一种利用烟气在旋流场中悬浮干燥生物质的系统及方法

1.本发明涉及生物质干燥技术领域，特别是涉及一种利用烟气在旋流场中悬浮干燥生物质的系统及方法。


背景技术：

2.在能源和环境的压力下，开发清洁可再生能源成为世界各国的一个紧迫性难题。生物质能相比于其他能源，具有可再生、污染少、可存储和运输等特点，因而受到广泛关注。中国是一个农业大国，生物质资源丰富、数量巨大、品种多样性。
3.生物质能利用技术主要包括生物质直燃发电技术、气化发电技术、生物质制油技术以及生物质成型燃料等。由于生物质原料具有含水率高、热值低、能量密度低、易腐烂等缺点,如不对其进行干燥等预处理,不仅会严重降低了其长距离运输的经济性以及储存周期,而且还会降低生物质原料热值,并显著提高生物质利用过程中的烟气处理量,从而显著增大锅炉等本体及辅助设备的尺寸,最终导致其热效率降低以及制造成本显著增加。
4.生物质干燥是生物质预处理的关键技术。生物质干燥是利用技术方法降低生物质中的含水率，传统的方法是利用热源对生物质进行干燥。自然晾晒或者风干是最早使用的的生物质干燥方法,但该法占地面积大且费时,不适用于大规模生产。
5.传统的生物质直燃发电通常利用锅炉烟气的余热进行生物质燃料的干燥。专利cn103254918a公布了一种利用锅炉烟气干燥与炭化生物质燃料的系统和法，利用锅炉除尘器后烟气余热对生物质燃料进行干燥，避免了生物质燃料含水率对锅炉系统的影响。专利cn102954678a公开了一种利用生物质锅炉烟气干燥生物质燃料的方法，主要通过除尘后的生物质锅炉烟气与生物质燃料接触换热，从而对生物质燃料进行干燥。
6.现有技术中传统干燥的方法对于生物质的干燥效果较低，而且能耗较大，物料干燥不均匀，设备尺寸比较大，干燥成本较高。


技术实现要素：

7.本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种利用烟气在旋流场中悬浮干燥生物质的系统，包括烟气管道、冷空气风道、混合干燥风道、离心风机、风机变频器、料仓、螺旋进料器、文丘里进料器、电路控制器、数据采集仪、热电偶、流量计、旋流悬浮干燥器和收集箱，冷空气风道的输入端连接有离心风机，离心风机配套设置有用于控制输出频率的风机变频器；
8.混合干燥风道的输出端设置有文丘里进料器；文丘里加料器的输出端与螺旋进料器的输入端连接，螺旋进料器的另一输入端设置有料仓，螺旋进料器的输出端设置有螺旋进料变频器；
9.文丘里进料器的另一输出端与旋流悬浮干燥器的输入端连接，气流携带物料从切向入口进入旋流悬浮干燥器，旋流悬浮干燥器包括上筒体、下锥体、切向入口、出气口、落料口、干燥器视镜；旋流悬浮干燥器内壁面上刻有导流槽，在旋流悬浮干燥器外壁面上开有取
样及测量孔。
10.优选的，烟气管道设有入口调节阀；流量计设置在冷空气风道上，热电偶设置在混合干燥风道上。
11.优选的，文丘里进料器上方装有进料器视镜。
12.优选的，落料口的下方放置有收集箱，落料口与收集箱衔接处设置有过滤网，收集箱一侧设置有出料口。
13.优选的，系统设置有数据采集仪，实时记录流量计和热电偶的数值。
14.优选的，旋流悬浮干燥器的内壁上设置保温层。
15.一种利用烟气在旋流场中悬浮干燥生物质的方法，包括以下具体步骤：
16.s1、热烟气从烟气管道中进入，冷风通过离心风机从冷空气风道进入，通过热空气入口调节阀和风机变频器分别调节热风与冷风流量从而控制混合干燥风道中空气温度；
17.s2、混合干燥风道中空气携带通过螺旋进料器与文丘里进料器加入的破碎的物料颗粒进入旋流悬浮干燥器中进行干燥；
18.s3、物料在旋流悬浮干燥器的柱锥区域，物料颗粒受到的重力、旋流运动产生的离心力及壁面对颗粒的压力，气流对颗粒产生的曳力及壁面对颗粒的摩擦阻力共同作用于颗粒，使其运动状态呈现不同趋势；
19.s4、颗粒主要受到向上的支撑力作用，呈现出悬浮态转动趋势，调节进料量以及风速控制物料颗粒在干燥中的停留时间，达到合适的含水率后进入收集箱。
20.与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
21.(1)本发明利用烟气余热干燥高含水率生物质，充分利用烟气余热，降低干燥能耗。
22.(2)本发明热空气风道阀门、冷空气风道变频风机与混合干燥风道的设计能控制干燥物料的空气温度，物料干燥效果好。
23.(3)本发明采用旋流干燥，该过程生物质与气体充分接触，换热效率高，受热均匀，在旋流悬浮干燥器中柱锥区域处，物料颗粒受到的重力、旋流运动产生的离心力及壁面对颗粒的压力，气流对颗粒产生的曳力及壁面对颗粒的摩擦阻力共同作用于颗粒，使其运动状态呈现不同趋势。颗粒主要受到向上的支撑力作用，呈现出悬浮态转动趋势，可以调节进料量以及风速控制物料颗粒在干燥中的停留时间，相比于现有技术中通过加入多层挡板，让物料不会顺利排出而延长停留时间的干燥器，本发明干燥时间、干燥温度都大大降低，在短时间内就可以达到所需的物料目标含水率，干燥效率大大提高。
附图说明
24.图1为本发明的整体结构示意图；
25.图2为本发明中旋流悬浮干燥器结构示意图之一；
26.图3为本发明中旋流悬浮干燥器结构示意图之二；
27.图4为本发明中物料受力状态分析图；
28.图5为为本发明中旋流悬浮干燥器干燥麦秆的干燥曲线图；
29.图6为现有干燥设备的干燥特性曲线图。
30.附图标记：1、离心风机；2、流量计；3、调节阀；4、热电偶；5、文丘里进料器；6、进料
器视镜；7、螺旋进料器；8、料仓；9、冷空气风道；10、螺旋进料变频器；11、旋流悬浮干燥器；12、混合干燥风道；13、过滤网；14、收集箱；15、出料口；16、数据采集仪；17、电路控制器；18、风机变频器；19、烟气管道；20、切向入口；21、干燥器视镜；22、出气口；23、上筒体；24、测量孔；25、导流槽；26、下锥体；27、落料口；28、保温层。
具体实施方式
31.实施例1
32.如图1-2所示，本发明提出的一种利用烟气在旋流场中悬浮干燥生物质的系统，包括烟气管道19、冷空气风道9、混合干燥风道12、离心风机1、风机变频器18、料仓8、螺旋进料器7、文丘里进料器5、电路控制器17、数据采集仪16、热电偶4、流量计2、旋流悬浮干燥器11和收集箱14，冷空气风道9的输入端连接有离心风机1，离心风机1配套设置有用于控制输出频率的风机变频器18；
33.混合干燥风道12的输出端设置有文丘里进料器5；文丘里进料器5的输出端与螺旋进料器7的输入端连接，螺旋进料器7的另一输入端设置有料仓8，螺旋进料器7的输出端设置有螺旋进料变频器10；
34.文丘里进料器5的另一输出端与旋流悬浮干燥器11的输入端连接，气流携带物料从切向入口9进入旋流悬浮干燥器11，旋流悬浮干燥器11包括上筒体23、下锥体26、切向入口20、出气口22、落料口27、干燥器视镜21；旋流悬浮干燥器11内壁面上刻有导流槽25，在旋流悬浮干燥器11外壁面上开有取样及测量孔24。
35.烟气管道19设有入口调节阀3；流量计2设置在冷空气风道9上，热电偶4设置在混合干燥风道12上。
36.文丘里进料器5上方装有进料器视镜6，方便观察内部情况。落料口27的下方放置有收集箱14，落料口27与收集箱14衔接处设置有过滤网13，收集箱14一侧设置有出料口15。系统设置有数据采集仪16，实时记录流量计2和热电偶4的数值。旋流悬浮干燥器11的内壁上设置保温层28。
37.在本实施例中，利用烟气在旋流场中悬浮干燥生物质的系统中，热烟气从烟气管道19中进入，冷风通过离心风机1从冷空气风道9进入，可通过热空气入口调节阀3和风机变频器18分别调节热风与冷风流量从而控制混合干燥风道12中空气温度；
38.其次，混合干燥风道12中空气携带通过螺旋进料器7与文丘里进料器5加入的破碎的物料颗粒进入旋流悬浮干燥器11中进行干燥；
39.最后，在旋流悬浮干燥器11中柱锥区域处，物料颗粒受到的重力、旋流运动产生的离心力及壁面对颗粒的压力，气流对颗粒产生的曳力及壁面对颗粒的摩擦阻力共同作用于颗粒，使其运动状态呈现不同趋势。颗粒主要受到向上的支撑力作用，呈现出悬浮态转动趋势，可以调节进料量以及风速控制物料颗粒在干燥中的停留时间，使其达到合适的含水率后进入收集箱。
40.在本实施中，物料在旋流悬浮干燥器11中受力分析如图4所示，物料受到f壁面摩擦力、f旋流运动产生的离心力、fd气流对颗粒产生的曳力、fn壁面对颗粒的压力以及重力g；
41.首先颗粒会在热空气的携带下进入干燥器并快速螺旋运动至柱锥区域处，并开始
作悬浮下排的运动趋势。当进料量不变，携带物料的进入干燥器的热空气风速增加时，颗粒在柱锥区域处的角速度ω增加，颗粒所受离心力f＝mω2r增大，物料更贴近干燥器壁面，使得壁面摩擦力f与壁面对颗粒的压力fn增大，与使物料下坠的重力g＝ρvg、气流对颗粒产生的曳力fd达到动态平衡，物料更不易排出而在柱锥区域处周转运动。随着物料在干燥器中与热空气的换热传质，物料的含水率逐渐降低，自身所受的重力也逐渐降低，在进料量和风速不变的情况下，物料颗粒所受的离心力、摩擦力也随颗粒质量的降低而降低，颗粒所受的各种外力达到一个新的平衡。最后，随着新进入的物料不断在柱锥区域处增加，之前物料所受的向下的力逐渐增大，最终在干燥器落料口被排出。因此可以通过调节进料量以及热空气风速控制物料在干燥器中的停留时间。
42.实施例2
43.如图3所示，本发明提出的一种利用烟气在旋流场中悬浮干燥生物质的系统相较于实施例1，在本实施例中，物料在旋流悬浮干燥器11呈悬浮然后下排的规律，旋流悬浮干燥器11的结构如下锥角的角度对于物料的停留时间也有影响，且进料量和风速也有影响。
44.而现有技术中的气流干燥器控制停留时间的方法比如在内部加入多层挡板，让物料不会顺利排出而延长停留时间。而在本发明中颗粒悬浮且高速的绕中心转动，更有利于颗粒与热空气的传热传质接触进行干燥。
45.实施例3
46.如图5-6所示，本发明提出的一种利用烟气在旋流场中悬浮干燥生物质的系统，本实施例中，
47.在热风温度60度，入口风速7m/s的工况下利用干燥颗粒在干燥器柱锥区域处悬浮周转运动的现象对粒径1cm、湿基含水率50％的麦秆进行干燥实验并且绘制了干燥特性曲线，如图5所示。加入一定质量物料颗粒并且对其在干燥器中停留时间进行计时，经过一定时间停止进风，物料从落料口排出并且利用水分测试仪对其湿基含水率进行测试，实验重复两次保证其可重复性，将干燥不同时间后的物料颗粒的湿基含水率最后绘制成随时间变化的干燥特性曲线图。从图5可以看出物料颗粒的湿基含水率下降很快，在短时间1min以内就经历了干燥的预热阶段、恒速干燥阶段并且达到了降速干燥阶段，随着干燥时间的延长，干燥速率逐渐降低，最后物料颗粒的含水率达到平衡含水率后不再变化，这是由于颗粒的高速旋转运动与热空气的快速换热传质导致的。
48.图6是在3l/min氮气流，气体温度100度，物料颗粒初始含水率湿基接近34％，干燥不同尺寸木屑颗粒(分别从3.2,6.3,12.7，25.4mm网筛尺寸筛选)所做的干燥特性曲线图。从图中可以看出，物料颗粒的干燥过程较为缓慢，经过预热阶段、恒速干燥阶段加起来将近20min,之后才到降速干燥阶段。
49.相比较而言，旋流悬浮干燥器的干燥时间、干燥温度都大大降低，在短时间内就可以达到所需的物料目标含水率。
50.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。