秸秆干燥过程的实验研究与理论分析

论文摘要

生物质能源是唯一可储存和运输的可再生能源,也是目前最有可能实现规模化利用的替代能源。生物质能源的应用对于改善我国的能源结构、保障能源安全、降低环境污染具有十分重要的意义。近十年来生物质能源的应用技术研究得到大力发展,但无论是生物质能源的哪种利用方式(气化、液化、固化等),都需要对其进行干燥,使其含湿量降到15%以下才可利用。因此,国家“十五”“863”计划项目“生物质气化发电优化系统及其示范工程”的子课题“农业废弃物流化床气化过程预处理技术研究”把在生物质能源中占主导地位的农作物秸秆的快速、高效干燥作为一个重要内容开展研究。 本文全面系统地进行了秸秆的各种理化特性、热重特性、等温干燥特性和微观结构特性实验,提出了这些特性对秸秆干燥过程的影响。在秸秆等温干燥特性实验中,归纳了四种秸秆在不同工况下的最佳干燥温度;在研究初始含湿量对干燥时间的影响时,提出了适量的秸秆含湿量的增加对干燥时间的影响可以忽略的看法。在秸秆微观结构实验中,’首次提出了秸秆干燥骨架与空隙的分布规律以及水分迁移的路径。 以体积平均理论为指导思想、以热质平衡为基本出发点,进行了描述秸秆干燥过程的气化界面内移的理论分析;以移动气化界面为表征干燥过程的动态效应,重新定义了表征单元体干、湿区的界限;在充分考虑气化界面处壁温T_w对扩散系数D_r的影响后,建立了以壁温T_w为变量的边界条件。在降速干燥阶段,水分的扩散有较大阻力,引入内移系数来表示这种阻力,从而避免了引入复杂公式带来的计算量增加。 通过对比实验值与计算值,得出表征自由水分传导阻力系数H、扩散阻力系数F和内移系数人,采用上述系数对计算值进行修正,最终修正值与实验值吻合良好,验证了理论分析的正确性,最终推导出初含湿量为70%的玉米秸秆在不同干燥温度下恒速干燥阶段干燥速率的表达式和干燥温度为130℃时降速干燥阶段干燥速率的计算公式。 运用秸秆干燥特性实验的基础数据及理论分析的研究成果,优化设计一套板箱式秸秆干燥试验机。巧妙地构思出“射流加热板”,使得干燥介质在不同加热板上有不同的加热方式、提供不同的能量,实现了不同干燥阶段的按需供能。在秸秆干燥试验装置的实验研究中,验证了等温干燥实验时提出的秸秆干燥分为三个阶段的理论,并测算出不同阶段的需能状况,验证了理论分析的正确性。在进一步的实验中得到如下结果:秸秆干燥试验装置产量为208.6kg/h,热能利用率为71.02%,干燥后秸秆含湿不均匀度为2%,达到了设计要求,对优化设计工业化生产规模的秸秆干燥设备具有重要指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1.绪论
• 1.1 生物质能源利用的意义
• 1.1.1 我国可开发的生物质资源
• 1.1.2 利用生物质能源的意义
• 1.1.3 生物质能源利用技术
• 1.1.4 我国生物质能源利用现状
• 1.2 秸秆干燥研究现状
• 1.2.1 干燥技术研究现状
• 1.2.2 干燥理论研究现状
• 1.2.3 秸秆干燥技术现状
• 1.3 本论文的提出背景及研究内容
• 1.3.1 本论文的提出背景
• 1.3.2 本论文的研究内容
• 2.秸秆干燥特性实验研究
• 2.1 秸秆的理化特性实验
• 2.1.1 秸秆自然晾晒时的失水实验
• 2.1.2 秸秆的工业分析
• 2.1.3 秸秆的元素分析
• 2.1.4 秸秆的发热量实验
• 2.1.5 秸秆的化学成份分析
• 2.1.6 秸秆的空隙率实验
• 2.1.7 秸秆理化特性总结
• 2.2 秸秆的热重特性实验研究
• 2.2.1 实验目的与实验对象
• 2.2.2 主要实验仪器
• 2.2.3 主要实验步骤
• 2.2.4 秸秆的热重曲线
• 2.2.5 实验结果分析
• 2.3 秸秆等温干燥特性实验研究
• 2.3.1 实验目的与实验对象
• 2.3.2 实验仪器与实验步骤
• 2.3.3 秸秆的等温干燥曲线分析
• 2.3.4 不同含湿量下秸秆等温干燥曲线分析
• 2.3.5 温度对干燥时间的影响效果分析
• 2.3.6 初含湿量对干燥时间的影响效果分析
• 2.4 秸秆化学成份对秸秆干燥过程的影响
• 2.4.1 木质素、半纤维素和纤维素总含量对干燥的影响
• 2.4.2 半纤维素和纤维素含量对干燥的影响
• 2.5 秸秆的微观结构实验研究
• 2.5.1 实验目的
• 2.5.2 实验仪器
• 2.5.3 实验样品
• 2.5.4 实验结果及分析
• 2.6 本章小结
• 3.秸秆干燥过程的理论分析
• 3.1 两种重要的干燥理论
• 3.1.1 Luikov唯象理论
• 3.1.2 Whitaker体积平均理论
• 3.2 构造表征单元体
• 3.3 表征单元体物理参数
• 3.3.1 表征单元体基本参数的理论处理方法
• peff'>3.3.2 有效导热系数λ_peff
• peff'>3.3.3 等效定压比热容C_peff
• r'>3.3.4 扩散系数D_r
• 3.4 气化界面内移的理论分析
• 3.4.1 表征单元体能量、质量守恒方程
• 3.4.2 表征单元体边界条件的建立
• 3.4.3 表征单元体边界条件的化简
• 3.5 表征单元体气化界面内移速度推导
• 3.6 本章小结
• 4.实验值与计算值的对比分析
• 4.1 相关参数处理
• 4.1.1 理论分析中的相关参数
• 4.1.2 表征单元体相关参数
• 4.2 实验值的处理
• 4.2.1 干燥过程两个阶段分析
• 4.2.2 恒速干燥阶段实验值的处理
• 4.2.3 降速段干燥阶段实验值处理
• 4.3 气化界面内移方程求解
• 4.3.1 恒速干燥阶段干燥速度、速率求解
• 4.3.2 降速干燥阶段干燥速度求解
• 4.4 实验值与计算值的对比分析
• 4.4.1 恒速阶段实验值与计算值的对比分析
• 4.4.2 降速阶段实验值与计算值的对比分析
• 4.5 本章小结
• 5.秸秆干燥试验装置的优化设计与实验研究
• 5.1 秸秆干燥试验装置的优化设计
• 5.1.1 秸秆干燥试验装置的设计原则
• 5.1.2 秸秆干燥试验装置拟达到的主要技术指标
• 5.1.3 秸秆干燥试验装置类型选定
• 5.1.4 秸秆干燥试验装置总体结构设计
• 5.1.5 供热系统的设计
• 5.1.6 拖动系统设计
• 5.1.7 供热风机的确定
• 5.2 秸秆干燥试验装置的设计计算
• 5.2.1 秸秆干燥试验装置的热力计算
• 5.2.2 秸秆干燥试验装置的结构计算
• 5.2.3 秸秆干燥试验装置机械计算
• 5.3 秸秆干燥试验装置的实验研究
• 5.3.1 实验目的
• 5.3.2 实验系统
• 5.3.3 实验用秸秆
• 5.3.4 秸秆干燥试验装置的干燥特性曲线
• 5.3.5 不同工况下干燥试验装置的干燥特性曲线
• 5.3.6 秸秆干燥试验装置热能利用率的测定
• 5.3.7 其它性能测试
• 5.4 本章小结
• 6.结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 符号说明
• 博士期间发表的论文、著作、专利及研究项目
• 致谢
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