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树皮在流化床锅炉中干燥时间的计算
发布时间:2011/4/16  阅读次数:1969  字体大小: 【】 【】【
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树皮在流化床锅炉中干燥时间的计算
赵广播 黄怡珉 高志宏 秦裕琨 王绍安
[摘要] 得到了树皮在流化床中的恒速段干燥时间、降速段干燥时间、从临界点对应温度升高到着火温度所用时间及临界湿含量的计算公式。以某一流化床锅炉为例,进行了树皮干燥时间的计算。关键词 流化床锅炉 树皮 干燥
中图分类号 TK229.6
1 引言
  以木材为原料的造纸企业的废弃物树皮,可送入流化床锅炉中燃烧以利用其热量。树皮属高水分燃料,进入流化床中后首先干燥。本文将推导适合流化床条件下的临界湿含量及树皮干燥时间的计算公式,为研究树皮在流化床中的燃烧奠定基础。
2 恒速段干燥时间的计算
 树皮的干燥可分为恒速干燥段和降速干燥段,恒速段的干燥速度为:
                  t212-1.gif (641 bytes)             (1)
式中 M0—树皮初始湿含量,kg/kg;
   Mc—临界湿含量,kg/kg;
   τ1—恒速段干燥时间,s;
   Ν—恒速段干燥速度,(kg/kg)/s。
  在恒速段,树皮吸收的热量全部用于汽化水分,其干燥速度也可写成
                     t212-2.gif (488 bytes)              (2)
                  t212-4.gif (513 bytes)           (3)
式中Φ-树皮吸收的热量,kW/m2
  R-定性尺寸,m;
  γ-湿球温度下水的汽化潜热,kJ/kg;
  ρs-树皮干物质密度,kg/m3
  αd-对流换热系数,kW/(m2.℃),按文献[1]中公式计算;
  αf-辐射换热系数,kW/(m2.℃),按文献[2]中公式计算;
  t212-3..gif (106 bytes)ft-沸腾层温度,℃
  tw-湿球温度,℃。按下列公式计算[1]
                 CH(t212-3..gif (106 bytes)ft-tw)=(dw-d)γ(4)
                 CH=Cpa+Cpv(dw+d)/2               (5)
                 dw=0.622PW/(P-PW)               (6)
式中CH-湿空气的干基比热,kJ/(kg.℃);
  dw-温球温度下物料表面饱和湿含量,kg/kg;
  d-流化床内气体的湿含量,kg/kg;
  Cpa-干空气定压比热,kJ/(kg.℃);
  Cpv-水蒸气定压比热,kJ/(kg.℃);
  P-流化床内气体内总压力,Pa;
  Pw-饱和状态下蒸汽分压力,可按下式计算
  Pw=exp[(60.433-6834.27/(tw+273)-5.169 231n(tw+273)]          (7)
流化床内气体的湿含量按下式计算:
                  t212-6.gif (652 bytes)                 (8)
式中VH2O-实际水蒸气体积,Nm3/kg;
  Vgy-干烟气体积,Nm3/kg;
  ρ0H2O-水蒸气密度,kg/Nm3
  ρ0gy-干烟气密度,kg/Nm3
  由式(1)、式(2)可得树皮的恒速段干燥时间为
                   t212-7.gif (18398 bytes)            (9)
3 降速段干燥时间计算
  降速段平均干燥速度方程为[3]
                   t213-1.gif (580 bytes)            (10)
                    t213-2.gif (670 bytes)           (11)
式中k-干燥系数,1/s;
  Me-平衡湿含量,kg/kg;
  αm-传质分系数,m/s,按文献[4]中公式计算。
  Dm-树皮质扩散系数,m2/s;根据作者的实验结果,得到如下公式:
                   Dm=2.26×10-6MpT5.9             (12)
其中                T=(t+273)/1000               (13)
                   t213-3.gif (1038 bytes)            (14)
式中MpM0Mn间的平均湿含量,kg/kg;
  Mn-终了湿含量,kg/kg;
  n-区段数,按下式计算:
                   n=100M0Mn                   (15)
  式(12)的适用范围为t=700℃-1000℃,M0=1.0-1.63 kg/kg。
  对式(10)在临界湿含量和降速段中的某一湿含量间积分,得
                    t213-4.gif (633 bytes)            (16)
  可见,降速段干燥时间为
                   t213-5.gif (668 bytes)            (17)
  以上为树皮不着火时的降速段干燥时间,干燥的最终水分为平衡水分。在实际的流化床中,一进入降速段,树皮温度即开始上升,当树皮温度达到着火温度时,干燥即告结束。设树皮从湿球温度升高到着火温度所需的时间为τ3,如τ2大于τ3说明树皮在干燥到平衡湿含量时尚未着火,树皮在流化床中的总干燥时间为恒速段干燥时间与降速段干燥时间之和,即:
                   τ=τ1+τ2                   (18)
  如τ2小于τ3,说明树皮中水分尚未完全析出时就达到了着火温度,此时总干燥时间为恒速段干燥时间与树皮从湿球温度升高到着火温度所需的时间之和,即:
                   τ=τ1+τ3                   (19)
4 从临界点对应温度升高到着火温度的时间计算
  在恒速干燥段,树皮温度等于湿球温度。进入降速干燥段后,树皮温度开始上升。此时,树皮的升温为具有第三类边界条件的不稳定导热问题。将树皮看作为相互正交的三块无限大平板交割成的几何图形体,则某时刻树皮的温度可按文献[5]中方法计算。树皮的着火温度见文献[6]。
5 临界湿含量的计算
  临界点是恒速干燥段和降速干燥段的分界点。在临界点之前,物料处于恒速干燥段,临界点可认为是恒速干燥段的终点,把临界点算在恒速段中时,其干燥速度为:
               t213-6.gif (576 bytes)           (20)
  同时,临界点又是降速段的起点,把临界点算在降速段中时,其干燥速度为:
                 t213-7.gif (762 bytes)              (21)
  由式(20)、(21)可求出临界湿含量为
                    McMeN/k              (22)
6 算例
  将上述计算过程编制成程序,可进行树皮在流化床中干燥时间的计算。计算时,树皮外型尺寸为45mm×45mm×(4~10) mm;树皮初始水分为62%;树皮的真实重度为529 kg/m3;沸腾层温度为700℃~1000℃;不考虑树皮着火时的终了湿含量为0.01 kg/kg;树皮的着火温度取为310℃[6]
  计算树皮在流化床中燃烧产生的干烟气体积时用到的树皮收到基成分为:碳18.85%,氢2.29%,氧14.8%,氮0.14%,硫0.14%;沸腾层名义过量空气系数为1.2。
  计算结果见图1~7。由图可见:
  (1)树皮的临界湿含量随温度和树皮厚度而变。温度低、厚度小时,临界湿含量也低。但相对于初始湿含量而言,变化幅度不大(见图1)。
  (2)同一厚度的树皮,温度增加,恒速段干燥速度随之增加(见图2),干燥时间降低(见图4)。因为在恒速段,树皮吸收的热量全部用于水分的蒸发,温度增加,树皮吸热量增加,干燥速度必然加快。
  (3)同一厚度的树皮,温度增加,不考虑着火时的降速段干燥时间降低(见图5)。因为温度增加,树皮内部的质扩散系数大大增加,干燥系数增加(见图3),水分扩散速度加快。
  (4)将树皮从湿球温度升高到着火温度所用的时间小于将树皮从临界含水量降到平衡含水量所用的时间(见图5、图6)。说明树皮中水分尚未完全析出时,已达到了着火温度。
  (5)相同条件下,恒速段干燥时间比不考虑着火时的降速段干燥时间和将树皮从湿球温度升高到着火温度所用的时间大得多,说明树皮的干燥以恒速干燥为主(见图4~图6)。
  (6)同一温度下,树皮厚度增加,树皮中总的含水量增加,干燥时间随之变长(见图4~图7)。
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