1、 第 26卷 第 2期2005年 4月 太 阳 能 学 报ACTA ENERGIAE SOLAR IS SIN ICA Vol126, No12Ap r1, 2005收 稿 日 期 : 2004201220文 章 编 号 : 025420096 (2005) 0220224204玉 米 秸 秆 干 燥 特 性 的 试 验 研 究雷 廷 宙 1, 2 , 沈 胜 强 1 , 吴 创 之 3 , 李 在 峰 2 , 王 华 军 2(11大 连 理 工 大 学 动 力 工 程 系 , 大 连 116024; 21河 南 省 科 学 院 能 源 研 究 所 , 郑 州 450008; 31中 国 科
2、学 院 院 广 州 能 源 所 , 广 州 510070)摘 要 : 为 获 取 玉 米 秸 秆 干 燥 基 设 计 的 基 础 数 据 , 对 我 国 北 方 产 的 玉 米 秸 秆 进 行 工 业 分 析 、 热 重 分 析 及 等 温 干燥 特 性 试 验 研 究 , 得 到 了 玉 米 秸 秆 水 分 、 挥 发 分 的 相 对 含 量 、 不 同 升 温 速 率 下 的 失 重 曲 线 以 及 各 种 温 度 下 不 同含 水 量 的 失 重 曲 线 。 实 验 结 果 表 明 : 玉 米 秸 秆 干 燥 过 程 中 的 湿 球 温 度 应 控 制 在 150 以 下 , 干 燥 时
3、 间 为 20 30m in。关 键 词 : 玉 米 秸 秆 ; 热 重 分 析 ; 等 温 干 燥 ; 湿 球 温 度中 图 分 类 号 : TK16 文 献 标 识 码 : A0 引 言我 国 农 作 物 秸 秆 年 产 量 达 6104亿 吨 , 折 合 标准 煤 约 为 3亿 吨 , 在 各 种 农 作 物 秸 秆 中 , 以 玉 米秸 秆 的 产 量 为 最 大 , 达 到 2124亿 吨 , 成 为 农 作物 秸 秆 利 用 工 作 中 的 重 中 之 重 。 农 作 物 秸 秆 的 开发 利 用 , 作 为 可 再 生 能 源 的 一 条 重 要 利 用 途 径 ,既 保 护 了
4、 环 境 , 又 实 现 了 能 源 的 可 持 续 发 展 。 其主 要 实 现 途 径 有 : 气 化 发 电 、 液 化 、 干 馏 炭 化 、压 缩 成 型 后 直 接 燃 烧 等 1 。 无 论 哪 一 种 利 用 方式 , 都 对 秸 秆 的 含 水 率 有 严 格 要 求 , 例 如 控 制 在15%以 下 2 。 实 际 上 , 在 收 获 季 节 , 玉 米 秸 秆 的初 含 水 量 通 常 量 都 在 50%以 上 , 而 且 长 时 间 的 贮存 也 非 常 容 易 引 起 秸 秆 变 质 。 这 样 , 秸 秆 的 干 燥问 题 就 成 为 秸 秆 大 规 模 工 业
5、利 用 的 关 键 所 在 。 本文 对 我 国 北 方 所 产 的 玉 米 秸 秆 进 行 了 工 业 分 析 、热 重 分 析 以 及 等 温 干 燥 试 验 , 得 到 了 玉 米 秸 秆 水分 、 挥 发 分 的 相 对 含 量 , 不 同 升 温 速 率 下 的 失 重曲 线 以 及 各 种 温 度 下 不 同 含 水 量 的 失 重 曲 线 , 为研 究 设 计 出 高 效 率 的 玉 米 秸 秆 干 燥 装 置 积 累 了 一定 的 基 础 数 据 。1 试 验 材 料参 照 国 家 标 准 GB /T211O1996 煤 中 全 水 分 的 测定 方 法 和 GB /T212
6、O2001 煤 的 工 业 分 析 方 法 中规 定 的 方 法 ,对 河 南 省 开 封 市 尉 氏 县 庄 头 乡 的 玉 米秸 秆 进 行 缩 分 、 取 样 和 工 业 分 析 ,结 果 见 表 1。表 1 玉 米 秸 秆 的 工 业 分 析Table 1 Proximate analysis of maize straw样 品 名 称 外 在 水 分 含 量Mf全 水 分 含 量M t水 分 含 量M ad灰 分 含 量A ad挥 发 分 含 量V ad固 定 碳 含 量FCad玉 米 秸 秆 5114 5617 810 619 7017 1414由 工 业 分 析 结 果 可 知
7、, 玉 米 秸 秆 的 全 水 分 含 量 达5617% , 远 高 于 其 空 气 干 燥 基 含 水 率 810%。 其 中 ,水 分 主 要 以 外 在 结 水 的 方 式 存 在 , 达 到 了 5114%; 此外 , 玉 米 秸 秆 的 挥 发 分 含 量 较 高 , 约 占 70%以 上 。 因此 , 对 于 玉 米 秸 秆 的 干 燥 , 应 考 虑 采 用 比 较 高 效 的 干燥 方 式 , 且 干 燥 热 风 温 度 不 宜 过 高 , 以 防 其 挥 发 分 析出 , 从 而 影 响 干 燥 后 的 玉 米 秸 秆 性 质 3 。2 试 验 研 究211 玉 米 秸 秆
8、的 热 重 分 析 221111 原 料 及 设 备以 刚 收 获 的 玉 米 秸 秆 为 原 料 , 粉 碎 后 经 20 40目 标 准 筛 筛 过 后 备 用 。 设 备 为 自 动 热 重 分 析 仪 ,可 以 自 动 记 录 温 度 、 时 间 和 重 量 的 变 化 关 系 数 据 。21112 实 验 过 程称 取 样 品 10 c 左 右 , 装 入 自 动 热 重 分 析 仪 ,待 仪 器 完 全 调 整 趋 于 稳 定 后 , 分 别 按 10 /m in、15 /m in、 20 /m in的 不 同 升 温 速 度 控 制 升 温 。反 应 最 终 温 度 控 制 在
9、400 ; 由 记 录 仪 自 动 记 录 测定 TG数 据 , 每 一 个 试 样 在 同 一 升 温 速 度 下 至 少 重复 3次 。21113 实 验 结 果 及 分 析在 上 述 条 件 下 测 得 的 玉 米 秸 秆 热 重 分 析 曲 线如 图 1所 示 ,该 图 表 明 玉 米 秸 秆 在 不 同 的 升 温 速度 下 的 失 重 过 程 大 致 相 同 ,在 TG (热 重 )曲 线 上 可分 为 3个 明 显 的 区 :第 一 区 是 DTG (微 商 热 重 )曲线 上 AD段 ,对 应 的 TG曲 线 上 的 A D 部 分 ,该 区主 要 发 生 失 水 反 应 ,其
10、 特 征 点 B 为 水 分 开 始 蒸 发点 , D 点 表 示 水 分 蒸 发 完 毕 ,玉 米 秸 秆 干 燥 过 程 主要 在 此 段 进 行 ,为 本 文 研 究 的 重 点 ;第 二 区 是 DTG曲 线 上 EG段 ,对 应 的 TG曲 线 上 的 E G 部 分 ,该区 主 要 是 挥 发 分 的 析 出 和 燃 烧 阶 段 ,其 特 征 点 E表 示 挥 发 分 开 始 析 出 , F 点 表 示 挥 发 分 开 析 出 最大 失 重 率 , G 表 示 挥 发 分 析 出 完 毕 。 在 玉 米 秸 秆的 干 燥 过 程 中 不 能 进 入 第 二 区 ,以 防 挥 发 分
11、 析 出 ,玉 米 秸 秆 变 性 。 试 验 过 程 所 得 的 玉 米 秸 秆 3种 升温 速 率 下 失 重 特 性 曲 线 如 图 1, 3种 TG曲 线 的 特征 值 见 表 2。图 1 玉 米 秸 秆 不 同 升 温 速 度 下 热 重 特 性 曲 线Fig11 Thermogravimetry characteristic curves of maize straw at different temperatureOincreasing rate表 2 玉 米 秸 秆 TG曲 线 的 特 征 值Table 2 Eigenvalue of TG of maize straw样 品编
12、 号升 温 速 度/ m in - 1样 品 粒 度/mm样 品 质 量/mg特 征 点 温 度 / 占 样 品 干 重 百 分 比 /%Td Te Tf Tg M e M f M g1 10 0130 10 163 209 286 331 91172 49103 351012 15 0130 10 160 200 298 334 93114 52152 351023 20 0130 10 158 190 311 342 93160 54150 36100Td: 水 分 挥 发 完 毕 温 度 值 ; Te: 挥 发 分 开 始 析 出 温 度 值 ; Tf: 挥 发 分 析 出 最 大 率
13、温 度 点 ; Tg: 挥 发 分 析 出 完 毕 温 度 点 ;M e: Te温 度 点 对 应 的 质 量 ; M f: Tf温 度 时 对 应 的 质 量 ; M g: Tg温 度 时 对 应 质 量可 以 看 出 , 第 一 区 大 致 发 生 在 30 180 之间 , 在 100 左 右 , 水 分 开 始 明 显 析 出 , 150时 水 分 析 出 速 率 最 大 , 在 180 时 水 分 析 出 完毕 ; 第 二 区 主 要 是 挥 发 分 的 析 出 和 燃 烧 , 并 在250 左 右 加 速 , 最 大 失 重 率 温 度 在 280 左 右 ,相 对 的 失 重 量
14、 约 占 原 料 干 重 的 65 75 %。 玉 米秸 秆 干 燥 时 工 作 在 第 一 区 , 即 由 水 分 的 析 出 引起 的 失 重 区 。 挥 发 分 开 始 出 点 ( Te )随 升 温 速 度522 2期 雷 廷 宙 等 : 玉 米 秸 秆 干 燥 特 性 的 试 验 研 究的 增 加 向 左 移 , 其 数 值 越 小 。 这 可 能 因 为 玉 米秸 秆 的 导 热 系 数 小 , 在 升 温 速 度 较 快 的 情 况 下 ,其 表 面 温 度 升 温 快 (远 高 于 内 部 温 度 ) , 很 快 就开 始 有 挥 发 分 析 出 。212 玉 米 秸 秆 等
15、温 干 燥 特 性 试 验21211 试 验 条 件试 验 设 备 : 带 热 风 循 环 的 烘 箱 、 温 度 计 、 分 析天 平 、 干 燥 皿 及 秒 表 等 。 实 验 温 度 为 130 、120 、 100 、 90 ; 取 含 水 量 分 别 约 为 30%、40%、 50%的 试 样 (粉 碎 后 的 玉 米 秸 秆 粒 度 小 于 2e )各 取 15份 , 每 份 重 约 1g, 同 时 放 入 烘 箱 中 干燥 , 每 隔 一 段 时 间 取 出 一 份 放 入 干 燥 皿 中 冷 却 ,5m in后 称 重 算 出 该 试 样 的 失 水 量 , 即 可 绘 出 该
16、 试样 在 此 条 件 下 的 失 水 率 曲 线 。21212 试 验 结 果 及 分 析在 上 述 条 件 下 测 得 不 同 温 度 不 同 含 水 量 的 玉 米秸 秆 的 失 水 率 曲 线 如 图 2所 示 。 由 图 可 见 , 所 有 的干 燥 曲 线 具 有 相 同 的 特 征 : 干 燥 过 程 很 明 显 地 分 为2个 阶 段 , 即 等 速 干 燥 段 (AB 段 )和 降 速 干 燥 段(BC段 ) , 其 间 的 分 界 点 B称 为 临 界 点 , 对 应 的 物料 湿 含 量 为 临 界 湿 含 量 。 等 速 干 燥 段 的 失 水 量 远 大于 降 速 干
17、 燥 段 的 失 水 量 , 这 主 要 是 因 为 玉 米 秸 秆 为毛 细 管 多 孔 胶 体 物 质 , 其 水 分 的 存 在 方 式 以 毛 细 管结 合 水 为 主 , 为 外 在 水 分 , 其 表 面 张 力 和 粘 度 与 自由 水 分 一 样 , 比 较 容 易 除 去 , 此 水 分 的 干 燥 过 程 在等 速 干 燥 段 完 成 。 有 少 量 的 水 分 与 玉 米 秸 秆 结 合 比较 紧 密 , 其 干 燥 过 程 在 降 速 干 燥 段 完 成 。 B点 对 应的 物 料 含 水 量 为 外 在 水 分 的 含 水 量 。图 2 不 同 含 水 率 不 同 温
18、 度 下 玉 米 秸 秆 的 失 水 率 曲 线Fig12 W ater loss rate curves of maize straw at different temperature and different water ratio可 以 看 出 , 玉 米 秸 秆 的 干 燥 过 程 和 其 它 物 料 并无 太 大 区 别 4 6 : 在 其 它 条 件 相 同 的 情 况 下 , 干 燥温 度 高 , 物 料 干 燥 速 度 快 , 相 反 , 干 燥 温 度 低 , 物料 干 燥 速 度 慢 。 如 图 中 所 示 含 水 量 约 为 60%的 玉米 秸 秆 , 在 130 的
19、条 件 下 , 25m in可 失 出 所 含 的大 部 分 水 分 , 而 在 温 度 为 90 时 , 需 40m in才 能达 到 相 同 的 结 果 。 在 温 度 相 同 的 情 况 下 , 含 水 量 越高 , 干 燥 时 间 越 长 , 但 不 成 线 性 关 系 , 这 是 因 为 含622 太 阳 能 学 报 26卷 水 量 的 不 同 主 要 是 外 在 含 水 量 的 不 同 , 其 等 速 干 燥段 所 用 的 时 间 有 所 变 化 , 但 降 速 干 燥 段 的 时 间 基 本保 持 恒 定 。烘 箱 温 度 调 至 150 , 玉 米 秸 秆 放 入 50m in
20、后取 出 , 颜 色 变 黄 , 这 主 要 是 因 为 有 化 学 结 合 水 与 挥发 分 析 出 , 玉 米 秸 秆 已 经 变 性 , 这 将 会 严 重 影 响 干燥 后 的 秸 秆 品 质 6 。 因 此 , 干 燥 玉 米 秸 秆 时 , 湿球 温 度 不 应 高 于 150 。3 结 论1) 刚 收 获 的 玉 米 秸 秆 收 到 基 含 水 量 高 达57% , 空 气 干 燥 基 挥 分 含 量 达 到 70%以 上 , 应 选用 高 效 的 干 燥 工 艺 , 且 保 证 湿 球 温 度 不 高 于150 , 以 防 止 挥 发 分 析 出 ;2) 实 验 证 实 玉 米
21、 秸 秆 与 水 的 结 合 方 式 为 毛 细管 结 合 和 渗 透 结 合 , 其 中 以 毛 细 结 合 方 式 为 主 。 在干 燥 时 以 除 去 毛 细 管 结 合 水 为 主 , 因 此 可 以 在 较 短的 时 间 内 完 成 干 燥 过 程 。参 考 文 献 1 袁 振 宏 等 1 我 国 生 物 质 能 技 术 产 业 化 基 础 的 研 究A . 21世 纪 太 阳 能 新 技 术 C ,上 海 :上 海 交 通 大 学出 版 社 , 2003, 101 2 马 孝 琴 1生 物 质 (秸 秆 )成 型 燃 料 燃 烧 动 力 学 特 性 及 液压 秸 秆 成 型 机 改
22、 进 设 计 研 究 D . 河 南 农 业 大 学 博 士学 位 论 文 , 20021 3 Kallel F, Galanis N, Perrin B1Effects of moisture on tem2perature during drying of consolidated porous materials J . Heat Transfer ASME Trand, 1993, (5) : 727 7331 4 Murugesan K, Seetharamu K N, A swatha Narayana1A oneOdimensional analysis of convectiv
23、e drying of porous mate2rials J . Heat and Mass Transfer, 1996, 32: 81 881 5 孙 振 刚 ,马 晓 茜 ,卢 苇 1农 产 品 加 工 剩 余 物 焚 烧 过程 的 干 燥 热 解 特 性 研 究 J . 农 业 机 械 学 报 , 2001, 32(2) : 49 511 6 杨 俊 红 1植 物 性 含 湿 多 孔 介 质 在 干 燥 过 程 中 优 化 传热 传 质 机 理 的 研 究 D . 天 津 大 学 博 士 学 位 论文 , 19981EXPER IM ENTAL RESEARCH O N D RY I
24、NGCHARACTER IST ICS O F M A IZE STRAWLei Tingzhou1, 2 , Shen Shengqiang1 ,W u Chuangzhi3 , L i Zaifeng2 ,W ang Huajun2( 11D epartm ent of Power Engineering, D alian U niversity of Technology, D alian116024, China;21Energy Research Institute of Henna Academ y of Sciences, Zhengzhou 450008, China;31Gu
25、angzhou Institute of Energy Conversion, Chinese A cadem y of Sciences, Guangzhou 510070, China)Abstract: Thermogravimetric analysis and constantOtemperature drying characteristic of maize straw p roduced in thenorth of china were carried out for designing a maize straw drier1 The relative content of
26、 water and volatilizationwere achieved1 Besides, thermogravimetry characteristic curves at various temperatureOincreasing rates and waterloss rate curves at different temperature and water ratio were also figure out1 The results of the experiments showedthat the wetObulb temperature is lower than 150 and the period of time is 20 30m in in drying p rocedure of maizestraw1Keywords:maize straw; thermogravimetry; constantOtemperature drying; wetObulb temperature722 2期 雷 廷 宙 等 : 玉 米 秸 秆 干 燥 特 性 的 试 验 研 究
