煙稈顆粒的微波干燥動(dòng)力學(xué)與能耗分析

盧 澤，張大斌，胡 浩，曹 陽(yáng)，張紀(jì)利，黃德云

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，南寧 530000；3. 貴州科爾達(dá)克機(jī)電設(shè)備有限公司，貴陽(yáng) 550001)

0 引言

煙稈作為一種特殊的經(jīng)濟(jì)作物副產(chǎn)物，由于其含有煙堿、攜帶有煙草病菌，既不適于作飼料，也不能直接還田[1]。因此，煙稈資源化回收既能夠減少環(huán)境污染、提高煙稈的利用價(jià)值，又能夠?yàn)闊熮r(nóng)創(chuàng)收，實(shí)現(xiàn)煙草可持續(xù)發(fā)展。煙稈資源化利用主要有堆肥還田[2]、生物質(zhì)燃料[3]、活性炭與生物炭[4]、刨花板[5]、培養(yǎng)基[6]及果膠[7]等，近年來(lái)將煙稈制備生物質(zhì)燃料成為煙稈資源化回收利用的研究熱點(diǎn)。因煙稈具有半木質(zhì)化特性，可將鮮煙稈經(jīng)粉碎、干燥、擠壓后等工序制成生物質(zhì)燃料。鮮煙稈含水率為75%左右，研究表明[8]，原料含水率為12%～15%時(shí)，生物質(zhì)壓縮成型的效果最好。

作物秸稈傳統(tǒng)干燥方式為自然曬干，但其周期較長(zhǎng)，外界因素不可控，限制了秸稈工業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展。近年來(lái)，微波干燥因其加熱快速、均勻、高效等優(yōu)勢(shì)，已被應(yīng)用于疏解棉稈[9]、水果[10]、蔬菜[11]、茶葉[12]、肉制品[13]和蜂蜜[14]等方面的干燥。本文結(jié)合微波干燥的優(yōu)點(diǎn)，采用微波對(duì)煙稈顆粒進(jìn)行干燥。為了更好地描述煙稈顆粒干燥過(guò)程的變化規(guī)律、優(yōu)化干燥工藝和設(shè)計(jì)干燥設(shè)備，本文通過(guò)對(duì)煙稈顆粒干燥過(guò)程中傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)模型和能耗方面的研究，探討其干燥特性，以期為煙稈顆粒微波干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

煙稈選自貴州大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)烤煙種植基地，煙稈拔除時(shí)間為煙葉采摘結(jié)束后35天，煙稈品種為云煙87，煙稈的長(zhǎng)度基本一致，其根部、中部、頂部的直徑大小基本相同。試驗(yàn)前，將煙稈根部切掉，煙花、煙種、腋芽等摘除，保留煙莖部分；將煙稈附帶的水分用棉布吸凈后，在室內(nèi)自然晾干12h；采用從鄭州鑫地機(jī)械設(shè)備有限公司購(gòu)置的9RQ-2型秸稈粉碎機(jī)對(duì)煙稈進(jìn)行粉碎，制成長(zhǎng)度為10～20mm、寬度為5～10mm的煙稈顆粒，處理后的試樣粒度大小分布均勻，放置在微波盤上物料厚度為50mm。在試驗(yàn)前，采用木屑含水率測(cè)量?jī)x對(duì)煙稈顆粒初始水分含量進(jìn)行測(cè)定，初始含水率約為75%。

1.2 儀器設(shè)備

微波干燥設(shè)備為M1-211A 微波爐(美的集團(tuán)有限公司)，微波爐功率分為5個(gè)檔位，功率分別為0.7、0.56、0.42、0.28、0.14kW，加熱時(shí)間可調(diào)；煙稈粉粹設(shè)備為9RQ-2型秸稈粉碎機(jī)(鄭州鑫地機(jī)械設(shè)備有限公司)，能制成長(zhǎng)度為10～20mm、直徑為2～6mm的煙稈顆粒；煙稈顆粒的初始含水率采用木屑含水率測(cè)量?jī)x(北京順科達(dá)科技有限公司)，能夠測(cè)試出煙稈顆粒試驗(yàn)前含水率；煙稈顆粒表面溫度測(cè)量采用紅外測(cè)溫槍(優(yōu)利德科技(中國(guó))有限公司)；煙稈顆粒的稱量使用精密電子天平實(shí)驗(yàn)室電子稱(深圳市俊仁科技有限公司)，其精確度可達(dá)到0.01g。

1.3 試驗(yàn)方法

選取微波功率、裝載量為試驗(yàn)因素，分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)。將煙稈顆粒的裝載量固定位為60g，分別調(diào)節(jié)微波功率為0.7、0.56、0.42、0.28kW進(jìn)行試驗(yàn)，研究微波功率對(duì)煙稈顆粒干燥的影響；固定微波功率為0.7kW，裝載量分別為33、70、111、169g時(shí)，研究裝載量對(duì)干燥特性的影響。測(cè)量和稱量樣品的時(shí)間間隔為60s，并在10s內(nèi)完成稱量過(guò)程；微波干燥至干基含水率低于10%時(shí)，停止干燥。將粒徑大小基本一致的煙稈顆粒平鋪在微波盤上，物料厚度控制在10mm。

1.4 干燥曲線的數(shù)學(xué)模型

為了研究煙稈顆粒的干燥特性，參照了國(guó)內(nèi)外5個(gè)常用的薄層干燥模型對(duì)不同的裝載量下煙稈顆粒的干燥過(guò)程進(jìn)行擬合，以期通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的非線性回歸擬合求解，得出最優(yōu)的煙稈顆粒微波干燥數(shù)學(xué)模型。表1中列出了這5個(gè)常用的薄層干燥數(shù)學(xué)模型。

表1 5種常見(jiàn)薄層物料干燥數(shù)學(xué)模型

a、b、n、k均為待定常數(shù)；t為干燥時(shí)間(min)。

整個(gè)過(guò)程中，煙稈顆粒的水分比為(MR)，通過(guò)式(1)求得，即

(1)

其中，MR是水分比；Mt是煙稈顆粒在t時(shí)刻的含水率(g/g)；M0為煙稈顆粒初始含水率(g/g)；Me為煙稈顆粒平衡含水率(g/g)。

由于微波干燥強(qiáng)度較大，可假定煙稈顆粒在微波干燥條件下的平衡含水率為0，即水分比為

(2)

1.5 相關(guān)系數(shù)與誤差分析

參考5種國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)常用的干燥數(shù)學(xué)模型，擬合煙稈顆粒微波干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)，模型精確度采用決定系數(shù)R2，殘差平方和(SSE)等指標(biāo)。R2越高，SSE越低，說(shuō)明模型擬合度越高，從而選出煙稈顆粒微波干燥的數(shù)學(xué)模型。R2與SSE的計(jì)算公式為

(3)

(4)

1.6 干燥速率

干燥速率公式為

(5)

其中，Mt+Δt為在t+Δt時(shí)刻的干基含水率(g/g)；t為干燥時(shí)間(min)；DR為干燥速率[g/(g.min)]。

1.7 微波干燥能效的測(cè)定

微波干燥時(shí)，不同的裝載量對(duì)于微波干燥效率的影響可以通過(guò)微波干燥效率(%)和單位能耗(MJ/kg)兩種不同的效率指標(biāo)來(lái)表示。

微波干燥效率可由方程(6)進(jìn)行計(jì)算，即通過(guò)計(jì)算被煙稈顆粒吸收并轉(zhuǎn)化為水蒸氣蒸發(fā)的能量與微波干燥設(shè)備所提供的能量比值來(lái)表示，有

(6)

其中，μ為微波干燥效率(%)；mw為蒸發(fā)的水蒸氣質(zhì)量(kg);P為微波輸出功率(W)；t為間隔時(shí)間(s)。

在蒸發(fā)溫度為100℃時(shí)，水的氣化潛能為2 257kJ/kg[20]。

蒸發(fā)脫出物料中單位質(zhì)量水所消耗的能耗為

(7)

其中，ES為單位能耗(kJ/kg)。

1.8 數(shù)據(jù)處理

物料含水率按 GB5496-1985 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。

煙稈顆粒微波干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用EXCEL進(jìn)行繪制。應(yīng)用SPSS19.0軟件Levenberg-Marquart算法對(duì)干燥模型進(jìn)行非線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙稈顆粒微波干燥特性分析

2.1.1 微波功率

不同微波功率下煙稈顆粒的干燥曲線和干燥速率曲線如圖1和圖2所示。

圖2 不同微波功率下煙稈顆粒的微波干燥速率曲線

由圖1可知：當(dāng)裝載量和物料厚度相同、使用不同的微波功率干燥時(shí)，微波功率越大，物料所需時(shí)間越短，干燥曲線越陡峭。由圖2可知：微波功率對(duì)干燥速率影響較為顯著，煙稈顆粒的微波干燥速率變化經(jīng)過(guò)3個(gè)階段，即短時(shí)間加速、較長(zhǎng)時(shí)間恒速、短時(shí)間減速。干燥功率越大，干燥速率越快。在煙稈顆粒的干燥初期，物料外部水因吸收微波輻射后升溫轉(zhuǎn)化為水蒸氣排出腔外，由于微波功率越大，在單位時(shí)間內(nèi)物料表面的水分升溫越快，從而使得物料干燥速率較快；隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行，干燥腔內(nèi)的溫度逐漸增加至空氣的濕球溫度，此時(shí)腔內(nèi)溫度保持穩(wěn)定，物料所吸收的微波輻射能全部用于外部水分蒸發(fā)，干燥處于恒速階段；當(dāng)水分逐漸降低到含水率為1時(shí)，物料表面游離的水較少，主要為內(nèi)部結(jié)合水，結(jié)合水蒸發(fā)速度低，外部散失的溫度散失較多，干燥速率處理降速階段。因此，選擇適當(dāng)?shù)母稍锕β蕦?duì)煙稈顆粒的微波干燥尤為重要。

2.1.2 裝載量

由圖3可知：在微波干燥功率為0.7kW、厚度為10mm時(shí)，不同裝載量下的煙稈顆粒的水分比隨著干燥時(shí)間的變化關(guān)系為出煙稈顆粒干燥時(shí)間隨著裝載量增大而時(shí)間延長(zhǎng)。由圖4可知：不同煙稈顆粒的裝載量對(duì)微波干燥速率影響較為顯著，干燥速率大小分為升速、恒速、降速3個(gè)階段。由于每組試驗(yàn)的物料初始含水率相同，因此耗時(shí)的長(zhǎng)短是由裝載量的不同而導(dǎo)致的。裝載量大導(dǎo)致物料干燥時(shí)密度較大，單位面積物料所吸收的微波輻射能較少，微波干燥速率降低。同時(shí)，干燥過(guò)程中物料內(nèi)部的水分蒸發(fā)后被帶出腔內(nèi)，排出的水分有限，裝載量越大，所需要蒸發(fā)的水分越多，物料盤和腔內(nèi)集聚大量水珠，從而加大排濕難度。當(dāng)裝載量較低時(shí)，微波功率密度大，能夠使物料產(chǎn)生大量的熱量，向外交換的熱量越多，從而增強(qiáng)內(nèi)部向外擴(kuò)散水分的能力，促進(jìn)了更多的水分蒸發(fā)，縮短了干燥時(shí)間。在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，設(shè)備的開啟會(huì)造成溫度交換，裝載量越大，設(shè)備內(nèi)外濕度差越大，從而干燥速率降低。

圖3 不同裝載量下煙稈顆粒水分隨時(shí)間干燥曲線

圖4 不同裝載量下煙稈顆粒的微波干燥速率曲線

2.1.3 干燥曲線擬合

對(duì)于不同裝載量的微波干燥條件下，利用SPSS19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸，根據(jù)表1中文獻(xiàn)的薄層物料微波干燥模型對(duì)煙稈顆粒干燥數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其結(jié)果如表2所示。

對(duì)于不同的干燥模型，試驗(yàn)數(shù)據(jù)中所算出的水分比MR與其所擬合的結(jié)果不一樣，其干燥模型的常數(shù)也不同。對(duì)各模型的擬合優(yōu)度統(tǒng)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，根據(jù)決定系數(shù)R2越大、殘差平方和越小，則數(shù)學(xué)模型匹配越高的原則，發(fā)現(xiàn)Logarithmic模型擬合較優(yōu)，其決定系數(shù)R2在0.988～0.994之間，殘差平方和在0.047～0.082之間，說(shuō)明該數(shù)學(xué)模型能較好地對(duì)煙稈顆粒的微波干燥規(guī)律進(jìn)行描述。

表2 不同干燥條件下種數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)分析結(jié)果

2.2 煙稈顆粒微波干燥的數(shù)學(xué)模型

2.2.1 干燥模型的選擇

對(duì)表1中所列常見(jiàn)的5種薄層物料干燥模型進(jìn)行擬合求解，由決定系數(shù)、殘差平方和等來(lái)衡量干燥模型的擬合優(yōu)度。當(dāng)微波干燥功率為0.7kW時(shí)，不同裝載量時(shí)對(duì)數(shù)學(xué)模型的擬合結(jié)果如表2所示。對(duì)各種模型的擬合度進(jìn)行分析，得到Logarithmic模型擬合較優(yōu)。因此，選擇Logarithmic模型來(lái)描述煙稈顆粒微波干燥過(guò)程。

為了解釋固定微波輸出功率下，裝載量對(duì)于Logarithmic干燥模型的影響，本研究通過(guò)回歸分析建立了該模型的相關(guān)參數(shù)值(a、b、k)與裝載量之間的回歸方程，得出干燥常數(shù)與功率(Q)、裝載量(G)之間的關(guān)系，即

a=2.2×10-1G+1.318×103Q-9.22×102

(8)

R2=0.996

b=2.2×10-2G+1.314×103Q-9.23×102

(9)

R2=0.996k=-3×10-3G-10.36G+8.118

(10)

R2=1

將方程式(8)～式(10)代入Logarithmic方程中，得到微波干燥下煙稈顆粒的薄層干燥模型為

(11)

2.2.2干燥模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證Logarithmic模型擬合的準(zhǔn)確性，通過(guò)比較不同功率和不同裝載量下微波干燥的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：Logarithmic模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值擬合度較優(yōu)，決定系數(shù)R2為0.995～0.998，殘差平方和為0.001 43～0.016 75。因此，選擇Logarithmic模型能夠準(zhǔn)確描述微波干燥過(guò)程中的水分變化規(guī)律，可以較好地描述煙稈顆粒微波干燥過(guò)程。

圖5 不同裝載量和不同微波功率下的煙稈顆粒微波干燥的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的比較

2.3 干燥速率與單位能耗

不同裝載量下(33～169g)微波干燥煙稈顆粒的平均能耗如圖6所示。這個(gè)值在15.45～39.25MJ/kg，裝載量越多，平均單位能耗越低；不同裝載量下，平均干燥效率范圍為8.21%～22.12%，裝載量越多，平均干燥效率越高，這個(gè)結(jié)果與Soyal等[21]研究相一致。由于微波輻射能與物料內(nèi)部的水分成正比，導(dǎo)致煙稈顆粒內(nèi)加熱的水分越多，單位能耗就越低[22]。

圖6 不同裝載量下煙稈顆粒的微波干燥速率曲線

3 結(jié)論

1)煙稈顆粒的微波干燥速率變化過(guò)程為升速、恒速、降速3個(gè)階段，恒速階段時(shí)間較長(zhǎng)。

2)當(dāng)微波功率恒定為0.7kW時(shí)，裝載量越大，煙稈顆粒微波干燥速率變化越慢，加熱時(shí)間越長(zhǎng)；裝載量越少，干燥速率變化越大，加熱時(shí)間越少。當(dāng)裝載量為60g時(shí)，干燥時(shí)間隨著微波功率增大而縮短。將煙稈顆粒干燥至含水率為10%，裝載量為33～169g，干燥時(shí)間為5～12min；微波功率為0.28～0.7kW時(shí)，干燥時(shí)間為6～12min。

3)發(fā)現(xiàn)Logarithmic模型(R2≥0.994)能較好地描述煙稈顆粒的干燥變化規(guī)律。由干燥系數(shù)k變化可看出，裝載量越大，干燥速率也隨之而降低。

4)煙稈微波干燥過(guò)程中，平均能耗為15.45～39.25MJ/kg，干燥效率為8.21%～22.12%。隨著裝載量的增大，單位質(zhì)量的物料吸收微波能越多，從而降低了單位能耗，提高干燥效率。

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