竹屑流化床干燥特性研究?

羿宏雷 李衛(wèi)星 張衛(wèi)國(guó) 馬 玲 楊阿三

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091； 2.國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，哈爾濱 150086； 3.浙江工業(yè)大學(xué)，杭州 310014）

最新發(fā)布的我國(guó)第九次森林資源清查結(jié)果表明：我國(guó)擁有竹林面積 641 萬(wàn)hm2，約占全球總量的20%，是世界上竹材資源最豐富的國(guó)家[1-3]。豐富的竹材資源，以及竹材具有的輕質(zhì)高強(qiáng)，再生速度快等優(yōu)點(diǎn)，為我國(guó)竹材相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)竹產(chǎn)品主要有竹材人造板、竹地板、竹漿造紙、竹制日用品、竹家具及竹纖維制品等，在竹材開發(fā)與利用過程中也相應(yīng)地產(chǎn)生了很多竹廢料[4-6]。近年來，我國(guó)在竹廢料利用方面有諸多研究，如研究利用竹屑制備竹炭、竹醋、竹漿等化工產(chǎn)品，利用竹廢料制造復(fù)合材料以及制備功能食品基料等。這些研究對(duì)竹屑的應(yīng)用起到了積極的作用，擴(kuò)大了竹屑的應(yīng)用范圍[7-9]。

在竹廢料利用過程中，對(duì)竹碎屑的含水率均具有一定要求，因此需對(duì)竹廢料進(jìn)行干燥處理。目前對(duì)竹屑干燥的研究較少。流化床干燥是一種廣泛應(yīng)用于各種散粒狀物料的干燥方法，具有傳熱傳質(zhì)系數(shù)高、干燥速度快、處理強(qiáng)度大及適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)[10]。流化床干燥已用于木屑等生物質(zhì)的干燥。竹屑與木屑具有一定的相似之處，粒徑較小、粒徑范圍大，但竹屑強(qiáng)度較高，竹纖維較長(zhǎng)，而木屑較軟[11-12]。目前竹屑干燥一般采用烘箱干燥及自然晾干等，不適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。因此本文探究竹屑在流化床干燥過程中的干燥特性，為竹屑干燥流化床的設(shè)計(jì)及放大提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

竹屑：32%竹屑粒徑大于20 目，46%在20～40 目之間，小于40 目的為22%，初始干基含水率為13%。

1.2 設(shè)備與儀器

所用流化床干燥系統(tǒng)（自制）如圖1 所示，鼓風(fēng)機(jī)連接加熱器，空氣經(jīng)加熱后通過流化床進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入流化床，之后經(jīng)旋風(fēng)分離器及布袋除塵器排入大氣，流化床分布板上方裝有攪拌耙，用于輔助流化，溫度由PLC控制。

DHG-9030A電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司），AB204-N分析天平（上海世義精密儀器有限公司），WT-image NT2003 顯微圖像分析系統(tǒng)（上光儀器有限公司）。

圖1 流化床干燥試驗(yàn)裝置Fig.1 Fluidized bed drying test equipment

1.3 試驗(yàn)方法

啟動(dòng)流化床風(fēng)機(jī)，在流化氣速分別為0.27、0.36 m/s和0.45 m/s和進(jìn)風(fēng)溫度分別為80、100 ℃和120 ℃條件下，取干基含水率為13%的竹屑物料150 g從進(jìn)料口加入到流化床干燥裝置中，干燥至干基含水率2%左右。根據(jù)干燥時(shí)間的長(zhǎng)短，每隔2、5、10、20 min取樣分析。

1.4 含水率計(jì)算

試樣含水率通過烘箱110 ℃恒溫干燥至恒重來計(jì)算(忽略平衡含水量的影響)。含水率采用干基含水率，計(jì)算公式如式（1）。

式中， X為干基含水率，%；m干為試樣在 110℃烘箱中干燥至恒重的質(zhì)量，g；m為試樣質(zhì)量，g。

物料干燥過程中的水分比計(jì)算式為：

式中， MR 為水分比； Xt為 t 時(shí)刻含水率（干基），g/g； Xe為平衡含水量（干基），g/g； X0/為初始含水率（干基），即物料所含水的質(zhì)量與干物料質(zhì)量之比，g/g。

一般情況下，濕物料的平衡干基含水率Xe與X0及Xt相比很小，通?？梢院雎?。因此，式（1）可簡(jiǎn)化為：

2 結(jié)果與分析

2.1 竹屑流化床干燥

圖2是竹屑干燥前后的照片，A為原料，B為干燥90 min后從床層中取出的物料，C為干燥0～10 min間被氣體帶出，經(jīng)旋風(fēng)分離后收集的物料，D為干燥10～20 min間被氣體帶出，經(jīng)旋風(fēng)分離后收集的物料。

圖2 干燥前后竹屑 Fig.2 Bamboo sawdust before and after drying

干燥前竹屑（A）色澤較暗，竹屑粒徑范圍較大，既有較長(zhǎng)的纖維，也有粉末狀顆粒，而干燥后的竹屑（B）顏色較為明亮，為亮黃色，小粒徑物料變少，多是相對(duì)較大的顆粒及長(zhǎng)纖維，物料較為粗大、松散。這是由于在流化床干燥時(shí)，流化風(fēng)會(huì)把粒徑較小的粉末狀顆粒帶走，而粒徑較大的纖維與顆粒則留在床層中繼續(xù)干燥。C為干燥0～10 min間被氣體帶出的物料，由于干燥時(shí)間短，含水率較高，顏色較暗，物料粒徑較小，為細(xì)粉末，D為干燥10～20 min間被氣體帶出的物料，相對(duì)于C，D的顏色較為明亮，由于干燥時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因此含水率較低，粒徑相對(duì)較大。

表1 為相同干燥時(shí)間下吹出細(xì)顆粒與床層物料的干基含水率，其中吹出細(xì)顆粒是指某一時(shí)間段內(nèi)被帶出的細(xì)顆粒，床層物料指某一時(shí)間點(diǎn)從床層中取樣得到的物料。由表1 可知，相同干燥時(shí)間下，細(xì)顆粒與床層物料的干基含水率相差較大，被吹出的細(xì)顆粒不能達(dá)到干燥要求。這可能是因?yàn)榧?xì)顆粒一直懸浮在床內(nèi)高處或床體表面，溫度較低，因此干燥速率較低。這說明在該竹屑流化床實(shí)際應(yīng)用中，需要注意吹出的細(xì)顆粒與床層粗顆粒干燥時(shí)間的差別，被吹出的細(xì)顆粒需要重新進(jìn)入流化床中進(jìn)行干燥。

表1 吹出顆粒與床層物料的干基含水率Tab.1 Dry - base moisture content of blown - out particles and bed materials

在流化床中干燥竹屑時(shí)，由于竹屑粒徑范圍較大，若采用較大流化風(fēng)速，則會(huì)被帶出大量細(xì)顆粒，若流化風(fēng)速較小，則流化狀態(tài)不好，易產(chǎn)生溝流等不良流化狀態(tài)。因此試驗(yàn)采用較小流化風(fēng)速，并用耙散裝置輔助流化。

干燥初期，大部分小粒徑物料未被流化風(fēng)帶出，從視鏡中可看到床內(nèi)物料流化狀態(tài)良好。隨著干燥時(shí)間延長(zhǎng)，大量小粒徑物料被氣體帶出，床內(nèi)主要為粒徑較大的顆粒和較長(zhǎng)的纖維，流化狀態(tài)惡化，許多較長(zhǎng)的纖維相互糾纏在一起，沉在床層底部[13～16]。

圖3 是竹屑干燥前后的放大照片。A是干燥前的纖維物料，從照片中清晰可見，干燥前竹屑纖維表面被一層薄薄的絨毛包裹，絨毛孔隙中含有較多水分；B是干燥后的纖維物料，從照片中可見，干燥后絨毛收縮緊貼在纖維表面，較干燥前出現(xiàn)許多孔狀結(jié)構(gòu)，這是竹屑纖維孔隙中的水分被除去并且在高溫下收縮導(dǎo)致的孔洞，竹屑干燥前后顏色的變化可能是由于水分被去除，導(dǎo)致竹纖維表面的絨毛薄膜收縮，出現(xiàn)許多孔洞所致。C為干燥0～10 min之內(nèi)被吹出的物料，D為干燥10～20 min內(nèi)被吹出的物料，對(duì)比C與D，可以明顯看出C物料的顏色較深、整體粒徑較細(xì)、絨毛狀小顆粒較多，而D物料的顏色相對(duì)C較亮，顆粒多為桿狀，粒徑較大。

圖3 干燥前后竹屑 (放大100 倍)Fig.3 Bamboo sawdust before and after drying(100 times magnification)

2.2 溫度和氣速對(duì)干燥過程的影響

不同干燥溫度下，竹屑的干基含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4 所示，其中流化氣速取0.36 m/s，料層質(zhì)量為150 g，進(jìn)風(fēng)溫度分別為80、100 ℃和120 ℃，竹屑初始含水率為13%。

由圖4 可知，竹屑在流化床中的水分下降速度較快，干燥10 min左右竹屑的干基含水率可降至2%，進(jìn)風(fēng)溫度為120 ℃時(shí)約為9 min，100 ℃時(shí)約為12 min，80 ℃時(shí)約為13 min。進(jìn)風(fēng)溫度越高，達(dá)到2%干基含水率所需時(shí)間越短。但降至2%以下后，水分下降明顯變緩。當(dāng)干燥時(shí)間達(dá)到20 min后，物料干基含水率幾乎不再下降，可以認(rèn)為已基本達(dá)到平衡含水量。從圖中可以看出，在試驗(yàn)條件下平衡含水量在1%左右，進(jìn)風(fēng)溫度升高平衡含水量降低。

圖4 不同進(jìn)風(fēng)溫度下竹屑干基含水率隨時(shí)間的變化Fig.4 Changes of moisture content of dry base of bamboo sawdust with time at different air inlet temperatures

不同氣速下，竹屑的水分比隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5 所示，其中進(jìn)風(fēng)溫度為120 ℃，料層質(zhì)量為150 g，流化氣速分別為0.27、0.36 m/s和0.45 m/s。

由圖5 可知，不同流化氣速下，竹屑水分下降趨勢(shì)基本相同，干燥初期水分下降迅速，然后逐漸放緩，干燥20 min后物料的干基含水率幾乎不再變化，且不同氣速物料的最終含水率相近，表明在流化床干燥竹屑中，竹屑最終含水率與進(jìn)風(fēng)溫度有關(guān)，與氣速關(guān)聯(lián)不大。不同氣速下干基含水率降至2%的干燥時(shí)間不同，0.27 m/s時(shí)約為12.5 min，0.36 m/s時(shí)約為9.4 min，0.45 m/s時(shí)約為8.8 min，在氣速較低時(shí)，增大氣速竹屑的干燥時(shí)間明顯縮短，但當(dāng)氣速大于0.36 m/s后，干燥時(shí)間減少并不明顯。這是由于竹屑干燥時(shí)，干燥阻力由竹屑內(nèi)部水分傳質(zhì)阻力和外部傳質(zhì)阻力組成。在氣速較小時(shí)，物料流化相對(duì)較差，顆粒外部的水分傳遞阻力對(duì)干燥速率有較大影響，且熱風(fēng)供熱量較小，因此干燥過程的熱質(zhì)傳遞速率較小，干燥時(shí)間長(zhǎng)。隨著氣速的增大，其干燥速率逐漸轉(zhuǎn)為竹屑內(nèi)部水分傳質(zhì)控制，顆粒外部的水分傳遞影響逐漸減小至可以忽略，因此當(dāng)氣速達(dá)到一定程度時(shí)，增大氣速對(duì)干燥速率影響不大。

由上述可知，在流化床中竹屑的干燥速度較快，干燥時(shí)間較短，但由于竹屑粒徑范圍較大，使用流化床干燥時(shí)細(xì)顆粒會(huì)被氣體帶出，在實(shí)際應(yīng)用中，需考慮將這部分物料經(jīng)氣固分離后重新回入流化床中進(jìn)行干燥，以達(dá)到干燥要求，且細(xì)顆粒重新回入流化床有助于改善床內(nèi)物料的流化狀態(tài)。在竹屑干燥過程中，當(dāng)氣速達(dá)到一定程度時(shí)，增大氣速對(duì)干燥速率影響不大，因此，應(yīng)選擇合適的流化氣速可以降低干燥過程能耗。

圖5 不同氣速下竹屑干基含水率隨時(shí)間的變化Fig.5 The change of dry base moisture content of bamboo sawdust with time under different air flow velocities

2.3 干燥模型擬合

薄層干燥是一種常見的干燥形式，干燥動(dòng)力學(xué)模型有很多，最常用的為半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如Page模型、Lewis模型、Logarithmic模型及Henderson模型等[17-20]。采用上述半經(jīng)驗(yàn)方程對(duì)竹屑的干燥數(shù)據(jù)分布進(jìn)行擬合，模型擬合結(jié)果采用相關(guān)系數(shù)平方R2進(jìn)行評(píng)價(jià)[21-25]。通過對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行比較，認(rèn)為L(zhǎng)ogarithmic模型較為適合，因此選用該模型進(jìn)行竹屑干燥的擬合，模型公式如下：

表2 為竹屑干燥曲線Logarithmic模型擬合結(jié)果。從表中可以看出，模型參數(shù)k在0.13～0.29 之間，氣速增大、進(jìn)風(fēng)溫度升高，k值總體呈上升趨勢(shì)[26-31]。模型參數(shù)c在0.04～0.15 之間，氣速增大、進(jìn)風(fēng)溫度升高，c值總體呈下降趨勢(shì)。模型參數(shù)a在1.14～1.65 之間，氣速增大、進(jìn)風(fēng)溫度升高，a值總體呈上升趨勢(shì)。其中參數(shù)c主要表示平衡含水量，受溫度影響較大，氣速對(duì)其影響較小。參數(shù)k主要表示水分比的下降速率，氣速和進(jìn)風(fēng)溫度都對(duì)參數(shù)k有較大影響。而參數(shù)a則主要受氣速的影響，進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)其影響較小。

表2 竹屑干燥曲線Logarithmic模型擬合結(jié)果Tab. 2 Bamboo chips drying curve Logarithmic model fitting results

圖6與圖7分別為不同溫度、不同氣速下Logarithmic模型擬合曲線圖，由圖可見， 數(shù)據(jù)擬合情況良好，Logarithmic模型能夠較好地模擬竹屑的流化床干燥過程。

圖6 不同溫度下Logarithmic擬合曲線Fig.6 The Logarithmic curve fitting under different temperatures

圖7 不同氣速下Logarithmic擬合曲線Fig.7 The Logarithmic fitting curve under different air velocities

3 結(jié)論

采用流化床干燥試驗(yàn)裝置對(duì)竹屑干燥特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：

1）采用流化床干燥竹屑，干燥時(shí)間短，速度快，能夠在10 min左右將竹屑的干基含水率從13%降至2%左右。

2）在竹屑干燥過程中，溫度越高，氣速越大，其干燥速率越大；但當(dāng)氣速達(dá)到一定程度時(shí)，增大氣速對(duì)干燥速率影響不大。

3）在流化床干燥竹屑過程中，由于竹屑粒徑范圍較大，干燥時(shí)會(huì)帶出部分細(xì)顆粒，在實(shí)際應(yīng)用中，需將這部分細(xì)顆粒重新回收進(jìn)入流化床中進(jìn)行再干燥，以達(dá)到干燥要求。

4） 竹屑干燥動(dòng)力學(xué)模型宜選擇Logarithmic模型，該模型能較好地描述竹屑在流化床中的干燥過程，其中溫度對(duì)模型參數(shù)c（平衡含水量）影響較大，氣速對(duì)參數(shù) a 影響較大，而氣速和進(jìn)風(fēng)溫度都對(duì)參數(shù)k（水分比的下降速率）有較大影響。