（动力机械及工程专业论文）秸秆干燥过程的实验研究与理论分析.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 生物质能源是唯一可储存和运输的可再生能源，也是目前最有可能实现规模化利用 的替代能源。生物质能源的应用对于改善我国的能源结构、保障能源安全、降低环境污 染具有十分重要的意义。近十年来生物质能源的应用技术研究得到大力发展，但无论是 生物质能源的哪种利用方式( 气化、液化、固化等) ，都需要对其进行干燥，使其含湿 量降到1 5 以下才可利用。因此，国家“十五”“8 6 3 ”计划项目“生物质气化发电优化 系统及其示范工程”的子课题“农业废弃物流化床气化过程预处理技术研究”把在生物 质能源中占主导地位的农作物秸秆的快速、高效干燥作为一个重要内容开展研究。 本文全面系统地进行了秸秆的各种理化特性、热重特性、等温干燥特性和微观结构 特性实验，提出了这些特性对秸秆干燥过程的影响。在秸秆等温干燥特性实验中，归纳 了四种秸秆在不同工况下的最佳干燥温度；在研究初始含湿量对干燥时间的影响时，提 出了适量的秸秆含湿量的增加对干燥时间的影响可以忽略的看法。在秸秆微观结构实验 中，、首次提出了秸秆干燥骨架与空隙的分布规律以及水分迁移的路径。 以体积平均理论为指导思想、以热质平衡为基本出发点，进行了描述秸秆干燥过程 的气化界面内移的理论分析；以移动气化界面为表征干燥过程的动态效应，重新定义了 表征单元体于、湿区的界限；在充分考虑气化界面处壁温h 对扩教系数d 的影响后，建 立了以壁温n 为变量的边界条件。在降速干燥阶段，水分的扩散有较大阻力，引入内移 系数来表示这种阻力，从而避免了引入复杂公式带来的计算量增加。 通过对比实验值与计算值，得出表征自由水分传导阻力系数h 、扩散阻力系数f 和 内移系数人，采用上述系数对计算值进行修正，最终修正值与实验值吻合良好，验证了 理论分析的正确性，最终推导出初含湿量为7 0 的玉米秸秆在不同干燥温度下恒速干燥 阶段干燥速率的表达式和干燥温度为1 3 0 时降速干燥阶段干燥速率的计算公式。 运用秸秆干燥特性实验的基础数据及理论分析的研究成果，优化设计一套板箱式秸 秆干燥试验机。巧妙地构思出“射流加热板”，使得干燥介质在不同加热板上有不同的 加热方式、提供不同的能量，实现了不同干燥阶段的按需供能。在秸秆干燥试验装置的 实验研究中，验证了等温干燥实验时提出的秸秆干燥分为三个阶段的理论，并测算出不 同阶段的需能状况，验证了理论分析的正确性。在进一步的实验中得到如下结果：秸秆 干燥试验装置产量为2 0 8 6 k g h ，热能利用率为7 1 0 2 ，干燥后秸秆含湿不均匀度为2 ，达到了设计要求，对优化设计工业化生产规模的秸秆干燥设备具有重要指导意义。 关键词：生物质能源；秸秆；等温干燥；气化界面；理论分析i 干燥速率 雷廷宙：秸秆千燥过程的实验研究与理论分析 e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s o fs t a l kd r y i n gp r o c e s s a b s t r a c t b i o - m a s se n e r g yi st h eo n l ys t o r a b l ea n dt r a n s p o r t a b l er e n e w a b l ee n e r g y , a n df o rt h e t i m eb e i n g , i st h em o s th o p e f u ls u b s t i t u t i n ge n e r g yt or e a l i z et h eu t i l i z a t i o na tal a r g es c a l e t h ea p p h c a f i o no ft h eb i o m a s se n e r g yi sv e r ys i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h ee n e r g ys t r u c t u r e ， g u a r a n t e et h ee n e r g ys a f e t ya n d r e d u c et h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n i nr e c e n tt e ny e a r s ，t h e r e s e a r c ho nt h ea p p l i c a b l et e c h n o l o g i e so f b i o - m a s sh a sb e e nd e v e l o p e dv i g o r o u s l y h o w e v e r ， n om a t t e rw h i c hk i n do fu t i l i z i n gm e t h o d ( g a s i f i c a t i o n , l i q u e f a c t i o no is o l i d i f i c a t i o ne t c ) i s u s e d , t h eb i o - m a s se n e r g yr e q u i r e sd r y i n ga n di tc a no n l yb e c o m eu s e f u la f t e rt h em o i s t u r e c o n t e n ti sr e d u c e dt o1 5 o rl o w e r t h e r e f o r e ，t h ef a s ta n dh i g h l y - e f f i c i e n td r y i n go ft h ec r o p s t a l k s ，w h i c ho c c u p yal e a d i n gp o s i t i o ni nt h eb i o m a s se n e r g y , w a ss t u d i e da sa l li m p o r t a n t p a r t o f r e s e a r c h o n p r e - p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y d u r i n g g a s i f i c a t i o n p r o c e s so f f l u i d i z e d b e d f o ra g r i c u l t u r a lw a s t e ，t h es u b s u b j c o to f “g a s i f i e db i o - b a s sp o w e rg e n e r a t i o no p t i m i z e d s y s t e ma n di t sm o d e lp r o j e e t ”，w h i c hi st h ep r o g r a mp r o j e c to ft h et e n t hf i v e - y e a rp l a na n d “8 6 3 ”p r o g r a m i nt h e p a p e rv a r i o u st e s t s w e r ec o n d u c t e dr e g a r d i n gt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e m a o g r a v i m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c s ，i s o t h e r m a ld r y i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d m i c r o s t m c t u r ec h a r a c t e r i s t i e so fs t a l k sa n dt h ei n f l u e n c eo f s u c hc h a r a c t e r i s t i c so nt h ed r y i n g p r o c e s si sp o i n t e do u t i nt h et e s to f i s o t h e r m a ld r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so f s t a l k s ，t h eb e s td r y i n g t e m p e r a t u r e so ff o u rk i n d so fs t a l k su n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sw e r ec o n c l u d e d t h i s p a p e rr a i s e st h ev i e wt h a tt h ei n f l u e n c eo f p r o p e ri n c r e a s eo f m o i s t u r ec o n t e n to f t h es t a l ko n t h ed r y i n gt i m ec a nb en e g l e c t e d b yt h es t a l km i c r o s t m c t u r et e s t ，t h ed i s t r i b u t i o nr u l eo ft h e s t a l kd r y i n gf r a m e w o r ka n dv o i da sw e l la st h em o i s t u r et r a n s f e r r i n gp a t ha r ep u tf o r w a r df o r t h ef i r s tt i m e t a k i n gt h ev o l u m ea v e r a g i n gt h e o r ya st h eg u i d ea n dt a k i n gt h eh e a f f m a s sb a l a n c ea st h e s t a r t i n gp o i n t ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ni n w a r d - m o v i n gg a s i f i c a t i o ni n t e r f a c ed u r i n gt h es t a l k d r y i n gp r o c e s sw a ss e tu p b yt a k i n gt h em o v i n gg a s i f i c a t i o ni n t e r f a c e 弱t h ed y n a m i ce f f e c t s o ft h em a n i f e s t a t i v ed r y i n gp r o c e s s ，t h eb o u n d a r yo ft h ed r ya n dw e tz o n e so ft h e m a n i f e s t a t i v eu n i tw a sr e d e f i n e d a r e rf u l l yc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fw a l lt e m p e r a t u r e z o n et wa tt h eg a s i f i c a t i o n 衄e f f a c eo nt h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n td r ，t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s w i t hw a l lt e m p e r a t u r et wa st h ev a r i a b l ew e r ee s t a b l i s h e d ht h ed r y i n gp h a s e ，t h er e s i s t a n c e o fm o i s t u r ed i f f u s i o nb e c o m e ss i g n i f i c a n t ，a n dt h u st h ei n w a r d m o v i n gc o e f f i c i e n ti s 大连理工大学博士学位论文 i n t r o d u t e dt oi n d i c a t es u c har e s i s t a n c et oa v o i dt h ei n c r e a s eo fc a l c u l a 廿o n sb m u g h tb yt h e u s eo fc o m p l e xf o r m u l a s f r o mt h ec o m p a r i s o no ft h et e s t e dv a l u e sa n dc o m p u t a t i o n a lv a l u e s ，t h em a n i f e s t a t i v e f r e em o i s t u r ec o n d u c t i v i t yr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n th 。d i f f u s i o nr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n tfa n d i n w a r d m o v i n gc o e f f i c i e n ta a r eo b t a i n e d ，a n dt h ec a l c u l a t e dv a l u e sa r ec o r r e c t e d 谢也t h e a b o v e - m e n t i o n e dt o e m c i e n t s t h ef i n a lc o r r e c t e dv a l u e sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h et e s t e dv a l u e s t h u si th a st e s t i f i e dt h ea c c u r a c yo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ；f i n a l l y , i tp r o d u c e st h ee x p r e s s i o n o ft h ed r y i n gs p e e dd u r i n gt h ec o n s t a n t s p e e dd r y i n gp h a s eu n d e rd i f f e r e n t d r y i n g t e m p e r a t u r e sa n dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fd r y i n gs p e e dd u r i n gt h es p e e d - r e d u c i n gd r y i n g p h a s ea tad r y i n gt e m p e r a t u r eo f1 3 0 ( 2f o rt h ec o r ns t a l k 稍t l la ni n i t i a lm o i s t u r ec o n t e n to f 7 0 as e to fc r a t et y p es t a l kd r y i n gt e s t e rw a sd e s i g n e di na l lo p t i m i z e dw a yb a s e do nt h e b a s i cd a t ao b t a i n e di nt h es t a l kd r y i n gc h a x a e t e r i s t i e st e s ta n dt h er e t u r n so ft h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h e j e tf l o wh e 撕n gp l a t e ”i ss u g g e s t e dd e x t e r o u s l yt os u p p l yd i f f e r e n th e a t i n g s c h e m e sa n dd i f f e r e n te n e r g yf o rt h ed 巧m e d i u mo nd i f f e r e n th e a t i n gp l a t e s ，w h i c hh a s r e a l i z e dt h ee n e r g ys u p p l yd e p e n d i n go nt h ed e m a n di nd i f f e r e n td r y i n gp h a s e s t h e e x p e r i m e n t a ls t u d yw a sa l s oc o n d u c t e do nt h ed e s i g n e ds t a l kd r y i n gt e s t e r ，w h i c hh a st e s t i f i e d t h a tt h ed i v i s i o no ft h r e ep h a s e so fs t a l kd r y i n g ，r a i s e di nt h ei s o t h e r m a ld r y i n gt e s t , a n dt h e e n e r g yd e m a n di nd i f f e r e n tp h a s e sa r em e a s l l r e dt op r o v et h ea c c u r a c yo ft h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s i nt h ef u f t h e re x p e r i m e n t ，t h ev a r i o u st e c h n i c a li n d e x e so f t h et e s t e ri st e s t e d ，a n dt h e r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：o u t p u to f 2 0 8 6 k g h ，t h e r m a le n e r g yu t i l i z a t i o nr a t eo f 7 1 2 ，a n dt h e d r i e ds t a l km o i s t u r ec o n t e n tu n 啪n n e s so f 2 w h i c hh a sm e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n di s s i g n i f i c a n tf o rg n i d m gt h eo p t i m i z e dd e s i g no ft h ei n d n s 订i a l i z e dp r o d u c t i o no fs t a l kd r y i n g e q m p m e n t k e yw o r d s ：b l o m a s se n e r g y ；s t a l k ；i s o t h e r m a ld r y i n g ；g a s i f i c a t i o ni n t e r f a c e ； t h e o r e t i c a la n a l y s i s ；d r y i n gr a t e 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：翰 导师签名：f 别墅垒 趔年立月旦日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 生物质能源利用的意义 1 1 1 我国可开发的生物质资源 生物质是地球上最广泛存在的物质之一，它包括所有动物、植物和微生物，以及由 这些有生命物质派生的代谢和排泄的许多有机质，这些物质所蕴藏的能量是相当惊人 的。根据生物学家估算，地球上每年生长的生物质总量约2 2 1 0 “吨( 干重) ，相当 于目前世界总能耗的1 0 倍“3 。我国的生物质资源也极为丰富，现在每年的秸秆量约7 0 亿吨，相当于3 5 亿吨标煤；薪柴和林业废弃物数量也很大，林业废弃物( 不包括炭薪 林) 每年约1 7 亿吨，相当于1 0 亿吨标煤；禽畜粪便实物量3 2 亿吨，相当于1 5 7 亿吨标煤：城市垃圾1 1 8 亿吨，相当于0 5 亿吨标煤，因此我国每年的生物质资源达 6 5 7 亿吨标煤以上，扣除了一部分做饲料和其他原料，可开发为能源的生物质资源达4 亿多吨标煤“”。图i 1 为我国四种主要的生物质资源e b 例。 图1 1 我国四种主要的生物质资源比例 f i g i ip r o p o r t i o no f f o u rm a j o rb i o - m a s sr e s o u r c e si nc h i n a 由此可见，农作物秸秆在我国生物质资源中占据十分重要的地位。近年来随着农村 经济的发展，我国的农作物秸秆产量也在逐年递增，平均年增长率为2 3 3 。1 。图1 2 为我国历年农作物秸秆产量。 在各种农作物秸秆中，以玉米秸秆的产量为最大，约占全部秸秆产量的3 7 2 。1 ， 为农作物秸秆利用中的重中之重。表1 1 为2 0 0 2 年我国各种农作物秸秆产量嘲。 重垄里! 焦型塾堡塑壅墼堑塞兰望巡 l 啦0 1 9 髓1 9 8 41 9 8 61 9 蒋l 鳙0l 鹘2 9 9 4l g 虾 1 9 9 82 o2 0 0 z 年份 图1 2 我国历年农作物秸秆产量 f i g 1 2 0 u t p u t o f c r o ps t a l k s i p a s t y e a r s o f c h i n a 表1 1 我国各种农作物秸秆产量 t a b 1 1o u t p u to f v a r i o u s k i n d so f c r o ps t a l k si nc h i n a 秸秆种类产量历吨 折合标煤万吨 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - - _ - _ - _ _ - 一 稻谷1 2 7 9 1 0 3 5 4 8 73 6 小麦1 5 4 7 5 7 0 7 7 3 78 6 玉米2 4 8 2 6 ，5 0 1 3 1 3 3 2 2 其它杂粮1 8 4 9 9 6 9 2 4 9 8 豆珙 2 6 8 1 2 5 2 9 7 1 9 6 薯类1 8 0 7 8 4 8 7 86 2 油料498858 2 6 3 8 9 6 棉花1 5 8 5 4 9 8 6 09 2 甘蔗7 2 5 1 0 3 1 97 7 合计 6 6 7 3 1 4 5 3 4 9 5 36 5 2 一 大连理工大学博士学位论文 1 1 2 利用生物质能源的意义 生物质能来自植物、动物排泄物、垃圾及有机废水等。从广义上讲，生物质能是通 过光合作用生成的有机物，它的最初来源是太阳能，所以是一种广义的太阳能，也是可 再生的。由于生物质能的载体是有机物，所以这种能源是以实物的形式存在的，是唯一 一种可储存和可运输的可再生能源。 从理化特性上看，利用生物质能难度最小，用途最广。生物质的组成是c - h 化合物， 它与常规的矿物能源如石油、煤等是同源( 煤和石油都是生物质经过长期转换而来的) ， 所以它的特性和利用方式与矿物燃料有很大的相似性，可以充分利用已经发展起来的常 规能源技术开发利用生物质能，利用技术的开发与推广难度比较低。另外，生物质可以 通过一定的先进技术进行转换，除了转化为电力外，还可生成液体燃料、气体燃料或固 体燃料，直接应用于汽车等运输机械或用于柴油机、燃气轮机、锅炉等常规热力设备， 几乎可以应用于目前人类工业生产或社会生活的各个方面。所以在所有新能源中，生物 质能与现代的工业化技术和目前的现代化生活有最大的兼容性，它在不必对已有的工业 技术做根本性改进的前提下即可以替代常规能源，对常规能源有很大的替代能力。这也 是开发利用生物质能的优势之一“1 。 从环境效益上看，利用生物质可以实现c 0 。为零的排放，从根本上解决能源消耗带 来的温室效应问题。2 0 0 4 年人类因用能向大气排放2 6 4 亿吨c o , ( 或以碳元素重量计算 约7 2 亿吨) 。大气中的c o 。浓度含量逐年增加，引起全球变暖趋势。对c o 。浓度增加的 预测有许多数学模型，基本基于化石燃料的消耗和碳循环模型。据预测到2 0 3 0 年全球 化石燃料的消耗为1 7 8 亿吨标煤，届时全球的燃料构成将从石油为主转变为以煤为主， c o 。的排放又有较大的增加，向大气排放的碳可能增加到1 3 6 亿吨。c o s 浓度的增加必然 会引起地球温度的上升，到2 0 3 0 年地球可能升温1 0 3 o c 。这一变化引起的后果是 弊大于利，除去引起气候变化、海平面上升、土壤沙化等之外，许多用能装置的耗能也 会增加。例如因环境温度上升3 c ，制冷空调的能耗将增加1 0 ，而这一能耗的增加又 牵动更多的c 0 ：排放。因此，国际社会十分重视地球变暖问题，有一系列为减缓全球变 暖而召开的会议，最著名的是1 9 9 7 年在日本京都召开的气候变化公约缔约国第二次大 会，通过的京都议定书规定附件一列出的国家( 1 5 个发达国家) 的温室气体限排减 排的任务时间表，以1 9 9 0 年排放温室气体为基础，在2 0 0 8 2 0 1 2 年间实现平均减排5 ， 其中欧盟减8 ，美国减7 ，日本、加拿大减6 ，东欧减5 8 ，新西兰、俄国可维持 在1 9 9 0 年水平，允许爱尔兰、澳大利亚和挪威比1 9 9 0 年分别增加1 0 、8 和1 嘲。为 此发达国家主要关心的是生物质能对c o , 减排的作用，加上发展速生能源作物有利于改 善生态环境，不会遗留有害物质或改变自然界的生态平衡，对今后人类的长远发展和生 雷廷宙：秸秆干燥过程的实验研究与理论分析 存环境有重要意义，所以国际上发达国家大都把生物质能利用技术作为一种重要的能源 技术来发展，对生物质能的研究越来越重视。有的国家像瑞基、奥地利等欧洲国家把生 物质能作为代替核能的首要选择，计划在未来2 0 年要求生物质能占总能耗的2 0 以上叭 i i t 】 从能源结构上看，利用生物质能对改善我国能源结构意义重大。我国是能源消耗大 国，目前能源主要以煤炭、石油等化石燃料为主，能源结构不合理，引起大量的污染和 其他问题。2 0 0 4 年我国能源消费为1 9 7 亿吨标煤，其中煤占很大比例( 6 7 以上) ，其 次是石油和天然气，核能、水能等清洁能源较少，可再生能源则更少。我国已取代俄罗 斯成为世界上第二大能源生产和消费国，也是世界上c o 。第二大排放国，2 0 0 4 年排放量 占世界总量的1 5 1 ，6 ，仅居美国的2 2 9 之后。到2 0 1 5 年我国碳排放量可能达到1 7 8 亿吨( d o e l e a 数据) 0 1 ，可能是届时世界上最大的排放国。尤其是我国八亿农民都趋 向使用化石燃料，不仅我国的能源供应会越来越紧张，环境的压力也不可承受。中央提 出建设资源节约型、环境友好型社会，要实现这一宏伟而艰巨的目标，人均能源消耗量 要达到相应的指标，单位g d p 能源消耗控制在较低的水平，同时还要兼顾c o ：排放带来 的环境压力，因此，今后我国必须以调整能源结构为目标，大力发展可再生能源和其他 非常规能源，减少能源消耗给环境造成的压力，同时提高能源的稳定性和安全性，实现 我国能源与环境的可持续发展。生物质能作为最稳定和易于利用的可再生能源，其用途 和功能与化石燃料相似，经济性较好，比较适合于发展中国家应用。我国这方面资源丰 富，原有利用水平很低，有很大的发展潜力，生物质能将是我国今后部分替代能源的主 要能源之一m ”。 1 1 3 生物质能源利用技术 生物质能的转换利用方式一般分为物理转交、化学转交和生物转变n 一。 生物质的物理转变主要是指生物质致密成型，是生物质能利用技术的一个重要方 面。所谓生物质致密成型就是将生物质粉碎至一定的粒度，在一定条件下，挤压成一定 形状。其粘接力主要是靠挤压过程所产生的热量，使得生物质中木质素产生塑化粘接， 或为了降低其成型条件而添加一定量的粘结剂。成型物可进一步碳化制成木碳，也可作 为其化学转变的基础。生物质致密成型解决了生物质形状各异、堆积密度小且较松散、 运输和贮存使用不方便的问题，提高了生物质的使用效率与使用范围。 生物质化学转变主要包括直接燃烧、液化、气化、热解四个方面。 ( 1 ) 生物质直接燃烧是生物质能最早被利用的传统方法，就是将生物质直接作为 燃料燃烧转换成能量的过程。燃烧过程所产生的能量可用于发电或供热。生物质直接作 大连理工大学博士学位论文 为燃料燃烧具有许多优点：资源化，使生物质真正成为能源，而不是产生能源产品替 代物的原料；减量化，减少了生物质利用后剩余物的量；无害化，直接燃烧生物质 不会造成环境问题，真正达到了能源利用的无害化。 ( 2 ) 生物质液化液化是指通过化学生物方式将生物质转变成液体产品的过程。液 化技术主要有直接液化和间接液化两类。直接液化就是在较高的压力下液化，故又称高 压液化，可作为汽车用燃料或进一步分离加工成化工产品。间接液化就是把生物质气化 后，再进一步合成为液体产品，或采用水解法把生物质中的纤维素、半纤维素转化为多 糖，然后再用生物技术发酵成酒精。生物质液化可以制取甲酵、乙醇、液化油等产品。 ( 3 ) 生物质气化生物质气化是在高温下部分氧化的转化过程。该过程是直接向生 物质通入气化剂( 空气、氧气或水蒸汽) ，生物质在缺氧的条件下转变为小分子可燃气体 的过程。所用气化剂不同，得到的气体燃料也不同。目前应用最广的是用空气作为气化 剂，产生的可燃气体主要用于居民烹调、锅炉燃料和发电。通过生物质气化得到的可燃 气，可进一步转变为甲醇或提炼得到氢气“3 1 。 ( 4 ) 生物质热解生物质在隔绝或少量供给氧气的条件下加热分解的过程，通常 称之为热鳃。热解就是利用热能切断生物质大分子键，使之转变为小分子物质的过程。 热解优于水解在于生物质中的碳氢化合物都可以转变为能源形式，而水解过程中木质素 未发生反应。这种热解过程可以得到产品有气体、液体、固体。其比例根据不同的工艺 条件而发生变化。由于液体产品容易运输和贮存，所以最近国内外开发了快速热解技术， 即瞬时裂解，制取液体燃料油，液化油得率以干物质计可达7 0 以上。 生物质的生物转变主要是通过发酵或水解发酵工艺来制取甲烷气和乙醇等化工产品 以及氢气等清洁能源的转变过程“。 1 1 4 我国生物质能源利用现状 我国的生物质资源虽然十分丰富，但利用事却很低，尤其农作物秸秆。据资料统计， 目前我国用于还田部分的秸秆约占总产量的1 1 ，工业原料部分约占3 ，饲料部分约占 1 8 ，能源化利用不到1 0 ，再加上其它方面的利用，我国的秸秆资源的利用率不足4 5 ， 这与发达国家2 0 的能源化利用率相比还有很大的差距。由此可见，我国生物质资源能 源化利用率有很大的潜力，前景十分广阔。 长期以来，生物质能是我国农村地区的主要能源之一。我国农村利用生物质能主要 以传统炉灶直接燃烧的方式为主，热效率仅1 0 左右。1 9 7 9 年以前，生物质能源占整个 农村能源消费量的7 0 以上。随着农村经济的发展，农民收入的增加，地区差异正在逐 步扩大，农村生活用能中商品能源的比例以较快的速度增加( 图1 3 ) 。 雷廷宙：秸秆干燥过程的实验研究与理论分析 4 o 3 5 3 o 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 o 0 1 9 7 9 1 9 8 51 9 9l1 9 9 72 0 0 3 年份 图1 3 我国农村商品能源和生物质能源消费的变化状况 f i g 1 3 乃ec h a r g e o f b u s i n e s sa n d b i o m a s s e n e r g y m c h i n a 事实上，农民收入的增加和商品能源获得的容易程度，都成为他们使用高品位能源 的契机与动力。在较为接近商品能源产区的农村地区，商品能源( 如煤、液化石油气等) 已成为其主要的炊事用能，从而使传统方式利用的农作物秸秆首先成为被替代的对象， 致使被弃予田间地头而随意焚烧的秸秆量逐渐增加，许多地区的农作物秸秆焚烧量已占 总产量的6 0 ，不仅浪费了资源，还严重污染了大气，危害了人类的生存环境o “。 生物质能的特点是资源丰富稳定，但是分散，收集和运输困难，比较适合于分散利 用。另一方面，生物质能目前有效利用的比例很少，要充分体现它的洁净性并在能源结 构优化中充分发挥作用，必须有大范围的高效利用作前提，这就必然要求全社会对生物 质能技术有全面的了解和认同，在生物质技术产业化和商品化的过程培育成熟的市场， 形成大量的用户，使我国生物质能作为商品能源的比例有显著的提高，最终在有条件的 地方部分代替矿物燃料。 生物质能源化转换作为一种高新技术，其研究时间不长，应用也仅仅是开始，还有 一些配套设备和与传统行业配套的技术没跟上，所以整体技术的可靠性和实用性需要提 高完善。示范推广可以在应用中解决这些问题，使技术逐渐成熟，为技术的全面推广奠 定基础；同时示范推广可以在应用中提高技术的可靠性，减少技术风险，增加用户的信 心，提高技术在社会上的影响，带动社会资金进入生物质能利用行业，在短期内解决高 新技术试用期一般投资人和银行不愿介入高风险行业而碰到的资金困难，培育出成熟的 市场，为生物质能的大范围利用创造条件“”1 。 近二十年来，国家有关部委对生物质能利用极为重视。“八五”、“九五”期 间一直支持生物质能技术的研究与开发，“十五”期间又把生物质能技术列入“8 6 3 ” e q 孽 大连理工大学博士学位论文 计划后续能源领域，投资近亿元支持其研发与产业化，在生物质气化发电和生物质液化 两个领域重点资助。生物质气化发电在“九五”攻关资助下，建成了i m w 气化发电系 统，随后在国内外建设了2 0 余座1 珊气化发电示范工程，技术基本成熟“。“十五” 期间，“8 6 3 ”计划要求建成5 m w 生物质气化发电系统，目前该系统已在江苏省兴化市 建成并通过验收。生物质液化技术经过1 0 余年的努力，解决了液化工艺中许多技术难 题，在“十五”“8 6 3 ”的资助下，已在上海奉贤县建成中试工程。这些项目的实施 为生物质、特别是农作物秸秆的规模化利用奠定了基础。国家发改委组织编制的可再 生能源中长期发展规划“o 中，将生物质能源的开发利用放在十分重要的地位，要求到 2 0 2 0 年，生物质发电2 0 0 0 万k w 、生物质颗粒燃料5 0 0 0 万吨、生物质液化燃料替代石 油1 0 0 0 万吨，沼气利用量2 4 0 亿一。这是一项十分艰巨的任务，需要生物质能源科技 人员及企业大力开发形式多样的生物质能源。但是，无论哪一种利用方式都对生物质的 含水率有严格的要求，例如，气化、液化、固化都要求控制在1 5 以下。实际上，在收 获季节，玉米秸秆的初始含水量通常都在5 0 以上，长时间的储存非常容易引起秸秆变 质“。因此，秸秆的干燥问题就成为秸秆大规模工业利用的关键所在。近年来，秸秆预 处理技术越来越受到重视，“十一五”“8 6 3 ”计划中生物质气化发电项目专门将生 物质预处理列为子课题，国家科技部“十五”可再生能源重大专项中，已正式将生物 质预处理技术列入生物质能技术2 4 个专题之一。在生物质预处理技术中，干燥技术是 最为重要，也是难度最大的课题。因此，我们从生物质中有代表性的秸秆的干燥问题入 手，研究其干燥过程中的传热传质机理，将是非常有意义的。 1 2 秸秆干燥研究现状 1 2 1 干燥技术研究现状 干燥技术的应用有悠久的历史，闻名于世的造纸术的发明就显示了干燥技术的应用 “”。干燥通常指利用热能使物料中的湿份汽化，并将产生的蒸汽排除的过程。其本质为 被除去的湿份从固相转移到气相，固相为被干燥的物料，气相为干燥介质。干燥技术的 机理涉及传热学、传质学、流体力学、工程热力学、物料学、机械学等学科，是一个典 型的多学科交叉技术领域。因此在干燥技术的许多方面存在着“知其然而不知其所以然” 的状况，正如a s m u j u m d a r 在他的著作前言o ”中所说的那样：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。因此目前大多数干燥设 备的设计仍然依赖于小规模的试验及实际操作经验。 进入本世纪七十年代以来，干燥技术才获得了极大的发展。这不仅仅是因为人们开 始认识到了干燥技术在工业中的重要性，而且还有一些很重要的因素推动了干燥技术和 雷廷宙：秸秆干燥过程的实验研究与理论分析 干燥设备的发展。首先是七十年代爆发的全球范围内的能源危机的刺激。为此，研究人 员作了大量的调查研究，希望能开发新的节能技术，寻找节能潜力。英国1 9 7 8 年的统 计报告表明，当时英联邦采用的干燥设备造成了巨大的能源浪费，如果采用尾气回收技 术，整个英联邦可以节约1 5 的干燥能源，如果优化干燥设备的设计和操作，还可以进 一步节约8 6 的干燥能源m 。”；其次是八十年代爆发的环境危机的刺激。人类的生产和 活动对地球生态环境的破坏已经引起了全世界的关注，各国的环保法规日趋严厉，企业 不得不改进生产工艺和设备，努力减少环境污染。于是各种适用于处理废水、污泥和残 渣的环保干燥设备应运而生。”1 。这些设备不仅有效地减少了有害物质地排放，而且变 废为宝，为企业创造了可观的经济效益；第三是新产品、新工艺地出现对于干燥技术提 出了更高的要求“叫。新物质、新材料等领域新技术给干燥技术的发展、给干燥设备的 设计提出了许多新的有待解决的问题。如果说过去的二三十年间干燥技术的研究与开发 主要推动力就是7 0 年代的能源危机和8 0 年代的环境危机，那么今天，除能耗费用的因 素之外，更重要的推动力就是新技术和新工艺对干燥产品质量的特殊要求。对于某些新 工艺和新产品，例如医用生物制品和具有特殊电、磁性质的超导材料或高技术陶瓷等， 传统的干燥设备不经过重大的改进是不能采用的，否则会导致产品质量等问题m 7 “1 。 在过去的3 0 年里，干燥技术在上述几个因素的作用下取得了长足的进步，在干燥理论、 技术和实验研究上都有了很大的发展“”。 一般地，我们把干燥技术分为常压热风干燥技术、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。相应的 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、传导干燥设备等。在干燥时可根据干燥物料的特性以及干燥条件选择合适 的干燥技术及设备。 经过近3 0 年的发展，一些新颖的干燥技术正崭露头角娜3 。其中有些已付诸工业应 用，有些还处于不同的研究和开发阶段，但已显示出重要的应用潜力，可能会在今后取 代现有技术。代表技术有：适合淤泥状废料脱水干燥的c a v e r - g r e e f i e l d 法n 1 ”、过热蒸 汽干燥“”1 、声波和脉冲燃烧干燥、纸张高强度干燥“删、撞击流干燥机、根据产品质 量要求添加非水溶剂或聚合物的冷冻喷雾干燥、雾粒群在热表面上的间歇干燥等o “”】。 预计在今后相当长时间内，基础研究应用将保持较高势头，更新的干燥技术和干燥概念 还会不断涌现，并尽快负诸应用和转化为生产力。 1 2 2 干燥理论研究现状 大连理工大学博士学位论文 干燥学科是由干燥理论、干燥技术和干燥工艺学三大分支构成的“。干燥理论涉及 到热交换、质交换理论、水分同物料结合形式学说、不可逆过程热力学、理化力学和流 变物理学等许多学科嘲。早在远古时期人类就开始了对干燥学科的研究，随着干燥理论、 干燥技术和干燥工艺学的发展，现在人们对物料干燥问题的研究方法已由原来的实践探 索法转变为把干燥理论和干燥技术有机结合起来，采用一系列的数学方程模拟干燥过 程，实现干燥工艺优化设计嘲，这种方法已经成为干燥学科研究的主要方法。由于数 学模拟这种方法具有准确度高、经济性好、快捷以及便于放大等优点，在干燥学科研究 过程中得到了广泛的应用。考虑到干燥物料种类众多，干燥产物要求也各不相同，干燥 过程中所表现出来的干燥特性大相径庭。因此针对不同干燥物料建立相应物料干燥模型 也就成为了现阶段干燥模型的主要研究内容。物料干燥模型实