0、引  言
    流化床因具有熱質(zhì)傳遞效率高的優(yōu)點，廣泛應用于顆粒、粉體的干燥。然而在普通流化床干燥烘干機中，一方面為保證充分的流化，提供干燥所需熱量，必然要使用大量空氣；另一方面，為保證合理的干燥速度，空氣冷卻后溫度還很高就作為廢氣排放，因此，能耗較高，熱效率較低。
    相比之下，采用間接加熱干燥，即用適當?shù)臒彷d體（如水蒸汽）通過管壁或器壁來加熱物料，主要依靠冷凝潛熱蒸發(fā)水分，大大提高了熱效率。但純粹的間接加熱有如下困難：(1)物料在熱表面上易粘結；(2)在物料不翻動或翻動較差的情況下，傳熱速率低。
    把普通流化床和純粹間接加熱兩種干燥方式結合起來，即在流化床中設置傳熱管，干燥所需熱量主要由傳熱管中的水蒸氣冷凝提供，而空氣僅起攜帶水分、維持床層顆粒良好流化的作用，進口溫度不需很高。這樣構成的組合加熱流化床干燥烘干機結合了流化床熱質(zhì)傳遞效率高和間接加熱熱效率高的優(yōu)點，可以減少空氣用量，強化傳熱傳質(zhì)，提高熱效率，降低能耗。
    流化床中傳熱管束與氣固混合相間傳熱的研究報道己不少見。C．Beeby針對過熱蒸汽干燥，研究了水平傳熱管束中單管與顆粒之間的傳熱。N.S．Grewal則主要對單管與氣固混合相間的傳熱系數(shù)進行了關聯(lián)。Ajay Mathu/3]、Tae-Young ChungE41等則對設置有水平換熱管束的高溫流化床反應器中的傳熱進行了研究。周勇等對設置水平電熱管束與床層間的傳熱進行了研究。這些結果表明：操作氣速、床層溫度、顆粒直徑、氣體導熱系數(shù)等對傳熱系數(shù)有影響。但由于各研究者的研究條件及目的各不相同，得到的傳熱數(shù)據(jù)及經(jīng)驗關聯(lián)式彼此相差也較大，因此無法用于組合加熱流化床干燥烘干機的設計，富通新能源生產(chǎn)銷售顆粒機、木屑顆粒機、鋸末木屑烘干機等生物質(zhì)燃料成型、木屑烘干機械設備。
    本文主要以組合加熱流化床干燥烘干機的工業(yè)應用為目標，為尋求合理的操作條件，對其傳熱及干燥特性進行了研究。
1、實驗流程及內(nèi)容
1.1實驗流程
    實驗流程見圖1。實驗在設置有水平傳熱管束的臥式流化床中進行，流化床截面尺寸為250 mm X1 000 mm，水平傳熱管束水平間距對管徑比Ph為3.0，垂直間距對管徑比P。為2.7。實驗物料為食鹽，干燥能力1 000噸／年，為一中試裝置。空氣由鼓風機經(jīng)孔板流量計進入流化床，使床層中顆粒保持良好流化狀態(tài)，并帶走物料中蒸發(fā)出來的水分；濕物料由螺旋加料機加入流化床，與水平傳熱管束進行熱交換，管束中水蒸汽冷凝后經(jīng)疏水閥排出，濕物料干燥后排出流化床；管束中的水蒸汽由電熱鍋爐提供。
1.2實驗方法
    流化床干燥烘干機分布板以上50 mm和100 mm處沿水平方向分別設置了四個測溫點以及六個取樣點，用以測量床層中溫度和物料濕含量分布；流化床的空氣進、出口也分別設置了測溫點，空氣的進口濕度由干濕球溫度計測定；水蒸汽消耗由測定冷凝水量得到。根據(jù)得到的各測定值即可對該流化床進行質(zhì)量、熱量衡算，并由此得到傳熱管與床層間的傳熱系數(shù)、流化床的熱效率、容積蒸發(fā)強度和截面蒸發(fā)強度。
1.3實驗內(nèi)容
    實驗以食鹽為研究對象，考察了組合加熱臥式流化床中操作氣速、床層溫度及進料濕含量對流化床中水平管束與氣固混合相間的傳熱系數(shù)及流化床熱效率的影響，同時測得了各操作條件下的容積蒸發(fā)強度和截面蒸發(fā)強度。
    實驗中各操作條件變化范圍為：氣速uo:0.40~ 0.77 m/s、床層操作溫度T：50~ 60℃、進口物料濕含量xo:0.017~ 0.076kg/kg。加料速度由螺旋加料機螺旋轉速控制，實驗中加料速度G=150 kg/h，床層靜床高Ho= 250 mm，操作氣速的選取以能維持床層正常流化為標準，操作溫度和進口物料濕含量以工業(yè)上食鹽的干燥條件為依據(jù)。
2、實驗結果與討論
2.1操作氣速的影響
    由實驗結果可以看出：隨著操作氣速的增加，傳熱系數(shù)先增加后降低，其間有一個最大值。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生主要與床層中氣固混合相的運動有關。操作氣速增加，床層中氣固相運動加劇，顆粒對管束表面的撞擊增強，表面顆粒更新加快，同時，管束上部被顆粒覆蓋的死區(qū)逐漸減小，因此傳熱系數(shù)增加；但隨著操作氣速的進一步加大，床層湍動加劇的同時，床層空隙率增加，氣泡變大、增多，包圍水平傳熱管束的氣泡數(shù)量增加，顆粒與管束表面碰撞幾率減小，因此傳熱系數(shù)達到一最大值后稍下降。
    對于熱效率，隨著操作氣速的增加，基本上呈單調(diào)下降（圖3）。這說明，由于氣量的增加，空氣帶走的熱量也隨之增加，熱效率降低。因此，在此類干燥烘干機的設計和操作中，在維持床層良好流化以及保證出口空氣帶濕后溫度適當程度地高于露點溫度的前提下，應選擇盡可能低的操作氣速，以使床層傳熱系數(shù)和熱效率都維持在一個較高水平。
2.2操作溫度的影響
    由圖2可以看出：床層操作溫度升高，傳熱系數(shù)也隨之增大。一般情況下，溫度高，氣體的導熱系數(shù)大。眾多的研究結果表明，在相同條件下，氣體導熱系數(shù)是影響傳熱系數(shù)的最重要的因素，導熱系數(shù)大，傳熱系數(shù)也增大。因此，隨著操作溫度的提高，床層傳熱系數(shù)增大。實驗測得的數(shù)據(jù)也反應了這一規(guī)律。
    隨著操作溫度增加，與傳熱系數(shù)的變化趨勢相反，熱效率降低（圖3）。這是因為床層溫度高，排氣溫度就高，空氣帶走的熱量也隨之增加；同時，由于床層溫度高，由器壁向周圍環(huán)境散失的熱量也多，因此熱效率降低。這一結果表明，在其它操作條件相同時，傳熱系數(shù)與熱效率是一對矛盾。因此，在干燥烘干機的設計中，應合理選擇操作溫度。在保證干燥過程順利進行的前提下，應適當降低操作溫度，以提高熱效率，降低能耗。
2.3進料濕含量的影響
    考慮到干燥操作中進口物料的濕含量可能的變化范圍較寬，本實驗也考察了不同的物料初始濕含量xo對傳熱及干燥的影響。結果表明：隨著x0的增加，傳熱系數(shù)和熱效率基本上呈線性增加（圖4、圖5)。進口物料濕含量增加，床層平均濕度變大，一般說來，濕顆粒對壁給熱系數(shù)比干顆粒大，因此傳熱系數(shù)增加；同時，床層中熱負荷增加，蒸汽冷凝熱中用于蒸發(fā)水分的熱量變多，因此熱效率增加。
2.4關于床層中溫度和物料濕含量分布的討論
    對于所有實驗，床層中除濕料進口處溫度稍低外，其余各點溫度都較為接近（圖6）；而在物料濕含量分布圖上可以看出：濕料進入床層后，濕含量迅速降低，整個床層中的濕含量均處于一個較低的水平，并接近出口物料濕含量。看來，在實驗條件范圍內(nèi)的食鹽處理量還未達到干燥烘干機最大能力，因此，整個床層溫度、濕含量分布均一。
    從所得到的實驗結果來看，管束與床層間傳熱系數(shù)基本上在180~ 320 W/m2 K之間變化，與文獻中數(shù)據(jù)相比偏低。這可能與文獻中大部分采用電熱管，而本實驗以工業(yè)應用為目標采用蒸汽加熱有關。流化床熱效率在35%~75%之間變化，大部分在50%以上，明顯高于普通流化床熱效率(40%~50%)。容積蒸發(fā)強度與截面蒸發(fā)強度反映流化床的熱負荷及干燥能力。從實驗結果可知，其最大值分別達到了169.1 kg/m3 h和43.3 kg/m2h，這表明該流化床在相同截面積和相同床層高度下具有較高的干燥強度。由此也可以看出，組合加熱臥式流化床干燥烘干機在各項指標上均優(yōu)于普通流化床干燥烘干機。
    以上研究結果表明：組合加熱臥式流化床中操作氣速、床層溫度對傳熱及干燥均有較大影響。在設計和操作干燥烘干機時，充分考慮到這些影響因素，合理選擇各操作條件，對降低能耗是非常重要的。另一方面，該流化床熱質(zhì)傳遞效率高，蒸發(fā)強度高，濕料分散快，床層中平均濕含量低。因此，可以利用這些特點，將其應用于一些高濕物料的干燥。這類物料在普通流化床中因濕度高易結塊造成操作困難。在組合加熱臥式流化床干燥烘干機中，只要進入床層后能迅速分散，即可順利進行干燥操作。在這方面，此類干燥烘干機有較廣的應用前景。根據(jù)這一思想及上述研究結果設計的3 000 t/a高濕含量草甘膦干燥系統(tǒng)實測傳熱系數(shù)為163W／m2K，熱效率為60.8%，在此基礎上改進的6 000 t/a高濕含量草甘膦干燥系統(tǒng)也己正常運行，現(xiàn)場實測傳熱系數(shù)為320 W/m2 K，熱效率達到74.6%，遠高于普通流化床干燥烘干機，這也說明干燥烘干機操作條件的選擇是非常重要的。另外，進入床層的空氣溫度及床層溫度均可維持在一個較低水平，干燥所需熱量基本上由傳熱管束中的熱載體提供，這一特點對一些熱敏性物料的干燥也是非常合適的。
3、結  論
    研究了組合加熱臥式流化床干燥烘干機中操作氣速、床層溫度和物料進口濕含量對傳熱系數(shù)、熱效率和干燥過程的影響，得出：
    (1)隨著床層溫度升高，傳熱系數(shù)增加，而熱效率降低。
    (2)隨著操作氣速增大，傳熱系數(shù)先增大后降低，其間有一個最大值；熱效率則單調(diào)下降。
    (3)床層傳熱系數(shù)、熱效率基本上隨著進口物料濕含量的增加呈線性增大。
    因此，合理選擇操作氣速和床層溫度，對于提高組合加熱臥式流化床干燥烘干機的熱效率，降低能耗是非常重要的。