高自成，李際平，嚴(yán)永林，陳喜龍，譚耀輝

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410004)

　　摘要：生物質(zhì)成型以后作為燃料，是可再生能源的發(fā)展方向之一。生物質(zhì)原料在制成顆粒之前含水率高，需要對(duì)第一次粉碎以后的顆粒進(jìn)行干燥，使含水率達(dá)到制粒要求，便于在進(jìn)行第二次粉碎以后進(jìn)入制粒工序。文丘里干燥器是一種新型的干燥器，具有體積小、氣流阻力小、干燥效率高的優(yōu)點(diǎn)，適用于物料粒徑大且粒度分布廣的顆粒干燥。以干燥能力為500kg／h的文丘里生物質(zhì)顆粒干燥器為例，論述了文丘里生物質(zhì)干燥設(shè)計(jì)的原理與方法。

　　生物質(zhì)顆粒成型后作燃料，是可再生能源的發(fā)展方向之一。中國(guó)已制定了生物質(zhì)能源中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)，生物質(zhì)能源在最近幾年有了迅速的發(fā)展。然而生物質(zhì)顆粒干燥前的含水率一般較高，而高含水率對(duì)其后續(xù)轉(zhuǎn)化利用(制粒、壓塊等非常不利。目前的干燥方式主要采用氣流式干燥，設(shè)備主要有滾筒式干燥機(jī)，設(shè)備占地面積大，干燥時(shí)間較長(zhǎng)，其他的干燥方式主要有自然晾曬，這種干燥方式不僅耗時(shí)很長(zhǎng)，且受天氣變化的影響較大，嚴(yán)重限制了生物質(zhì)的規(guī)模化利用。

　　文丘里干燥機(jī)是一種新型干燥設(shè)備，它具有體積小、氣流阻力小、適用干燥物料粒徑大且粒度分布廣的特點(diǎn)，作為生物質(zhì)能源的顆粒，也同樣可以采用文丘里干燥機(jī)進(jìn)行干燥。筆者根據(jù)生物質(zhì)顆粒的干燥需求，結(jié)合文丘里干燥器的原理，論述了干燥能力為500kg／h的文丘里顆粒干燥機(jī)的設(shè)計(jì)。

　　1文丘里顆粒干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理

　　針對(duì)文丘里干燥機(jī)用來干燥顆粒的需求，文丘里顆粒干燥機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)包括一級(jí)進(jìn)料螺旋2、進(jìn)料關(guān)風(fēng)機(jī)3、二級(jí)進(jìn)料螺旋4、一次風(fēng)進(jìn)風(fēng)管5、熱風(fēng)分配器7、二次風(fēng)進(jìn)風(fēng)管8，文丘里管9、干燥器筒體12等。文丘里顆粒干燥機(jī)的工作原理是，待干燥的顆粒由料斗進(jìn)入一級(jí)螺旋輸送機(jī)2送入關(guān)風(fēng)機(jī)的上部入口，在關(guān)風(fēng)機(jī)的作用下，將顆粒送入二級(jí)螺旋輸送機(jī)的入口，然后在二級(jí)螺旋輸送機(jī)的作用下，顆粒輸送至干燥器筒體下方，文丘里管漸縮管和噴口的外側(cè)，從高壓離心風(fēng)機(jī)出來的空氣經(jīng)過熱風(fēng)爐加熱后，送到熱風(fēng)分配器7入口，熱風(fēng)分配器把熱風(fēng)按一定比例分為兩部分，一部分熱風(fēng)經(jīng)一次熱風(fēng)管5進(jìn)入干燥機(jī)本體下部噴口，另一部分熱風(fēng)經(jīng)二次熱風(fēng)管8在干燥器本體上部沿著切向吹入干燥器本體。

　　熱風(fēng)分配器控制進(jìn)入干燥器本體的熱風(fēng)比例，一次熱風(fēng)管5在干燥器筒體內(nèi)的噴口與簡(jiǎn)體內(nèi)部的文丘里管9組成射流輸送裝置，在漸縮管下部產(chǎn)生相對(duì)真空，這樣位于噴口和漸縮管之間的顆粒被吸入，并在文丘里管喉部與熱風(fēng)充分混合，顆粒在文丘里管內(nèi)與熱風(fēng)進(jìn)行熱交換，顆粒中的水分釋出，氣流與顆粒的混合物通過文丘里管的漸擴(kuò)管到達(dá)干燥器本體上部，干燥器本體上部錐面中心設(shè)置分級(jí)器10，分級(jí)器出口和出料管11相連接，達(dá)到干燥要求的顆粒經(jīng)過分級(jí)器以后到達(dá)出料管11進(jìn)入旋風(fēng)分離器，在旋風(fēng)分離器、引風(fēng)機(jī)作用下，由旋風(fēng)分離器分離出來。未達(dá)到干燥要求的顆粒，不能通過分級(jí)器進(jìn)入出料管，由于二次熱風(fēng)沿著干燥器筒體內(nèi)側(cè)從切向吹入，吹入的方向?yàn)橄蛳耹4°，這樣未達(dá)到干燥要求的顆粒，在重力作用下落的過程中，進(jìn)入二次風(fēng)的環(huán)繞區(qū)域，在二次熱風(fēng)的作用下，氣體和顆粒的混合物沿著干燥器本體中的殼體與文丘里管之問的間隙做從上向下做螺旋運(yùn)動(dòng)，到達(dá)干燥器下部，到達(dá)文丘里管下部漸縮管口，在噴口一次熱風(fēng)的作用下，再次被吸入到射流噴管，進(jìn)行循環(huán)干燥。當(dāng)達(dá)到干燥要求時(shí)，再?gòu)母稍锲鞅倔w上部的分級(jí)器出口進(jìn)入出料管11，然后再經(jīng)過旋風(fēng)分離器分離出來。

　　2生物質(zhì)顆粒干燥器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

　　2.1生物質(zhì)顆粒干燥器的技術(shù)參數(shù)

　　本文設(shè)計(jì)的生物質(zhì)顆粒干燥器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

　　2.2設(shè)計(jì)過程中需要的技術(shù)參數(shù)

　　2.2.1丘里干燥機(jī)設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)過程中，需要水、干空氣和顆粒等相關(guān)參數(shù)，詳見表2。

　　2.2.2干空氣的密度計(jì)算

　　其公式為：

　　2.3干燥器熱平衡計(jì)算

　　由于顆粒進(jìn)出干燥器的含水率不同，因此干燥器的各個(gè)主體部分的尺寸的設(shè)計(jì)應(yīng)該以干燥過程的相關(guān)參數(shù)和干燥能力為依據(jù)，因?yàn)樵诟稍镞^程絕對(duì)干燥的顆粒的質(zhì)量不發(fā)生變化，相應(yīng)的有如下計(jì)算過程：

　　2.4文丘里管的設(shè)計(jì)

　　2.4.1一次熱風(fēng)噴口直徑的確定

　　2.4.2顆粒最大沉降速度的確定

　　根據(jù)沉降速度的計(jì)算方法，顆粒與熱空氣的混合物在文丘里管漸擴(kuò)管的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為紊流，設(shè)在文丘里管喉嚨和漸擴(kuò)管內(nèi)，顆粒與空氣已經(jīng)充分混合并且進(jìn)行了熱交換，在漸擴(kuò)管出口處顆粒內(nèi)的被干燥的水分已經(jīng)汽化，此時(shí)顆粒已經(jīng)接近干燥要求，干顆粒顆粒的凈密度為：

　　2.4.3文丘里管主要尺寸的確定

　　如圖2為文丘里管簡(jiǎn)圖，各部分尺寸符號(hào)標(biāo)注如圖所示。

　　由文丘里干燥器的原理可知，二次風(fēng)沿著筒體做螺旋運(yùn)動(dòng)下行到達(dá)文丘里管下端漸縮管口，與一次風(fēng)和顆粒一起進(jìn)入文丘里管內(nèi)，假設(shè)顆粒中的水分在文丘里管內(nèi)完全氣化，在文丘里漸擴(kuò)管出口，流出的是空氣、水蒸氣和干顆粒的混合物。

　　(1)漸擴(kuò)管出口直徑的計(jì)算

　　由于干燥過程中氣體的溫度、速度和壓力均需要發(fā)生變化，在計(jì)算文丘里管主要部分尺寸時(shí)，應(yīng)用質(zhì)量守恒來計(jì)算。

　　2.5簡(jiǎn)體的設(shè)計(jì)

　　文丘里管和簡(jiǎn)體的之問的存在二次熱風(fēng)的流動(dòng)，因此文丘里干燥機(jī)外筒的之間為需要有足夠的空間來利于二次風(fēng)的螺旋運(yùn)動(dòng)，取干燥機(jī)外筒的直徑為1150mm。一次風(fēng)噴口與文丘里管漸縮管之間的距離為50～150mm，通過噴口法蘭調(diào)節(jié)一次風(fēng)噴口與文丘里漸縮管之間的間距，干燥器簡(jiǎn)體上圓錐錐頂角為150°，上部圓錐出口為干燥器的分級(jí)器，分級(jí)器的做成多種規(guī)格，以適應(yīng)多種顆粒和不同含水率的干燥需要。下部圓錐錐頂角為60°，以利于隨著二次風(fēng)下落的顆粒進(jìn)入到文丘里管漸縮管入口，進(jìn)入二次干燥。

　　二次風(fēng)噴口的位置和形狀直徑影響到二次風(fēng)能否沿著干燥器外筒做下降的螺旋運(yùn)動(dòng)，以及螺旋運(yùn)動(dòng)的速度和角度，結(jié)合干燥器上部錐頂蓋的位置和文丘里管漸擴(kuò)管的位置，本設(shè)計(jì)中，二次風(fēng)口采用矩形，沿著切向接入干燥機(jī)簡(jiǎn)體，為了保證二次風(fēng)噴入以后沿著簡(jiǎn)體做下降的螺旋運(yùn)動(dòng)，二次風(fēng)噴口中心線沿著筒體軸線向下傾斜11°，二次風(fēng)噴口矩形尺寸為180mm×240mm，二次風(fēng)噴口安裝在文丘里管漸擴(kuò)管出口下面100mm處，這樣保證把沒有達(dá)到干燥要求不能從分級(jí)器出去的顆粒帶入簡(jiǎn)體內(nèi)沿著筒體做下降的螺旋運(yùn)動(dòng)，并且進(jìn)行熱交換繼續(xù)干燥，從而提高干燥效率。

　　整個(gè)文丘里顆粒干燥機(jī)除了第一級(jí)給料螺旋機(jī)構(gòu)和料斗以外，其余各個(gè)部分采用不銹鋼1Cr17制造，文丘里管和簡(jiǎn)體以及各部分氣管采用不銹鋼材料，考慮到生物質(zhì)顆粒是纖維狀的，文丘里干燥機(jī)內(nèi)部焊接各處必須打磨光滑，不存在尖、刺等棱角，避免在干燥過程中將顆粒纖維掛住，影響干燥氣流暢通和降低干燥效率。

　　2.6熱風(fēng)分配器的設(shè)計(jì)

　　為了使文丘里干燥器能干燥不同種類和含水率的顆粒，需要對(duì)一、二次風(fēng)的比例關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此設(shè)計(jì)了熱風(fēng)分配器，如圖3所示，分配器斷面呈矩形，分配器葉片位于中央部位，葉片后面開有兩個(gè)出口，分別接一次熱風(fēng)管和二次熱風(fēng)管，分配器上部有個(gè)蝸輪蝸桿減速器，蝸輪蝸桿減速器和葉片軸相連，通過轉(zhuǎn)動(dòng)蝸輪蝸桿減速器輸入軸，改變?nèi)~片的位置來改變一、二次風(fēng)的流量分配比例，使干燥器適應(yīng)不同粒徑和密度的顆粒干燥。

　　2.7進(jìn)料機(jī)構(gòu)裝置的設(shè)計(jì)

　　由于生物質(zhì)顆粒形狀復(fù)雜，粒徑大小變化大，有的纖維較長(zhǎng)，在干燥過程中，一次熱風(fēng)噴口的壓力達(dá)到4000Pa，二次風(fēng)的壓力在4000Pa左右，因此本干燥器送料機(jī)構(gòu)采用雙級(jí)螺旋輸送機(jī)的形式，在第一級(jí)和第二級(jí)螺旋輸送機(jī)之間安裝帶環(huán)切刀片的關(guān)風(fēng)機(jī)，環(huán)切刀片用來切斷關(guān)風(fēng)機(jī)入口處過長(zhǎng)的顆粒纖維，一、二級(jí)螺旋均采用閉式變螺距螺旋輸送機(jī)，入口處的螺距為100mm，其余部分的螺距為160mm，為了避免螺旋輸送機(jī)被顆粒阻塞，螺旋與輸送機(jī)簡(jiǎn)體單邊問隙為10mm，第一級(jí)螺旋輸送機(jī)采用變頻調(diào)速進(jìn)行給料，第二級(jí)螺旋輸送機(jī)采用高速回轉(zhuǎn)給料。一、二級(jí)螺旋輸送機(jī)電機(jī)功率為2.2kW，關(guān)風(fēng)機(jī)電機(jī)功率2.2kW。

　　3結(jié)語(yǔ)

　　本文結(jié)合實(shí)際需要，論述了文丘里干燥器的工作原理，詳細(xì)論述了用于生物質(zhì)顆粒干燥的文丘里干燥器的設(shè)計(jì)計(jì)算過程和方法。