在气流干燥条件下的干燥特性进行研究
考虑干燥管内气固两相间的传热和传质、气固两相温度和含湿量的变化。用Matlab中的Simulink仿真软件进行了数值求解,得到了含湿煤灰颗粒在不同气流干燥条件下的干燥曲线。数值模拟结果与实验数据吻合很好,证明了该模型的准确性。煤灰;气流干燥;干燥管;数值模拟;传热;传质常温循环流化床(CFB)烟气脱硫技术与湿法脱硫技术相比,具有工艺系统简单、投资低、耗水量少、占地少、副产品呈干态易于处理等优点。在实际应用的CFB常温半干法烟气脱硫工艺中,采用石灰浆滴包裹的煤灰颗粒作为脱硫剂颗粒。整个脱硫过程反应与含湿煤灰颗粒的干燥过程有密切的关系。因此,研究煤灰颗粒在实际脱硫条件下的干燥过程,有助于加强对整个脱硫过程的了解,以及在此基础上对脱硫系统进行优化分析和设计。
气流干燥过程由于传热、传质和能量的耦合作用而变得非常复杂。在干燥过程中,沿着干燥管的高度方向,颗粒的特性以及气流的性质都会发生显著变化。
国外学者提出了一些模型来描述气流干燥过程,在这些模型中,绝大多数模型都是假设颗粒的性质均匀并且不随干燥过程的进展而发生粒径的收缩,并且只考虑在稳定条件下的一维流动干燥过程,这一类的模型的模型,Saastamoinen在1992年建立的模型等由于干燥过程同被干燥物质的特性有非常密切的关系,因此针对不同物质的干燥模型会有很大差别。
迄今为止,国内外尚未检索到公开发表的关于含湿煤灰颗粒气流干燥过程的相关研究文章。因此,有必要对含湿煤灰颗粒在气流干燥条件下的干燥特性进行研究。
本文提出了一个描述含湿煤灰颗粒气流干燥过程的数学模型,并进行了数值求解,得到了不同条件下含湿煤灰颗粒的干燥曲线。通过与实验数据的比较,验证了模型的准确性。
实验研究本文建立的颗粒气流干燥实验台系统。由鼓风系统、空气加热系统、空气加湿系统、给料系统、干燥管、测量系统、物料收集系统7部分组成。干燥管由5节长度800mm、内径108mm的管段任意连接而成,大高度4m.
实验用的煤灰取自清华大学试验电厂的CFB常温半干法烟气脱硫试验装置中的灰料,灰粒径采用英国产Mastersizer2000型粒径分析仪进行分析,得到煤灰颗粒的平均粒径为d对于煤灰颗粒的临界含湿量,采用热重分析仪(TGA)对飞灰颗粒在30和40下的干燥过程进行分析。
空气加热器干燥条件临界含湿量空气温度空气相对湿度,可以看出煤灰颗粒的临界含湿量在1013之间,但是在气流干燥情况下,颗粒的临界含湿量要相应发生变化在实验的准备阶段,将煤灰配成含湿量一定的均匀状态后放入密闭的给料斗中,并取样测定其含湿量。
实验结束时,再测定收集到的颗粒含湿量,就可得到干燥管入口和出口的颗粒含湿量差。
在实验过程中,空气通过电加热器的加热达到预定温度,再由加湿器加湿到预定的湿度后,由风机鼓入干燥管段内。首先转动蝶阀使Y形管道连接到布袋除尘装置,等干燥管内空气达到稳定状态后,再转动蝶阀使管道连接到颗粒收集装置,采集样品颗粒。实验中不同高度试样的获得可以通过改变组成干燥管所用管段的多少来实现。例如,要测量1.6m高度上颗粒的含湿量,可以在气流出口处安装2个管段,在管段的末端连接Y形管,这样收集到的颗粒即为1.6m高度上的样品。
基于气流干燥的特点,本文对含湿煤灰颗粒的气流干燥过程作了如下一些合理的假设:名称意义单位名称意义单位颗粒速度空气导热系数气流速度水蒸气比热容颗粒密度干物料比热容气流密度干空气比热容干颗粒密度水的比热容干空气密度空气比热容X颗粒含湿量传质系数Y气流含湿量h对流换热系数气体饱和湿度质扩散系数颗粒温度拖拽系数无因次气流温度K总传热系数环境温度D干燥管直径干物料流量n单位体积颗粒数量l/m干空气流量蒸发1kg水所需要的焓变p干燥管内压力g重力加速度颗粒直径Z竖直方向的高度空气运动粘度均为重量百分含量,其中X为kg水/kg干物料,Y、为kg水/kg干烟气。
(1)在实验条件下,干燥管内无返混现象;(2)以煤灰颗粒的平均粒径表征颗粒大小,并且颗粒都是球形的;(3)忽略气流和管壁之间以及颗粒和管壁之间的摩擦阻力;(4)干燥气体为理想气体;(5)质量、热量和动量的交换只发生在气固两相中;(6)颗粒是由连续的多孔介质和水组成;(7)只考虑气流温度和湿度在干燥管高度方向上的变化;(8)固体颗粒在干燥管的横截面上均匀分布。
在此基础上,本文建立了如下煤灰颗粒气流干燥数学模型。
2.1基本方程(1)颗粒运动微分方程方程(1)中的为拖拽系数,表示气流对于颗粒拖拽力的大小,是相对雷诺数Re的函数,Re=D(u研究论文(2)气流运动微分方程方程(2)中的参数n为干燥管内单位体积的颗粒数目,根据实验条件选取。
(3)颗粒含湿率微分方程方程(3)中的传质系数k与施密特数Sc和普朗特数Pr相关联,k按照文献<4>中提出的关联式h/来进行计算,其中Pr=(4)气流含湿率微分方程(5)颗粒温度微分方程方程(5)中的气流与颗粒间的对流换热系数h与努塞尔特数Nu相关联,Nu数按照文献<5>中Camson提出的颗粒传热关系式Nu=hD/来进行计算。
(6)气流温度微分方程:方程(6)中的K为干燥管同外界的换热系数,本文中实验台的干燥管由于采用了良好的隔热保温措施,因此取K=0,即认为整个干燥管是绝热的。
方程(1)(6)构成的一阶常微分方程组是干燥过程模拟的基本方程。对于不同的颗粒和干燥条件,还需要补充合适的颗粒和干燥介质物性方程来进行数值求解。
颗粒物性方程实验使用的燃煤飞灰颗粒的平均粒径为d78.8m.数值模拟中将煤灰颗粒简化为具有相同上述粒径的球体,这样可以大大简化计算,数值模拟和实验的比较也证明了这种简化的合理性。
颗粒密度随含湿量的变化关系为:其中C为参数,由颗粒的特性决定。本文计算中取C2.3干燥介质物性方程实验中,干燥介质为含有一定水蒸气的空气,干空气的密度按照下式进行计算:其中,M对于空气的粘度,导热系数等物性参数采用在2之间进行线性插值进行计算。在本文实验的条件下,这样近似具有足够的准确度。
实验与数值模拟结果本文建立的数学模型采用Matlab中的Simulink仿真软件包进行数值求解。求解器采用Simulink中的变步长连续求解器ode45.计算得到了不同气流入口速度、温度、含湿量以及颗粒入口含湿量条件下含湿煤灰颗粒干燥过程的数值解,并与实验数据进行了比较。
气质量比W=0.057,气流入口速度分别为3m/s和5m/s的条件下煤灰颗粒气流干燥过程数值模拟结果与实验结果之间的比较。
从图中可以看出,随着气流速度增大,颗粒在不同高度上的含湿率也随之增大。这主要是因为在实验的气流速度范围内,虽然提高气流速度能够增大气流与颗粒之间的相对速度,使传热传质过程得到加强,但是由于气流速度增大,颗粒在干燥管中的停留时间相对缩短,对本实验,后者对于干燥效果的影响要大于前者,因此颗粒含湿率随气流流速的提高而增加。
研究论文4m/s,干物料和空气质量比W入口含湿量分别为3.1和4.9条件下煤灰颗粒气流干燥过程数值模拟与实验结果的比较。从图中可以看出,随着空气含湿量增加,颗粒在不同高度上的含湿量也相应增加。这是由于空气含湿量的增加减小了干燥介质和颗粒之间的湿度差,从而减弱了气流和颗粒之间传热传质过程的缘故。
空气质量比W=0.061,气流入口含湿量为4.4,空气入口温度分别为80条件下飞灰颗粒气流干燥过程数值模拟与实验的干燥曲线。
从图中可以看出,随着空气入口温度增加,颗粒在不同高度上的含湿量也相应降低。这显然是由于空气温度的增加加强了气流和颗粒之间的传热传质过程,导致颗粒所含的水分更快地向气流中传递,从而降低了颗粒含湿量的缘故。
气质量比W=0.043,空气入口温度为80,颗粒入口含湿量分别为12.21和21.31条件下飞灰颗粒气流干燥过程数值模拟与实验结果的比较。从图中可以看出,随着颗粒入口含湿量增加,颗粒在不同高度上的含湿量也相应增加,并且在开始阶段,颗粒入口含湿量高的颗粒的干燥速率要大于含湿量低的颗粒。
建立的含湿煤灰颗粒一维气流干燥模型比较全面地考虑了干燥管内实际发生的过程,如气固两相间的传热和传质,气固两相温度和含湿量的变化,干燥管内压力的变化等。从模型计算的结果可以看出,在与实验相同的条件下,数值模型同实验结果吻合得很好。从模型计算以及实验结果中还可以看出,在所给的实验条件下,系统的恒速干燥阶段肯定发生在第1节干燥管内,而以后几节干燥管中的干燥过程为降速干燥过程。颗粒干燥过程主要发生在干燥管气流入口以上1m左右的高度内。然后,随着干燥管高度的增加,颗粒的含湿率缓慢下降,后趋于稳定。本文提出的数学模型为以后对整个常温CFB烟气脱硫系统模型的进一步研究打下了基础。
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