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生物质颗粒燃料文丘里干燥器的 设计研究

来源: 发布时间:2019-05-25 1620 次浏览

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  摘要:生物质成型以后作为燃料(fuel),是可再生能源的 发展方向之一。生物质原料在制成颗粒之前含水率高,需要对次粉碎以后的 颗粒进行干燥,使含水率达到制粒要求,便于在进行第二次粉碎以后进入制粒工序。文丘里干燥器是一种新型的 干燥器,具有体积(volume)小、气流阻力小、干燥效率高的 优点,适用于物料粒径大且粒度分布广的 颗粒干燥。以干燥能力为500kg/h的 文丘里生物质颗粒燃料干燥器为例,论述了文丘里生物质干燥设计的 原理与方法。
  生物(Organism)质(Biomass)颗粒燃料成型后作燃料,是可再生能源的 发展方向之一。中国已制定了生物质能源中长期发展目标,生物质能源在最近几年有了迅速的 发展。然而生物质颗粒燃料干燥前的 含水率一般较高,而高含水率对其后续转化利用(制粒、压块等非常不利。目前的 干燥方式主要采用气流式干燥,设备主要有滚筒式干燥机,设备占地面积大,干燥时间较长,其他的 干燥方式主要有自然晾晒,这种干燥方式不仅耗时很长,且受天气变化的 影响较大,严重限制了生物质的 规模化利用。
  文丘里干燥机是一种新型干燥设备,它具有体积小、气流阻力(zǔ lì)小、适用干燥物料粒径大且粒度分布广的 特点,作为生物(Organism)质能源的 颗粒,也同样可以采用文丘里干燥机进行干燥。笔者根据生物质颗粒燃料的 干燥需求,结合文丘里干燥器的 原理,论述了干燥能力为500kg/h的 文丘里颗粒干燥机的 设计。
  1文丘里颗粒干燥机的 结构(Structure)和原理
  针对文丘里干燥机用来干燥颗粒的 需求,文丘里颗粒干燥机的 基本结构如1所示,主要结构包括一级进料螺旋2、进料关风机3、二级进料螺旋4、一次风进风管5、热风分配器7、二次风进风管8,文丘里管9、干燥器筒体12等。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。瑞典标准要求生物质颗粒的热值一般应在16.9 兆焦上。文丘里颗粒干燥机的 工作原理是,待干燥的 颗粒由料斗进入一级螺旋输送机2送入关风机的 上部入口,在关风机的 作用下,将颗粒送入二级螺旋输送机的 入口,然后在二级螺旋输送机的 作用下,颗粒输送至干燥器筒体下方,文丘里管渐缩管和喷口的 外侧,从高压离心风机出来的 空气经过热风炉加热后,送到热风分配器7入口,热风分配器把热风按一定比例分为两部分,一部分热风经一次热风管5进入干燥机本体下部喷口,另一部分热风经二次热风管8在干燥器本体上部沿着切向吹入干燥器本体。
  热风分配器控制进入干燥器本体的 热风比例,一次热风管5在干燥器筒体内的 喷口与简体内部的 文丘里管9组成射流输送装置,在渐缩管下部产生相对真空,这样位于喷口和渐缩管之间的 颗粒被吸入,并在文丘里管喉部与热风充分混合,颗粒在文丘里管内与热风进行热交换,颗粒中的 水分释出,气流与颗粒的 混合物通过文丘里管的 渐扩管到达干燥器本体上部,干燥器本体上部锥面中心设置分级器10,分级器出口和出料管11相连接,达到干燥要求的 颗粒经过分级器以后到达出料管11进入旋风分离器,在旋风分离器、引风机作用下,由旋风分离器分离出来。未达到干燥要求的 颗粒,不能通过分级器进入出料管,由于二次热风沿着干燥器筒体内侧从切向吹入,吹入的 方向为向下l4°;这样未达到干燥要求的 颗粒,在重力作用下落的 过程(process)中,进入二次风的 环绕区域,在二次热风的 作用下,气体和颗粒的 混合物沿着干燥器本体中的 壳体与文丘里管之问的 间隙做从上向下做螺旋运动,到达干燥器下部,到达文丘里管下部渐缩管口,在喷口一次热风的 作用下,再次被吸入到射流喷管,进行循环干燥。当达到干燥要求时,再从干燥器本体上部的 分级器出口进入出料管11,然后再经过旋风分离器分离出来。
  2生物质颗粒燃料(fuel)干燥器关键部件的 设计
  2.1生物质颗粒燃料干燥器的 技术参数
  本文设计的 生物质颗粒燃料干燥器的 技术参数如表1所示。
  2.2设计过程(process)中需要的 技术参数
  2.2.1丘里干燥机设计
  设计过程中,需要水、干空气和颗粒等相关参数,详见表2。
  2.2.2干空气的 密度计算
  其公式为:
  2.3干燥器热平衡计算
  由于颗粒进出干燥器的 含水率不同,因此干燥器的 各个主体部分的 尺寸的 设计应该以干燥过程的 相关参数和干燥能力为依据,因为在干燥过程干燥的 颗粒的 质量不发生变化,相应的 有如下计算过程:
  2.4文丘里管的 设计
  2.4.1一次热风喷口直径的 确定
  2.4.2颗粒更大沉降速度的 确定
  根据沉降速度的 计算方法,颗粒与热空气的 混合物在文丘里管渐扩管的 运动状态为紊流,设在文丘里管喉咙和渐扩管内,颗粒与空气已经充分混合并且进行了热交换,在渐扩管出口处颗粒内的 被干燥的 水分已经汽化,此时颗粒已经接近干燥要求,干颗粒颗粒的 净密度为:
  2.4.3文丘里管主要尺寸的 确定
  如2为文丘里管简,各部分尺寸符号标注如所示。
  由文丘里干燥器的 原理(Maxim)可知,二次风沿着筒体做螺旋运动下行到达文丘里管下端渐缩管口,与一次风和颗粒一起进入文丘里管内,假设颗粒中的 水分在文丘里管内完全气化,在文丘里渐扩管出口,流出的 是空气、水蒸气和干颗粒的 混合物。生物质颗粒是在常温条件下利用压辊和环模对粉碎后的生物质秸秆、林业废弃物等原料进行冷态致密成型加工。
  (1)渐扩管出口直径的 计算
  由于干燥过程中气体的 温度、速度和压力均需要发生变化,在计算文丘里管主要部分尺寸时,应用质量守恒来计算。
  2.5简体的 设计
  文丘里管和简体的 之问的 存在二次热风的 流动,因此文丘里干燥机外筒的 之间为需要有足够的 空间来利于二次风的 螺旋运动,取干燥机外筒的 直径为1150mm。一次风喷口与文丘里管渐缩管之间的 距离为50~150mm,通过喷口法兰调节一次风喷口与文丘里渐缩管之间的 间距,干燥器简体上圆锥锥顶角为150°;上部圆锥出口为干燥器的 分级器,分级器的 做成多种规格,以适应多种颗粒和不同含水率的 干燥需要。下部圆锥锥顶角为60°;以利于随着二次风下落的 颗粒进入到文丘里管渐缩管入口,进入二次干燥。
  二次风喷口的 位置(position )和形状直径影响到二次风能否沿着干燥器外筒做下降的 螺旋运动,以及螺旋运动的 速度和角度(angle),结合干燥器上部锥顶盖的 位置和文丘里管渐扩管的 位置,本设计中,二次风口采用矩形,沿着切向接入干燥机简体,为了保证二次风喷入以后沿着简体做下降的 螺旋运动,二次风喷口中心线沿着筒体轴线向下倾斜11°;二次风喷口矩形尺寸为180mm×240mm,二次风喷口安装在文丘里管渐扩管出口下面100mm处,这样保证把没有达到干燥要求不能从分级器出去的 颗粒带入简体内沿着筒体做下降的 螺旋运动,并且进行热交换继续干燥,从而提高干燥效率。
  整个文丘里颗粒干燥机除了级给料螺旋机构和料斗以外,其余各个部分采用不锈钢1Cr17制造(zhì zào),文丘里管和简体以及各部分气管采用不锈钢材料,考虑到生物质颗粒燃料是纤维状的 ,文丘里干燥机内部焊接各处必须打磨光滑,不存在尖、刺等棱角,避免在干燥过程中将颗粒纤维挂住,影响干燥气流畅通和降低干燥效率。
  2.6热风分配器的 设计(Design)
  为了使文丘里干燥器能干燥不同种类和含水率的 颗粒,需要对
  一、二次风的 比例关系进行调节,因此设计(Design)了热风分配器,如3所示,分配器断面呈矩形,分配器叶片(Blade)位于中央部位,叶片后面开有两个出口,分别接一次热风管和二次热风管,分配器上部有个蜗轮蜗杆减速器,蜗轮蜗杆减速器和叶片轴相连,通过转动蜗轮蜗杆减速器输入轴,改变叶片的 位置来改变
  一、二次风的 流量分配比例,使干燥器适应不同粒径和密度的 颗粒干燥。
  2.7进料机构装置(device)的 设计
  由于生物质(Biomass)颗粒燃料形状复杂,粒径大小变化大,有的 纤维较长,在干燥过程(process)中,一次热风喷口的 压力达到4000Pa,二次风的 压力在4000Pa左右,因此本干燥器送料机构采用双级螺旋输送机的 形式,在级和第二级螺旋输送机之间安装带环切刀片的 关风机,环切刀片用来切断关风机入口处过长的 颗粒纤维,
  一、二级螺旋均采用闭式变螺距螺旋输送机,入口处的 螺距为100mm,其余部分的 螺距为160mm,为了避免螺旋输送机被颗粒阻塞,螺旋与输送机简体单边问隙为10mm,级螺旋输送机采用变频调速进行给料,第二级螺旋输送机采用高速回转给料。生物质锅炉燃料生物质颗粒作为一种新型的颗粒燃料以其特有的优势赢得了广泛的认可;与传统的燃料相比,不仅具有经济优势也具有环保效益,完全符合了可持续发展的要求。
  一、二级螺旋输送机电机功率为2.2kW,关风机电机功率2.2kW。
  3结语
  本文结合实际需要,论述了文丘里干燥器的 工作原理,详细论述了用于生物质颗粒燃料干燥的 文丘里干燥器的 设计计算过程和方法。
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