e c ti nv a r y i n gd e g r e e sb yh e a ta n dm a s s t r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa tt h e s u r f a c e ，v o l u m eo fm a t e r i a l s ，i n i t i a lm o i s t u r ec o n t e n t , d r y i n gt e m p e r a t u r ea n da i r r e l a t i v eh u m i d i t y k e y w o r d s ：m s w ：p o r o u sm e d i a , d r y i n g ，h e a ta n dm a s st r a n s f e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：嗣年垃月驴日签字日期：纠年f z 月胗e t 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：京半必象签字日期：川 年珐月驴日 致谢 本论文的工作是在我的导师李国岫教授的直接关怀和悉心指导下完成 的。在攻读硕士学位期间导师在学习、科研及生活上给予了我极大的关心与 帮助，为我提供了良好的学习与工作环境。导师高尚的人格，严谨的治学态 度以及敏锐的科学洞察力使我受益匪浅。在此衷心感谢导师对我的关怀与指 导。 在论文工作期间，虞育松师兄给予了我很大的支持和帮助，在此向师兄 表示诚挚的感谢。另外，还要感谢阮仔龙同学、陈允轩师兄以及实验室的师 弟师妹对我的帮助。 同时，要感谢父母对我支持和关心，我的进步与他们是分不开的。 最后，真诚的感谢在百忙中评阅本论文的诸位专家。 l 绪论 l 绪论 城市生活垃圾是指居民生活、商业活动、市政建设、机关办公等过程中产生 的固体废弃物i l 】。随着城市经济的发展和人民生活水平的不断提高，城市生活垃圾 大量产生，已成为污染环境、影响生活的重要问题之一。不仅会对大气、土壤、 水体造成污染，严重影响了城市环境卫生，而且威胁了人民身体健康，成为社会 危害之一，因此这一问题日益受到各国政府的重视，各地都在积极寻找有效的解 决方法。 1 1 本课题的研究背景和意义 1 1 1 研究背景 现在，全球每年约产生垃圾1 0 0 亿吨，并且以每年近3 的速率增加，有的国家 增加率达到1 0 。俄罗斯每年产生生活垃圾近7 0 0 0 0 k t ，美国是俄罗斯的3 倍，日本 每年也有3 5 0 0 0 k t 的垃圾产生。美国年人均产生垃圾近6 0 0 k g ，欧洲3 2 0 k g ，亚洲地 区人均生活垃圾产生量也在2 0 0 k g 左右拉j l 。最近1 0 年欧洲国家生活垃圾平均增长率 为3 ，德国为4 ，瑞典为2 ，韩国生活垃圾年增长率高达l l 4 l 。 目前我国每年产生工业固体垃圾9 5 亿吨，其中危险废弃物1 0 0 0 万吨；城区生 活垃圾年产生量1 5 亿吨，并且每年以7 1 0 的速度增长1 5 j 。国内调查表明，国 内城市人均垃圾产量达到1 5 s k g d 【6 j ，若城市人口按3 亿计算，我国城市生活垃圾年 产量达到1 7 亿吨。图1 - 1 为我国城市生活垃圾产生情况p 】。我国垃圾处理工作起步 较晚，水平低，基础设旌差，垃圾治理仍处于初级阶段，缺乏可靠的工艺设备。 因此，垃圾成为我国城市最严重的污染源之一。 城市生活垃圾的快速增长要求完善其处理处置的方法，不适当的垃圾处理方 法会加剧其对环境的危害，因此垃圾的处理和利用已成为环境科学和能源科学的 重要研究课题。依据可持续发展的战略，垃圾处理的目标应该是：实现无害化、 减量化和资源化。由于城市生活垃圾的来源与成分都较为复杂，因而处理十分麻 烦。经过长期的研究和实践形成了多种方法和途径，普遍使用的有填埋法、堆肥 法以及焚烧法。进入2 0 世纪9 0 年代以来，由于全球经济的飞速发展和城市生活垃 圾处理技术的不断提高，各国城市生活垃圾处理方式的比例也发生了明显变化， 焚烧法的应用出现了较大趋势的提高。表1 1 给出了国外垃圾处理技术构成【s j 。在 北京交通大学硕士学位论文 世界主要发达国家和地区的垃圾处理系统中，垃圾焚烧技术占有重要地位。焚烧 技术是一种对城市生活垃圾进行高温热化学处理的技术。焚烧处理特别对于混合 垃圾有较好的适应性，能够显著地实现垃圾减量化与能源化，尤其是针对垃圾量 巨大的现状，具有明显的优势。日本等经济发达、土地资源紧张的地区，焚烧是 垃圾处理的主要手段：欧盟和美国均鼓励垃圾焚烧并转化为能源，并且已有相当 多的应用，随着原生垃圾填埋的限制，焚烧处理的应用有增加趋势。香港也已开 始考虑焚烧技术。我国对垃圾的焚烧处理能力a t , 2 0 0 1 年的6 5 2 0 t d ：提升到2 0 0 5 年的 3 3 0 1 0 t d ( 翻了近s 倍) ，焚烧处理能力在垃圾无害处理能力的比例中已a k , 2 0 0 1 年的 3 提升到2 0 0 5 年的1 3 ( 增加了l o 个百分点) 。在东部地区，已经开始在国家政策 的引导下广泛采用垃圾焚烧处理技术，建设了一批现代化生活垃圾焚烧发电厂。 建设部2 0 0 6 年统计资料显示，截止至2 0 0 5 年底，全国生活垃圾焚烧厂6 6 座，处理 能力3 2 2 万吨，日，处理量7 8 0 万吨。填埋、堆肥和焚烧的处理能力所占比例分别为 8 5 、5 和l o 。 图1 - 1 中国城市生活垃圾产生状况 焚烧法是指从城市生活垃圾中分选出可燃物，然后在焚烧炉中燃烧，生成烟 气和固体残渣。将生活垃圾作为固体燃料送入炉膛内燃烧，在8 0 0 - 1 0 0 0 1 2 的高温条 件下，城市生活垃圾中的可燃组分与空气中的氧进行剧烈的化学反应，释放出热 量并转化为高温的燃烧气体和少量的性质稳定的固体残渣。当生活垃圾有足够的 热值时，生活垃圾能靠自身的能量维持自燃，而不用提供辅助燃料。垃圾燃烧产 生的高温燃烧气体可作为热能回收利用，垃圾中的细菌、病毒等能被彻底消灭， 各种恶臭气体得到高温分解，烟气中的有害气体经处理达标后排放。焚烧处理可 以大幅度减少垃圾体积和重量，焚烧后残渣的重量是垃圾重量的2 5 3 0 ，体积 2 1 绪论 是原来的8 1 2 。焚烧处理能分解有毒、有害的垃圾，使之成为无毒、无害的 简单化合物，排出的残渣也容易处理，无害化程度高。焚烧产生的热量可以用来 供热和发电，能有效回收能源资源，是一种有效的、先进的方法。 表1 1 国外垃圾处理技术构成( 2 0 0 7 年)单位； 国家填埋堆肥 焚烧回收 英国 8 51 5 美国 6 052 5 法国 5 0 2 0 3 0 荷兰5 02 03 0 比利时 6 292 9 德国7 232 5 瑞士 1 51 47 0 丹麦3 2 l l2 4 奥地利6 5 1 l2 4 瑞典7 522 3 日本3 29 26 53 澳大利亚 6 2l l2 4 目前垃圾焚烧技术市场上可见的各种型号的焚烧炉多达2 0 0 多种【9 】，但应用广 泛、具有代表性的垃圾焚烧炉主要有四类，即炉排型焚烧炉、流化床焚烧炉、回 转窑焚烧炉和热解气化炉。我国国内处理城市生活垃圾常用的是炉排型焚烧炉和 流化床型焚烧炉，回转窑焚烧炉主要用于对工业或医疗等危险性废弃物的处理。 炉排型焚烧炉是开发最早的炉型，也是目前在处理生活垃圾中使用最为广泛 的焚烧炉，其应用占全世界垃圾焚烧市场总量的8 0 以上【l o 】。目前常用的炉排结 构如图1 2 所示。该类炉型的焚烧技术发展较为成熟，多用于焚烧混合型生活垃圾。 对垃圾的形态、发热量、含水率等适应范围广，可省去垃圾预处理的工程投资， 结构简单，运行可靠，焚烧能力大，尤其应用于大规模垃圾集中处理，可用于垃 圾焚烧发电( 或供热) 。许多国家都普遍采用这种类型的焚烧炉。但这种机械炉捧 也有局限性，含水率特渤高的污泥，大件生活垃圾不适宜直接用炉排型焚烧炉。 从燃烧学角度看，炉排型焚烧炉的燃烧方式属于层状燃烧，适用于成分稳定、热 值较高和水分较低的燃料。总体而言，欧美发达国家的生活垃圾品位较好，属于 成分稳定、热值较高和水分较低的燃料，较适应炉捧型焚烧炉的燃烧，运行稳定； 北京交通大学硕士学位论文 但仍需要油气助燃，运行成本较高。我国的生活垃圾品位较差，具有成分复杂多 变、热值低、水分高的特点，从国外引进的炉排式焚烧炉需要进行必要的技术和 工艺改进，并经过一个渐进的适应过程，才能真正在我国较好的推广应用。从炉 排的结构形式上来讲，炉排的类型可以分成由炉排块构成的炉排和由一组空心圆 筒组成的炉排两类；从炉捧的运动形式来看，可以分为往复运动和滚动运动两类。 目前我国研制开发的炉捧焚烧炉主要有链板式生活垃圾连续焚烧炉、阶梯式往复 炉排焚烧炉、二段往复式垃圾焚烧炉排、机械炉排式焚烧炉。 图l - 2 炉捧型焚烧炉炉捧结构示意图图l - 3 流化床焚烧炉 流化床焚烧炉技术在2 0 世纪6 0 年代便已开发。从垃圾的送入开始到垃圾供给 系统、焚烧炉、汽锅炉、气体冷却室、除尘器、烟囱，整个过程与机械炉排几乎 一样。流化床焚烧炉的特征在于其特设的垃圾供给装置、不燃物排出装置、床料 循环装置和分选装置。流化床焚烧技术已发展成熟，由于其热强度高，更适宜燃 烧发热值低、含水分高的垃圾。但垃圾需预先处理，动力消耗大，烟气含尘高。 因此用于垃圾预处理及尾气处理的投资较高。图1 3 示出了流化床焚烧炉的结构示 意图。时问、温度和湍流度( 即3 t ) 是组织良好燃烧过程所必须保证的，在流化 床焚烧炉中，可以充分满足上述三个条件良好的内循环和外循环给燃烧颗粒在 足够高温度下提供了足够长的停留时间，循环床内强烈的气同混合为良好的燃烧 提供了必须的湍流度。送入流化床的燃料颗粒将依次经历如下过程：( 1 ) 干燥： 垃圾( 或焦炭) 占床料的重量百分比一般为1 3 ，其余为灰和石灰石，当新鲜 燃料送入流化床后，立即被大量惰性床料所包围并被加热至接近床温，加热速率 一般在1 0 0 1 2 s 1 0 0 0 c s 的范围。影响加热速率的因素很多，其中之一为燃料的 粒度。燃料的干燥过程取决于燃料的水分和粒度由于加热速率较高，加热时间 l 绪论 短，因而干燥过程很短暂，以至于与挥发分析出过程紧密相连。对于水分高达4 0 以上的生活垃圾，若把燃料直接投入密相区，由于水分闪蒸等原因，可能导致床 压剧烈波动。( 2 ) 挥发分析出：挥发分析出过程即热解过程，是指燃料受热分解 并产生大量气态物质的过程。对垃圾而言，挥发分的第一个稳定析出区域大约发 生在温度为3 0 0 5 0 0 c 范围内，第二个稳定析出区域在温度为6 0 0 8 0 0 范 围内。燃料的工业分析为挥发分产率提供了一个大致范围，但挥发分的精确产率 和成分却受到许多因素的影响。( 3 ) 焦炭燃烧：焦炭燃烧通常是在挥发分析出基 本完成后开始的，在焦炭燃烧过程中，气流中的氧先被传递到颗粒表面，然后在 焦炭表面和碳发生氧化反应生成c o 和c 0 2 。焦炭是多孔颗粒，有大量不同尺寸和 形状的内孔，这些内孔表面积要比焦炭外表包覆面积大好几个数量缓。在一定条 件下，氧还会通过扩散进入内孔并与内孔表面的碳产生氧化反应。焦炭燃烧在垃 圾焚烧中是一个相对次要的过程。 1 1 2 本课题的选题意义 采用焚烧法处理垃圾，垃圾从送入焚烧炉起，到形成烟气和固体残渣的整个 过程，包括加热干燥、热解、燃烧、燃烬四个阶段。与其它焚烧原料相比，生活 垃圾中的有机物，绝大部分是高水分的植物类物质，实际入炉的垃圾水分较高。 表1 2 1 、表1 3 辩1 分别给出了部分发达国家和我国城市生活垃圾组成的情况，从中 可以看出水分在垃圾中所占的比例还是比较高的，特别是我国部分城市垃圾水分 含量。 城市生活垃圾是典型的高水分低热值燃料，垃圾中水分的含量多少对垃圾焚 烧的热值会产生很大的影响。由于水分是垃圾中的不可燃成分，对于水分含量较 高的垃圾，其汽化潜热损失占了很大比例，从而造成可用能下降。高水分垃圾直 接送入炉内，把大量水分带入，而大量水分的带入会使燃烧温度下降，着火过程 延迟，炉内温度波动，热效率降低，还容易腐蚀设备。我国城市生活垃圾大多数 应用基水分高达4 0 以上，并且只是在储仓内自然脱水，然后直接进入炉内燃烧， 平均低位热值低于6 0 0 0 i ( j 蚶”j 。因此，如何在垃圾燃烧前除去其中的水分，对垃 圾进行干燥处理在整个垃圾焚烧过程中起着至关重要的作用。特别是对于我国高 水分、低热值的城市生活垃圾焚烧技术更有着重大的工程技术价值。本课题将对 城市生活垃圾的干燥过程迸行研究，预测焚烧炉中城市生活垃圾的干燥行为，对 指导调整干燥参数，制订干燥计划都有重要意义。 5 北京交通大学硕士学位论文 表1 - 2 部分发达国家城市生活垃圾的平均组成及含水量单位： 家 英国日本荷兰德国瑞士瑞典意大利比利时 缄 食品垃圾 2 72 2 72 11 52 02 22 52 1 纸类 3 83 8 22 52 84 54 5 2 0 3 0 细碎物 l l2 1 12 02 82 052 52 6 金属 94 i3757 3 2 玻璃 97 11 095774 塑料 2 57 3433959 其它3 5o 5 1 7 1 0 2 51 58 平均含水率 2 s o2 32 53 53 52 53 02 8 表l - 3中国部分典型城市生活垃圾的工业分析 1 绪论 1 2 城市生活垃圾干燥过程的国内外研究现状 城市生活垃圾的干燥过程是有多相多组分参与的传热传质相互耦合的典型的 非稳态不可逆过程。干燥过程与物料性质、含湿组分和状态等密切相关，固体物 科的热、质传递是干燥过程研究的最重要的基本问题之一。 生活垃圾由无数形状各异、体积不同的垃圾碎块堆积而成。碎块之间有许多 的孔隙，碎块内部也有许多的微孔，因此将其视为多孔介质处理i 】。 1 2 1 多孔介质干燥基本理论 多年来众多学者对多孔介质的干燥进行了实验观察和理论分析，提出含湿多 孔介质物料的干燥过程的五种湿份迁移机理：湿份在浓度梯度作用下的扩散迁移； 毛细管力引起的液体在毛细管内的流动迁移；湿份在压力梯度作用下的多孔介质 空隙中的渗流迁移；由于物料内部温度梯度而引起的湿份热扩散迁移；湿份在毛 细通道中蒸发与冷凝所引起的湿份迁移。 相应的描述多孔介质内部热湿迁移过程的干燥模型有三种类型，分别是经验 模型、半经验模型和理论模型。根据干燥曲线外形得到的指数模型就是一种经验 型模型，模拟牛顿冷却定律得到的指数模型则是一种半经验模型，此外p a g e 方程、 s a b b e t 方程等均属于半经验模型。理论模型有单一型理论模型和综合理论模型两 种，单一型理论模型主要有扩散理论、毛细理论和蒸发一冷凝理论等，综合型的 模型有主要有p h i l i p 与d ev i e s 理论、k r i s c h e r 与b e r g e r 以及p e i 理论、l u i k o v 理论、体积平均理论等。 ( 1 ) 指数模型 由于干燥曲线外形近似于一条指数曲线。因此，人们便以指数函数来近似替 代干燥曲线，l e w i s ( 1 9 2 9 年) 模拟牛顿冷却定律，得到的指数模型如下： m r 2 嚣2 e x p ( - 矗) m 。， 其中，m r 相对含水率5 肘平均含水率； 皿平衡含水率； m o 初始含水率； f 干燥时间。 ( 2 ) p a g e 方程和s a b b e t 方程 指数模型忽略湿组分的内部阻力，仅考虑表面阻力，在此模型基础上加以改 7 北京交通大学硕士学位论文 进得到一系列模型，其中最典型也是最常见的有： p a g e 方程：m r = o x p ( - 船“) ( 1 - 2 ) s a b b e t 方程： 组= 懿p i ) ”i ( 1 - 3 ) g m w h i t e 曾用s a b b e t 方程描述大豆的干燥特性获得良好的结裂”j ，acc l i m a 和s c s r o c h a 利用p a g e 方程模拟大豆也得出很好的结果【嘲。p a g e 方程已广 泛用于农产品和食品干燥，尤其是在缺乏可靠参数如有效扩散系数、物料空隙率， 及物料形状不规则的情况下，更为有效。 ( 3 ) 液相扩散理论 l e w i s 7 】在2 0 世纪2 0 # 代提出了液态扩散理论，认为干燥时固体物质内的湿份 是以液态扩散形式进行迁移的，推动力为其内部的湿份浓度梯度。 过程的数学模型为：警= v ( x , v u ) ( 1 - 4 ) 这种理论认为液体扩散是湿份迁移的唯一方式。 b a b h i t _ 【擂1 认为，物体内扩散的推动力不应该是湿份的浓度梯度而是压力梯度 另外，单一的浓度方程也不能区分可能同时存在的、其他流动机理引起的扩散。 该理论忽略了物体内部的温度梯度，假设扩散是等温扩散，也受到了人们的质疑。 但液态扩散的确会造成湿份迁移，同时由于它的形式简单、明了，使用方便， 迄今仍被许多人应用。 ( 4 ) 毛细管理论 毛细管现象是指由于液体和固体之间存在分子吸引力而产生的、穿过缝隙或 沿固体表面的液体流动。b l l c l d n 曲缸最先分析了这种现象，定义了毛细势毛 细管中气液界面上两侧的压力差嘲毛细作用下，界面因为液体的表面张力作用 呈现弯曲状。 认为毛细势是推动液体迁移的驱动力。 毛细液流通量： 2 - k h v 妒 ( 1 5 ) 如非饱和水力传导率； 毛细势。 等温条件下，毛细势与湿份梯度成正比。 以2-kspvm(1-6) ( 5 ) 蒸发冷凝理论【嬲1 该理论认为多孔介质内部的湿份迁移只以蒸汽态的形式扩散。干燥过程固体 l 1 绪论 介质内部的扩散相处于不断蒸发和冷凝的状态，物料内部湿份蒸发产生的蒸汽并 不是全部向物料表面扩散的，而是有一部分要向物料内部迁移，由于物料内部温 度较低，这部分蒸汽会重新凝结成液相，凝结释放的汽化潜热用于加热湿区物料， 使其温度提高。这一理论假定热和质同时扩散。并假定内部的空洞是连续的绸装 结构。还进一步假定物体内的蒸汽量与蒸汽浓度和温度呈线性关系。扩散系数为 常数，并推导出热质传递方程。 物质平衡：扩散进入单元的蒸汽量等于空气中增加的水分加上固体中增加的 水分。 能量平衡：固体骨架热含量的增加等于由传导进入的热量加上固体脱吸水分 放出的热量。 在此模型中，蒸发与冷凝理论是假设多孔系统中的许多相，在连续的绸状空 间中分布是如此的细微，以致该系统可以看作类似于单相系数。所以只要温度梯 度存在，向着干燥表面必产生蒸汽压梯度，水分可以有蒸汽扩散经过固体骨架到 达表面散入大气中，该理论可用于任何固体的干燥，只要固体的一面在加热，则 另一面必在干燥。 + 质量平衡： a k r v 2 埤= 4 警岫) 见詈 m n 扩散进入单元的蒸汽量等于空气中增加的水分加上固体中增加的水分。 能量平衡： 毗百o t 却2 h 警 ( 1 - 8 ) 固体骨架热含量的增加等于由传导进入的热量加上固体脱吸水分放出的热 量。 4 孔道中空气的体积分数； p 扩散路径迂曲度系数； 厶固体的吸附、解吸热； j 乙导热系数； 0 蒸汽扩散系数。 g t 盯等人通过对土壤类不饱和多孔固体的实验观察证实，由温度梯度所引起 的内部湿份移动不存在液相流；然而当存在压力梯度时，湿份的迁移就完全以液 相的形式进行。 根据蒸发一冷凝理论，多孔介质内部湿份迁移的形态主要取决于是否存在温度 9 北京交通大学硕士学位论文 梯度，只有在温度梯度存在的条件下才有湿份以蒸汽形态传递的可能。y o u n g 建议 用l e w i s 数来判断干燥过程中是否需要考虑蒸汽传递的作用，l e w i s 数大于6 0 时可 以忽略温度梯度，不考虑蒸汽传递，i 剖v i s 数小于6 0 时，则必须考虑蒸汽传递的影 响。 ( 6 ) 蒸发前沿理论模型和区域蒸发理论模型 随着干燥过程的不断进行，当物料含湿量下降到某一值后，湿份的蒸发过程 将渗透到物料内部，早在1 9 2 9 年，s h e r w o o d t 2 4 l 就发现了这种现象。后来，s h e r w o o d 和l u i k o v 经过研究揭示了这种现象的物理机制，认为当蒸发过程渗透到物料内部 时，蒸发在一个面上进行，即存在一个蒸发前沿，将多孔介质分成性质完全不同 的“于区碍杠“湿区”，在干区，湿份的迁移主要是蒸汽的扩散，而在湿区，湿份的 迁移主要是液态湿份的运动，并认为蒸发主要发生在蒸发前沿上。随后，这种思 想得到了进一步发展，提出了蒸发前沿模型，这是一个典型的双区域模型，又称 分区域模型。 此外，w h i t a k e r 和n i c 等假设在整个“湿区”内含湿饱和度为一常数，简化了数 值计算，但结果不够理想，p r e m y c h i 和s 虮瞄l l o 在双区域模式基础上更迸一步指出： 蒸发不可能在一个非常薄的蒸发前沿上完成，而是存在着一个蒸发区域，从而形 成了三区域模式，即区域蒸发理论模型。该理论认为当蒸发过程渗透到物料内部 时，蒸发过程不是在一个面上，而是在一个区间进行，此区间的位置和大小与干 燥条件、物料内部的几何结构、物料与湿份的结合形式有关。八十年代末期，c h e r t 等人引入了“结合水的概念，认为“结合水”不仅存在于吸湿性多孔介质中，而且也 存在于非吸湿性多孔介质中，即那些留存在毛孔末端微细毛孔或封闭小孔内的不 易被空气所替代的液态水，并按质传递机理的不同，将多孔介质分成三个区域。 m c 和t t u n e r 弓 进了解吸等温线和h e a v i s i d e 函数，克服了在籀t 区”内假设含湿饱 和度为一常数的缺点，并使之推导出控制方程组适用于含湿多孔介质整个干燥过 程。魏琪等2 5 1 在杨世铭教授指导下采用等效扩散模型【2 6 , 2 7 1 的思路，将它引伸到降 速段，其计算结果对降速段物理过程的特点作了进一步的揭示，认为多孔介质表 面出现干斑虽是降速段开始的标志，但并不是出现干区的起始。这时，多孔介质 内部的含湿量还远高于不可缩减含湿量，表面温度基本上保持恒速段的水平。只 有当表面完全交干( 即出现干区) 时，物体表面和内层温度才会出现实质性的变 化。 ( 7 ) p h i l i p 与d e v i e s 理论1 2 3 第蚓 p h i l i p 与d ev i e s 分别导出了多孔介质内同时存在水分梯度和温度梯度时的质 量和热量传递方程。认为湿份传输同时存在气相和液相当中，而这两相流体的运 动都是由温度梯度和湿份梯度驱动的，液体的流动还有毛细作用的驱动方程如 1 绪论 下： 警= v ( 如，v r ) + v 忆跗) + 西0 g o - 9 ) 岛气昔2 v ( 磁v f ) + 句v 蹦) ( 1 1 0 ) k ，温度梯度导致的湿( 包括汽液两相) 扩散系数； 邑湿扩散系数； g 液相的重力流率； 蜃0 导热系数； b 蒸汽扩散系数； 几介质密度； q 介质比热； 厶固体的吸附、解吸热。 后来d e v i e s 考虑了润湿热和焓，并将湿份在液相和气相的变化区分开来，对 此理论又进行了改进。 p h i l i p 与d ev i e s 理论的物理依据充分，但基本没有在食品和农产品干燥应用。 方程中的传输系数要通过试验得到。 ( 8 ) k r i s c h e r 与b e r g e r 以及p c i 理论5 2 8 2 9 3 】 k r i s c h e r 假设干燥时湿份能通过毛细作用以液体形式迁移，也能在蒸汽浓度梯 度下以蒸汽形式迁移。流量方程为： ， j l = k l p m ( 1 - 1 1 ) 以2 咆犯 n 1 2 ) 蜀_ i 瘦体扩散系数； 墨基于蒸汽压力的蒸汽扩散系数。 b e r g e r 和p e i 是k r i s c h e r 理论的扩充，基于假设：液态迁移由毛细流动和浓度 梯度引起，蒸汽扩散则由蒸汽压力梯度引起；内部热传递主要包括多孔介质骨架 的热传导和相交潜热；在材料内部的任意点，液体含量、蒸汽分压和温度达到平 衡；对于液体含量大于最大吸收量时，蒸汽压等于饱和压；所有热质传递参数均 为常数；f i c k 定律有效。 得到质平衡方程和热平衡方程： k , p t v z c + 髟 ( 口一c ) v 2 c 纬 = 一伟) 百0 c + ( 口一c ) 誓 ( 1 - 1 3 ) 北京交通大学硕士学位论文 署= 胛2 r + 去 巧 c 口一o v 2 办一v 一。一。警+ 办筹 m 。钔 c 体积湿含量； 口导温系数； 4 千空气的体积含量。 以上方程主要应用于食品及生物制品干燥过程。 ( 9 ) l u i k o v 理论【2 5 , 2 8 , 2 9 , 3 2 j 3 矧 l u i k o v 在1 9 5 4 年就认识到温度对水分迁移过程的影响，他根据不可逆热力学、 宏观质量、能量守恒定律，并引入迁移势概念，认为热传递不仅取决于热传导， 而且还取决于湿组分的再分布；质传递不仅取决于湿扩散，还取决于热扩散。l u i k o v 发现水分扩散现象，并建立了温度梯度也是物料中水分传递因素的概念。认为毛 细管多孔体中，内部热和质的传递，可由蒸汽扩散和液体扩散二者构成。两者均 是由总浓度梯度和温度引起的。l u i k o v 首次运用热动力学不可逆输运定律，定义 了一组偏微分方程组来描述毛细多孔介质内部传热传质相互耦合的内在关系。此 后，l u i k o v 迸一步考虑到多孔介质内部压力对热质传递的影响，注意到了气相动 量方程的重要性，并把多孔介质传热传质过程归结为温度、湿份和压力的相互作 用，导出了以温度t 、含湿量u 和压力p 为迁移势的一组偏微分方程。l u i k o v 这 种相互作用关系，即本构关系是通过某些唯象方程确立的，即热流密度、气体质 量流密度、液体质量流密度的唯象方程。l u i k o v 认为驱动力与流量存在一定的线 性关系，并存在总浓度梯度下的液态扩散和温度梯度下的蒸汽扩散。并且假设如 下： 1 ) 蒸汽、空气和水分子的质量传输会同时发生。蒸汽和惰性气体( 空气) 以 扩散、渗流以及存在压力梯度时的滤流等形式进行；而液体的传递则以扩散、毛 细吸附和滤流的形式进行。这些传输方式均被有条件的称为扩散，并采用与f i c k 定律相同的形式加以描述； 2 ) 不考虑收缩和变形； 3 ) 物料各向同性： 4 ) 忽略松弛项。 得到质量、能量平衡方程： 祟：墨l v 2 m + 墨2 v 2 r “ 【i 一1 5 ) 譬= 局i v 2 t + k v 2 m 8 ( 1 - 1 6 ) 1 绪论 在l u i k o v 理论中，一切物料特性都包含在四个综合系数里。 考虑到局部温度变化可能引起附加压力梯度对过程的影响，l u i k o v 提出带有 压力变化的模型： 鼻，r 詈= 墨i v 2 r + k 2 v 2 膨+ 墨，v 2 p “ ( 1 - 1 7 ) ! ： = 墨i v 2 r + 岛v 2 m + 岛v 2 p “ ( 1 1 8 ) k 詈= 墨l v 2 t + k 3 2 v 2 m + k 3 3 v 2 p “ ( 1 1 9 ) 这就是后来的研究者称之的三参数方程。但系数的确定是一个难点。 ( 1 0 ) 体积平均理论1 2 5 , 2 8 , 3 5 3 6 , 3 7 l w h i t a k e r 利用体积平均法，从单相的热质平衡方程出发，将多孔介质内部不 同的相进行体积平均，得到多孔介质热质传递连续方程组。 w h i t a k e r 认为多孔介质由固液相和气相共同组成。气相是包括水蒸汽和空气 在内的二元体系。含湿多孔介质的干燥过程首先从液相处于连续状态开始，随着 湿份的大量除去，打断了介质内部液相在空隙中的连续性，这种液相连续性是发 生液相迁移行为的必要条件。当宏观方程能够应用到不连续空间区域时，基于体 积平均方法的宏观方程则可以应用到整个多孔介质中。w h i t a k e r 从数学上证明了 宏观方程描述宏观传输现象的有效性。 体积平均理论假设固体骨架为刚性，多孔介质处于局部热平衡，认为气相传 输主要机制为f i c k 扩散和渗流作用、液相传输主要机制为毛细流动，并认为d a r c y 定律有效且没有边界水存在。 基于以上假设，w h i t a k e r 应用体积平均的方法，在系统内任选一个表征单元 体，认为该单元体的结构可以反映整体，然后对该单元体微容湿结构内湿份传输 模型进行求解来确定“有效传输参数”。并将之应用于该系统宏观传输模型，最终得 到多孔介质干燥过程的控制方程。 体积平均理论采用真实物性的体积平均值去描述多孔介质物料内部的传热传 质过程，已成为一种研究多孔介质干燥过程，建立数学模型的流行方法。利用 w h i t a k e t 体积平均”概念建立的多孔介质内部湿份传输方程其型式与l u i k o v 、 p h i l i p 与d ev i e s 迁移方程完全相同。虽然体积平均理论也有其缺陷，比如运用体 积平均属性去强制代替介质的真实属性并不一定能反映真实性，但其优点也是明 显的。该方法对多孔介质干燥过程的描述在概念上是清晰和容易理解的，并且使 有些参数不再需通过试验确定成为可能，将连续性模型由半理论型转化为理论的 1 3 北京交通大学硕士学位论文 分析模型。 1 2 2 国内外研究现状 马晓茜等哪l 以焚烧炉中垃圾团块的传热问题为背景，研究了高水分多孔介质 物料在高温环境下的传热规律。没有考虑液相问题，仅仅考虑了气相和固相间的 传导、对流、辐射换热，并且假设传热过程中气、固两相均匀无相变。对固相把 导热、对流、辐射都考虑在有效导热系数中。认为气固两相处于非热平衡态，分 别导出了气相连续性方程、气体运动方程、气固和固相的能量方程以及状态方程。 采用局部容积平均法，导出平均化方程，最后得到垃圾团块内部气、固两相的温 度分布。 杨小静等p 9 1 根据试验数据进行理论推导，利用p a g e 方程和扩散方程，对流化 床内玉米的干燥过程进行模拟，并对两方程的模拟结果进行了比较，求出适合于 玉米的干燥数学模型，找出玉米干燥的客观规律，为流化床内多孔物料干燥过程 的研究提供了理论依据。 杨厉、陶斌斌等【氍l 4 l 】以玉米颗粒的干燥过程为例，以非平衡态热动力学和相 平衡理论为基础，建立了多孔介质干燥内部传热传质的非线性二维数学模型。该 模型不涉及多孔介质内部传热传质机理和发生的具体过程，而只考虑了使热质迁 移的各种流与力之间的关系和交叉效应，利用化学势的定义，从理论上分析并得 出了各主要迁移唯象系数的表达式，从而锝到描述各种流的睢象方程组，再根据 质量、能量守恒定律确定描述传热传质过程的控制方程。采用m a t l a b 软件编程 进行数值求解，得到玉米颗粒干燥过程中内部不同节点处含湿董和温度随时问的 变化曲线，以及不同换热系数、干燥介质的温度和湿度对玉米颗粒平均温度和含 湿量的影响。 蒋礼t 4 2 1 等忽略多孔介质内的空气扩散，认为预热时内部只存在水分流和热流， 根据非平衡热力学线性理论，将水分流和热流耦合方程应用于多孔介质的干燥预 热过程，推导出了木材干燥预热时水分流和热流的基本方程，从机理上分析了其 水分流和热流的特性 卢涛等 4 3 1 基于体积平均理论，把含湿毛细多孔介质视为宏观意义上的虚拟连 续介质，分析了含湿毛细多孔介质干燥过程中流体的基本传输形式。液体和气体 在多孔介质中的流动遵循达西定律，同时考虑了液体传输时的毛细效应和蒸汽与 空气分子的相互扩散效应。在多孔介质流体基本传输机制基础上，假设多孔介质 相变传热传质过程中各质点处于局部热力学平衡，考虑了多孔介质干燥过程中介 质内部三相：固相、液相和气相在质量、动量和能量守恒关系的相互作用，分别 1 4 l 绪论 建立了由多孔介质干燥过程中湿份和流体质量守恒方程以及多孔介质能量守恒方 程共同组成的干燥过程相变传热传质三方程数学模型。在建立多孔介质各相质量 守恒方程时，液体蒸发量相对于蒸汽相而言为质量源，对液相本身而言为质量汇。 在三方程数学模型的基础上，以残余饱和度s ，为判据把对流干燥过程划分为湿区 和干区两个区域。根据不同干燥区域中传热传质的不同，分别建立湿区和干区干 燥模型，并以“蒸发界面”动态边界作为两干燥区域模型的耦合边界。得到了湿区关 于含湿饱和度s ，温度t 、混合气体压力p g 和于区关于水蒸汽压力p v 、温度t 、混 合气体压力