楊 寧， 周云龍， 齊天宇， 朱孝宇

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 吉林 吉林 132012； 2.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院， 北京 100084)

柳樹(shù)河油頁(yè)巖異步旋轉(zhuǎn)干燥技術(shù)

楊 寧1， 周云龍1， 齊天宇2， 朱孝宇1

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 吉林 吉林 132012； 2.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院， 北京 100084)

為充分挖掘流化床的最大干燥效力進(jìn)而對(duì)油頁(yè)巖流化干燥過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)化，將常規(guī)布風(fēng)板改造為異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)裝置，調(diào)節(jié)內(nèi)嵌式中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)裝置與外套式行星轉(zhuǎn)環(huán)布風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)不同的布風(fēng)工況。實(shí)驗(yàn)研究了不同干燥工況對(duì)柳樹(shù)河油頁(yè)巖干燥特性的影響，并選取9種常用干燥模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行干燥動(dòng)力學(xué)分析。結(jié)果表明：適當(dāng)?shù)亟档椭行霓D(zhuǎn)盤布風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速，增加外套式行星轉(zhuǎn)環(huán)布風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速，可以改善物料在流化床內(nèi)的分布狀態(tài)，降低干燥所需的時(shí)間；物料的流化干燥過(guò)程主要分為升速干燥、恒速干燥和降速干燥3個(gè)階段，合理的調(diào)整布風(fēng)板轉(zhuǎn)速會(huì)促使物料由升速干燥階段直接進(jìn)入降速干燥階段；Two-term干燥模型對(duì)異步旋轉(zhuǎn)工況下物料的干燥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的效果最好，但由于物料空隙內(nèi)部吸附的氣體會(huì)隨水分一同擴(kuò)散，且每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后物料仍殘留少量結(jié)合水，導(dǎo)致模擬結(jié)果大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

流化床； 異步旋轉(zhuǎn)； 油頁(yè)巖； 干燥技術(shù)

油頁(yè)巖作為一種能源資源，既可以低溫干餾煉油，又可以燃燒發(fā)電，由于其特殊的組成和結(jié)構(gòu)決定了它在能源、礦產(chǎn)、化工、環(huán)保方面具有廣闊的潛在用途[1-5]。油頁(yè)巖是一種多孔物質(zhì)，在開(kāi)采及儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，由于其內(nèi)在或外在因素使得油頁(yè)巖含有一定的水分，若油頁(yè)巖含水率過(guò)高，直接干餾，爐中很大一部分熱量將用于油頁(yè)巖水分的蒸發(fā)，造成輸送氣體熱介質(zhì)的管道發(fā)生形變，設(shè)備投資加大，同時(shí)大量的水蒸氣進(jìn)入干餾爐中，加大了回收和油水分離系統(tǒng)的負(fù)荷，使油頁(yè)巖的回收率降低，因此，油頁(yè)巖在熱解干餾前必先經(jīng)歷一個(gè)干燥脫水過(guò)程。

流化床干燥器作為一類常見(jiàn)的工業(yè)操作設(shè)備，在生產(chǎn)中的應(yīng)用已十分廣泛[6-10]。然而傳統(tǒng)氣-固流化床存在床面波動(dòng)大、顆粒橫向混合差等明顯缺點(diǎn)，造成了干燥效率降低等缺陷。近年來(lái)，大量學(xué)者致力于提升流化床干燥效率的相關(guān)研究，李凡等[11]通過(guò)在流化床內(nèi)部加裝攪拌器，有效地防止了顆粒之間的黏附、結(jié)塊，以及顆粒在床層壁面的附著，明顯地改善了流化床內(nèi)濕物料及易凝聚物料顆粒間的傳熱效果。宮國(guó)清等[12]改變傳統(tǒng)流化床恒定送風(fēng)為周期性送風(fēng)，通過(guò)調(diào)節(jié)氣流的脈沖頻率或脈沖氣流導(dǎo)通率，使通過(guò)孔板的氣體流量或流化區(qū)發(fā)生周期性變化，實(shí)現(xiàn)了物料的流化干燥。Kuipers等[13]將特定要求的振動(dòng)源施加于常規(guī)流化床上的新型干燥裝置，裝置克服了溝流、騰涌的缺點(diǎn)，在很大程度上強(qiáng)化了傳熱效率和傳質(zhì)速率。2006年，Madhiyanon等[14]設(shè)計(jì)研發(fā)旋轉(zhuǎn)流化布風(fēng)裝置，將布風(fēng)板中心位置與電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速間接帶動(dòng)布風(fēng)板隨之發(fā)生旋轉(zhuǎn)，在一定程度上極大地改善了流化床內(nèi)物料的分布形態(tài)，至此強(qiáng)化流化床干燥能力實(shí)現(xiàn)階躍性突破。Sobrino等[15]進(jìn)一步研究了流化床旋轉(zhuǎn)布風(fēng)板轉(zhuǎn)速在0～100 r/min的范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)物料干燥效果造成的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的增加，顆粒的橫向分布狀態(tài)趨于均勻，流化床的干燥能力也隨之增加。然而，布風(fēng)板的旋轉(zhuǎn)速率控制在100 r/min是否是最佳的干燥流化工況，是否可以通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)布風(fēng)板局部風(fēng)帽的旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)一步提升流化床的干燥能力，這一問(wèn)題仍值得研究。筆者創(chuàng)造性地研發(fā)出一套異步轉(zhuǎn)速布風(fēng)裝置，通過(guò)調(diào)整內(nèi)嵌式中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)板與外套式行星轉(zhuǎn)環(huán)布風(fēng)板的轉(zhuǎn)速，對(duì)比異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)裝置在不同布風(fēng)工況下的干燥效率，尋求最佳的旋轉(zhuǎn)工況，采用9種常用干燥數(shù)學(xué)模型對(duì)油頁(yè)巖干燥實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，建立適用于異步旋轉(zhuǎn)流化狀態(tài)下的干燥方程，為油頁(yè)巖有效干燥提供重要參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)所用樣品為吉林省柳樹(shù)河油頁(yè)巖，收到基含水率為31.99%，將油頁(yè)巖樣品破碎篩分至1～3 mm，置于恒溫箱內(nèi)備用。樣品的工業(yè)分析及元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 柳樹(shù)河油液巖工業(yè)分析及元素分析結(jié)果Table 1 Proximate and elemental analysis results of Liushuhe oil shale

M—Moisture; V—Volatile matter; A—Ash; FC—Fixed carbon; C—Carbon; H—Hydrogen; N—Nitrogen; S—Sulphur;Qnet—Net calorific value; ad—Air-dried basic

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

空氣壓縮機(jī)(W-0.9/7C)，沈陽(yáng)市東陵空壓機(jī)廠產(chǎn)品；空氣加熱器(WT-JQR)，鹽城市沃特機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；溫度傳感器(3144P)，美國(guó)艾默生有限公司產(chǎn)品；渦街流量計(jì)(LUGB-231106FA)，上海帆揚(yáng)機(jī)電有限公司產(chǎn)品；變頻電機(jī)A(112M1-4)，上海通太電機(jī)有限公司產(chǎn)品；電容層析成像裝置(ERT)，英國(guó)工業(yè)層析成像公司產(chǎn)品；電子天平(AUW) ，日本島津公司產(chǎn)品。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

油頁(yè)巖異步旋轉(zhuǎn)干燥實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)在由樹(shù)脂玻璃加工而成的圓柱形截面流化床中進(jìn)行，流化床高為1.5 m，直徑為0.21 m，由空氣壓縮機(jī)(0.9 m3/min)供給的空氣經(jīng)過(guò)空氣加熱器(50～250℃)升溫后再經(jīng)過(guò)閥門進(jìn)入流化床風(fēng)室，異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)裝置被安裝在流化床的底部位置。流化床入口位置安裝有溫度傳感器(0～300℃)、渦街流量計(jì)(0～5 m3/min)，可以實(shí)現(xiàn)氣流溫度及速率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本實(shí)驗(yàn)中選取干燥氣流溫度為(200±0.5)℃，流化氣流速率為1.6 m/s，所采用的工況參見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。

異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)裝置如圖2所示，裝置主要由內(nèi)嵌式中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)板與外套式行星轉(zhuǎn)環(huán)布風(fēng)板組成，其中，中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)板表面均勻布置有13個(gè)半球形風(fēng)帽，行星轉(zhuǎn)環(huán)布風(fēng)板均勻布置有20個(gè)半球形風(fēng)帽，直徑為1 cm的風(fēng)帽上均勻地開(kāi)有8個(gè)直徑為 1 mm 的小孔。異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)板的旋轉(zhuǎn)原理構(gòu)造圖如圖3所示，變頻電機(jī)A(0～1400 r/min)通過(guò)固定在布風(fēng)板軸心位置的傳動(dòng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)板轉(zhuǎn)動(dòng)，變頻電機(jī)B通過(guò)連接皮帶間接帶動(dòng)固定在布風(fēng)板外環(huán)的傳動(dòng)支架，實(shí)現(xiàn)行星轉(zhuǎn)環(huán)布風(fēng)板的轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)選用變頻電機(jī)額定轉(zhuǎn)速0～1400 r/min，轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸器連接速速比為1/7的減速器，實(shí)現(xiàn)布風(fēng)裝置在0～200 r/min的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速可調(diào)。分別調(diào)節(jié)變頻電機(jī)A、B轉(zhuǎn)速，即可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)布風(fēng)裝置的異步轉(zhuǎn)動(dòng)，異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)裝置的布風(fēng)工況如表2所示，其中N1為中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)板的轉(zhuǎn)速，N2為行星轉(zhuǎn)環(huán)布風(fēng)板的轉(zhuǎn)速。當(dāng)N1=N2時(shí)，中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)板與行星轉(zhuǎn)環(huán)布風(fēng)板同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 油頁(yè)巖異步旋轉(zhuǎn)干燥實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Flow diagram of the experimental setup of the oil shale asynchronous rotation drying system1—Computer; 2—Data acquisition; 3—Fluidized bed; 4—Sampling aperture; 5—ERT; 6—Temperature sensor; 7—Vortex flow meter; 8—Roots blower; 9—A synchronous rotating air distributor; 10—Valve; 11—Air heater

圖2 異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)板示意圖Fig.2 Asynchronous rotating air distributor

圖3 異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)板旋轉(zhuǎn)原理構(gòu)造圖 Fig.3 Schematic diagram of the asynchronous rotating air distributor

表2 異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)裝置布風(fēng)工況Table 2 Different air supply conditions of the asynchronous rotating air distributor

Cond—Condition

顆粒在流化內(nèi)的分布狀態(tài)通過(guò)安裝在高度為0.5 m的電容層析成像裝置(ERT)進(jìn)行測(cè)量，ERT由數(shù)據(jù)采集頻率為2幀/s、激勵(lì)頻率為9.6 Hz的電容陣列傳感器組成，多個(gè)傳感器的組合可以反映顆粒在橫截面的分布狀態(tài)。

1.3 水分測(cè)定實(shí)驗(yàn)

油頁(yè)巖干燥過(guò)程的含水率通過(guò)電子天平(320 g/0.1 mg)進(jìn)行讀取。每次取制備好的油頁(yè)巖樣品 5 kg 置于流化床內(nèi)，在設(shè)定的布風(fēng)工況下干燥，干燥時(shí)間為90 min，每隔2 min從取料口提取料樣，每次取樣的質(zhì)量為5 g，將樣品放入恒溫干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥，直至前后兩次稱量的質(zhì)量之差達(dá)到0.001 g，即干燥完畢。在整個(gè)干燥過(guò)程中取樣的總質(zhì)量不超過(guò)干燥樣品質(zhì)量的5%，因此對(duì)油頁(yè)巖的干燥過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生影響。在油頁(yè)巖干燥過(guò)程中的質(zhì)量損失，即為不同時(shí)刻油頁(yè)巖含水率(wR)，其計(jì)算式見(jiàn)式(1)。

(1)

式(1)中，wt為t時(shí)刻物料干基含水量，g/g；w0為物料原始含水量，g/g；we為物料平衡含水量，g/g；t為物料干燥時(shí)間，min。

2 結(jié)果與討論

油頁(yè)巖在布風(fēng)板同步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況(N1=N2)下的干燥情況見(jiàn)圖4。由圖4可以看到，隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增加，所需干燥時(shí)間不斷縮短，干燥效率有所提高，這是由物料在流化床內(nèi)的分布狀態(tài)所決定的。經(jīng)過(guò)研究[17-18]表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速N1=N2=0時(shí)，物料在流化床內(nèi)主要呈現(xiàn)環(huán)-核態(tài)流動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖5為同步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況(N1=N2)下油頁(yè)巖顆粒的電容層析成像結(jié)果，其中電容層析成像裝置測(cè)量的顆粒流動(dòng)圖像顏色越深，代表顆粒的濃度越高。由圖5(a)可以看到，流化床中心區(qū)域物料濃度的分布較均勻；而靠近壁面的位置，由于物料之間的相互碰撞以及壁面的阻礙效應(yīng)，局部氣速明顯低于中心區(qū)域，造成壁面位置發(fā)生物料的堆積。如圖5(b)所示，適當(dāng)?shù)卦黾硬硷L(fēng)板轉(zhuǎn)速，可以有效地混合中心區(qū)域與壁面區(qū)域的氣流，改善氣流的不均勻分布狀態(tài)，減輕壁面區(qū)域物料的堆積效應(yīng)，增加物料與干燥氣流之間的接觸面積，因此干燥效率有所增加，這一點(diǎn)與Sobrino等[15]的研究結(jié)果相一致。然而轉(zhuǎn)速增加到N1=N2=100 r/min時(shí)，干燥效率并沒(méi)有達(dá)到極大值，繼續(xù)增加旋轉(zhuǎn)速率，干燥所需時(shí)間繼續(xù)縮短。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到N1=N2=150 r/min時(shí)，干燥效率達(dá)到極大值；隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，干燥效率開(kāi)始下降，這主要是由于布風(fēng)板轉(zhuǎn)速過(guò)高，旋轉(zhuǎn)離心力對(duì)物料的作用明顯超過(guò)布風(fēng)板旋轉(zhuǎn)均流的作用，此時(shí)大量物料重新聚集在流化床的壁面位置，干燥氣流無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的有效干燥。

圖4 同步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況(N1=N2)下油頁(yè)巖顆粒含水率隨干燥時(shí)間的變化Fig.4 Moisture content of oil shale particles changing with time at N1=N2

圖5 同步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況(N1=N2)下油頁(yè)巖顆粒的電容層析成像結(jié)果Fig.5 The image of ERT measurement result of oil shale particles at N1=N2N1,N2/(r·min-1): (a) N1=N2=0; (b) N1=N2=100; (c) N1=N2=150; (d) N1=N2=175R—Radius of fluidized bed’s cross section; r—Current position of fluidized bed’s cross section

分別調(diào)整內(nèi)嵌式中心轉(zhuǎn)盤與外套式轉(zhuǎn)盤布風(fēng)板的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行布風(fēng)板異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況下的干燥特性研究，由于布風(fēng)工況數(shù)量較大，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比篩分選取典型工況，在布風(fēng)板異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況下干燥的油頁(yè)巖含水率隨著時(shí)間的變化如圖6所示，圖7為異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況下油頁(yè)巖顆粒的電容層析成像結(jié)果。由圖6可以看出，與同步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)的最優(yōu)工況N1=N2=150 r/min相比，轉(zhuǎn)速N1=150 r/min、N2=125 r/min及轉(zhuǎn)速N1=175 r/min、N2=150 r/min的干燥時(shí)間均有所延長(zhǎng)，即減小外套式轉(zhuǎn)環(huán)布風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速，提高內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)盤布風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速都不能起到提高流化床干燥效率的作用，這一現(xiàn)象可以通過(guò)圖7(a)和(b)加以解釋?？梢园l(fā)現(xiàn)，上述2種布風(fēng)方式會(huì)促使中心區(qū)域的旋流強(qiáng)度增加，導(dǎo)致物料向壁面位置遷移，破壞物料的干燥效果。相比之下，N1=125 r/min、N2=150 r/min對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間開(kāi)始縮短，這說(shuō)明相比于最優(yōu)的同步旋轉(zhuǎn)干燥工況，干燥效率在異步旋轉(zhuǎn)干燥狀態(tài)下可以被進(jìn)一步提高，如圖7(c)所示，降低內(nèi)嵌式中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速可以有效地降低流化床中心區(qū)域的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，從而促使邊壁區(qū)域的物料向中心區(qū)域遷移，物料的分布狀態(tài)逐漸趨于均勻，隨著內(nèi)嵌式中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)裝置轉(zhuǎn)速的降低，N1=75 r/min、N2=150 r/min對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間開(kāi)始延長(zhǎng)，此時(shí)中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速明顯低于行星轉(zhuǎn)環(huán)布風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速，中心區(qū)域的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度較低，如圖7(d)所示，邊壁區(qū)域的物料在流化床中心區(qū)域發(fā)生了堆積，阻礙了干燥氣流與物料的有效接觸。增加外套式行星轉(zhuǎn)環(huán)布風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速，N1=150 r/min，N2=175 r/min對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間亦有所縮短，但干燥時(shí)間明顯大于降低內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)盤布風(fēng)裝置轉(zhuǎn)速所需的干燥時(shí)間，而且繼續(xù)增加外套式行星轉(zhuǎn)環(huán)布風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速至N1=150 r/min、N2=200 r/min，干燥效率急劇降低，說(shuō)明此時(shí)物料向中心區(qū)域遷移狀態(tài)提前發(fā)生。

圖6 異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況下油頁(yè)巖顆粒含水率隨干燥時(shí)間的變化Fig.6 Moisture content of oil shale particles changing with time at the asynchronous rotation condition

圖7 異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況下油頁(yè)巖顆粒的電容層析成像結(jié)果Fig.7 The image of ERT measurement result of oil shale particles at the asynchronous rotation conditionN1,N2/(r·min-1): (a) N1=150, N2=125; (b) N1=175, N2=150; (c) N1=125, N2=150; (d) N1=150, N2=175

油頁(yè)巖樣品的干燥速率(RD)計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式(2)中，wt+dt為時(shí)間間隔為dt的物料干基含水率，g/g。

實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的布風(fēng)板同步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況下油頁(yè)巖干燥速率(RD)隨含水率(wR)的變化如圖8所示。從圖8可以看出，油頁(yè)巖在流化床內(nèi)的干燥過(guò)程主要分為3個(gè)干燥階段，即升速干燥階段、恒速干燥階段和降速干燥階段。在升速干燥階段，物料表面的水分首先受熱蒸發(fā)，導(dǎo)致表面溫度低于內(nèi)部溫度，推動(dòng)水分向外表面遷移。隨著轉(zhuǎn)速的增加，干燥曲線的斜率逐漸增加，這是由于在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中物料的分布逐漸趨于均勻，物料的表面與干燥氣流的接觸面積隨之增加，較大的溫度梯度產(chǎn)生較大的水分推動(dòng)力，干燥速率隨之增加。當(dāng)干燥曲線達(dá)到最大值后，曲線的斜率在一定時(shí)間內(nèi)保持不變，這一階段稱為恒速干燥階段，這時(shí)物料表面水分散失速率等于內(nèi)部水分的擴(kuò)散速率。曲線斜率減小的階段為降速干燥階段，該階段以脫去結(jié)合水為主，由于此時(shí)物料內(nèi)部水分向表面移動(dòng)的速率低于表面水分的蒸發(fā)速率，因此干燥速率逐漸減小，且油頁(yè)巖在降速干燥階段干燥速率呈現(xiàn)由慢到快再到慢的降低趨勢(shì)。原因可能是剛進(jìn)入降速階段時(shí)，油頁(yè)巖中仍存在部分非結(jié)合水分，到了中期，由于油頁(yè)巖粒度較小，水分的內(nèi)部遷移阻力較大，水分來(lái)不及向表面擴(kuò)散，致使干燥速率下降較快，到了后期，由于油頁(yè)巖的干燥速率已經(jīng)很低，所以呈現(xiàn)下降幅度變緩的趨勢(shì)，如果停留時(shí)間足夠長(zhǎng)，物料達(dá)到平衡含水量。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到N1=N2=150 r/min時(shí)，干燥速率達(dá)到最大值0.0615 gH2O/(g·min)，此時(shí)為同步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)的最優(yōu)干燥工況；繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，物料聚集在流化床的壁面區(qū)域，阻礙了干燥氣流對(duì)物料的有效干燥，干燥速率隨之降低。

圖8 同步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況(N1=N2)下油頁(yè)巖顆粒干燥速率(RD)隨含水率(wR)的變化Fig.8 Drying rate (RD) changing with moisture content (wR) of oil shale particles at N1=N2

相比之下，布風(fēng)板異步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)工況的干燥速率明顯大于同步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)工況的干燥速率，如圖9所示。布風(fēng)板異步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)最優(yōu)工況N1=100 r/min、N2=150 r/min的最大干燥速率達(dá)到0.1145 gH2O/(g·min)，為最佳同步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)干燥速率的1.86倍。結(jié)合圖8、圖9可以看到，布風(fēng)板異步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)干燥與同步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)干燥的曲線形狀明顯不同，異步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)的干燥速率經(jīng)歷升速干燥階段后幾乎不具備恒速干燥階段直接進(jìn)入降速干燥階段，這是因?yàn)楫惒睫D(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)干燥不同于一般的干燥方式，通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)嵌式中心轉(zhuǎn)盤與外套式轉(zhuǎn)環(huán)的轉(zhuǎn)速會(huì)使堆積在壁面區(qū)域的物料引向流化床的中心區(qū)域，明顯提高升速干燥階段物料的干燥強(qiáng)度，在升速干燥階段物料內(nèi)部的非結(jié)合水分已經(jīng)全部散失殆盡，從而直接進(jìn)入以結(jié)合水在顆粒內(nèi)部擴(kuò)散為主要特征的降速干燥階段。進(jìn)一步降低內(nèi)嵌式中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)板的轉(zhuǎn)速，由于流化床的干燥能力迅速下降，恒速干燥階段隨之開(kāi)始產(chǎn)生。

圖9 異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況下油頁(yè)巖顆粒干燥速率(RD)隨含水率(wR)的變化Fig.9 Drying rate (RD) changing with moisture content (wR) of oil shale particles at the asynchronous rotation conditionN1, N2/(r·min-1): N1=150, N2=150; N1=75， N2=150； N1=125, N2=150; N1=50， N2=150； N1=100, N2=150; N1=25， N2=150

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)干燥動(dòng)力學(xué)分析

為尋求適于描述異步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)工況下柳樹(shù)河油頁(yè)巖的理想干燥模型，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有干燥模型進(jìn)行總結(jié)，得到如表3所示的9種常用干燥模型，對(duì)物料在典型異步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)配比工況的干燥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬。以相關(guān)系數(shù)R2、卡方誤差χ2作為指標(biāo)，評(píng)價(jià)不同模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果，R2越接近于1、χ2越小，數(shù)學(xué)模型的匹配程度越好，其中χ2和R2可按式(3)、式(4)計(jì)算。

(3)

(4)

表3 干燥模型方程Table 3 Drying mathematical models

a,b,k,n—Coefficients to be determined in the models equation

干燥模型模擬結(jié)果如表4所示。從表4可知，隨著內(nèi)嵌式中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)裝置轉(zhuǎn)速的降低，即外套式轉(zhuǎn)環(huán)與中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)裝置轉(zhuǎn)速差的持續(xù)增加，其相關(guān)系數(shù)先增大后減小，其卡方誤差先減小后增加，盡管多個(gè)模型模擬的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.9以上，卡方誤差都接近于0。但比較可見(jiàn)，Two-term模型在對(duì)所有異步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬時(shí)均取得了較好的擬合效果，其相關(guān)系數(shù)在0.997以上，大于其他模型擬合值；卡方誤差均在0.0003以下，小于其他模型的擬合值。

表4 干燥模型擬合結(jié)果Table 4 Fitting results of drying mathematical models

Con—Condition

圖10為異步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)工況下物料含水率實(shí)驗(yàn)值與Two-term模擬值的對(duì)比。其數(shù)據(jù)基本在斜率為45°的直線周圍，從另一個(gè)方面說(shuō)明Two-term模型較適用于異步轉(zhuǎn)動(dòng)布風(fēng)工況下油頁(yè)巖干燥過(guò)程的模擬。模擬值與實(shí)驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差為6.6%，隨著內(nèi)嵌式中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)裝置轉(zhuǎn)速的降低，模擬效果逐漸降低。這一現(xiàn)象歸咎于兩方面原因：一方面由于相應(yīng)工況下的干燥強(qiáng)度有所提高，物料內(nèi)部空隙中吸附的氣體隨水分一起擴(kuò)散出來(lái)；另一方面是由于每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后物料仍存在少量結(jié)合水。物料質(zhì)量減小部分包括吸附氣體質(zhì)量、水分蒸發(fā)及殘留水分的質(zhì)量之和，而模型中所計(jì)算的物料減小質(zhì)量?jī)H為水分蒸發(fā)質(zhì)量，導(dǎo)致模擬值小于實(shí)驗(yàn)值。當(dāng)中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速工況降低為N1=75 r/min、N2=150 r/min時(shí)，干燥強(qiáng)度開(kāi)始降低，模擬效果有所改善。

圖10 異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況下油頁(yè)巖顆粒含水率(wR)的Two-term模型驗(yàn)證結(jié)果Fig.10 Moisture content (wR) of oil shale particles verification results by the two-term drying model at asynchronous rotation condition

4 結(jié) 論

(1)隨著布風(fēng)板同步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)轉(zhuǎn)速適當(dāng)?shù)脑黾樱锪吓c干燥氣流之間的接觸面積得到改善，干燥時(shí)間不斷縮短。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到N1=N2=150 r/min時(shí)，物料達(dá)到最佳干燥狀態(tài)；繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，會(huì)導(dǎo)致大量物料聚集在流化床的壁面位置，破壞流化床的有效干燥能力。

(2)降低內(nèi)嵌式中心轉(zhuǎn)盤布風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速可以降低流化床中心區(qū)域的氣流強(qiáng)度，進(jìn)一步改善物料的分布狀態(tài)。N1=75 r/min、N2=150 r/min為異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)工況的最佳干燥狀態(tài)，相比于布風(fēng)板同步旋轉(zhuǎn)，干燥效率被進(jìn)一步提高。繼續(xù)降低中心轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，會(huì)導(dǎo)致物料在流化床中心區(qū)域發(fā)生堆積，阻礙干燥氣流與物料的有效接觸。

(3)物料的流化干燥過(guò)程主要分為升速干燥、恒速干燥和降速干燥3個(gè)階段，布風(fēng)板異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)最佳工況的干燥速率為同步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)最佳工況的1.7倍。合理的調(diào)節(jié)內(nèi)嵌式中心轉(zhuǎn)盤與外套式轉(zhuǎn)環(huán)的轉(zhuǎn)速會(huì)強(qiáng)化升速干燥階段物料內(nèi)部非結(jié)合水的散失殆盡，幾乎不存在恒速干燥階段，直接進(jìn)入降速干燥階段。

(4)Two-term干燥模型對(duì)典型異步旋轉(zhuǎn)工況下物料的干燥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的效果最好。隨著流化床干燥能力的逐漸強(qiáng)化，導(dǎo)致物料空隙內(nèi)部吸附的氣體隨水分一同擴(kuò)散，顆粒質(zhì)量損失包括吸收氣體及水分蒸發(fā)的質(zhì)量?jī)刹糠郑M結(jié)果小于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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Asynchronous Rotating Drying Technology of Liushuhe Oil Shale

YANG Ning1, ZHOU Yunlong1, QI Tianyu2, ZHU Xiaoyu1

(1.CollegeofEnergyResourceandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China;2.InstituteofUnclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

A novel asynchronous rotating air distributor was designed to replace the conventional distributor in this study to optimize the drying ability of fluidized bed and strengthen the drying performance of oil shale particles. The rotating speed of the asynchronous rotating air distributor with embedded center disk and encircled disk was regulated to achieve the various air supply conditions. The impacts of different drying conditions on the drying characteristics of Liushuhe oil shale particles were studied with the help of Electrical Capacitance Tomography (ERT). The dynamics of experimental data was analyzed with 9 common drying models. The results indicate that decrease of embedded center disk and increase of the encircled disk air distributor rotating speed can improve particles distribution in the fluidized bed, and reduce the drying time. The drying process of oil shale particles consists of three periods, i.e. raising drying rate period, constant drying rate period and falling drying rate period. The method that regulating air distributor rotating speed reasonably leads to accelerate the particles from raising drying rate period to the falling drying rate period directly. The two-term model fits the oil shale particles drying simulation within 9 drying models at different air supply conditions. Yet the air absorbed in the particles pores is diffused together with moisture evaporation, and a small amount of bound moisture remains after each experiment; consequently, the results of drying simulation are less than the experimental values.

fluidized bed; asynchronous rotation; oil shale; drying technology

2016-03-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51276033，51541608)資助

楊寧，男，講師，從事油頁(yè)巖干燥技術(shù)及氣固參數(shù)檢測(cè)研究；E-mail:m13620752851@163.com

周云龍，男，教授，從事多相流動(dòng)參數(shù)檢測(cè)研究；Tel:0432-64807495;E-mail:1020219438@qq.com

1001-8719(2017)03-0497-10

TK121

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.03.014