杨 宁， 周云龙， 齐天宇， 朱孝宇

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院， 吉林 吉林 132012； 2.清华大学 核能与新能源技术研究院， 北京 100084)

柳树河油页岩异步旋转干燥技术

杨 宁1， 周云龙1， 齐天宇2， 朱孝宇1

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院， 吉林 吉林 132012； 2.清华大学 核能与新能源技术研究院， 北京 100084)

为充分挖掘流化床的最大干燥效力进而对油页岩流化干燥过程进行强化，将常规布风板改造为异步旋转布风装置，调节内嵌式中心转盘布风装置与外套式行星转环布风装置的转速，实现不同的布风工况。实验研究了不同干燥工况对柳树河油页岩干燥特性的影响，并选取9种常用干燥模型对实验数据进行干燥动力学分析。结果表明：适当地降低中心转盘布风装置的转速，增加外套式行星转环布风装置的转速，可以改善物料在流化床内的分布状态，降低干燥所需的时间；物料的流化干燥过程主要分为升速干燥、恒速干燥和降速干燥3个阶段，合理的调整布风板转速会促使物料由升速干燥阶段直接进入降速干燥阶段；Two-term干燥模型对异步旋转工况下物料的干燥实验数据进行拟合的效果最好，但由于物料空隙内部吸附的气体会随水分一同扩散，且每次实验结束后物料仍残留少量结合水，导致模拟结果大于实验结果。

流化床； 异步旋转； 油页岩； 干燥技术

油页岩作为一种能源资源，既可以低温干馏炼油，又可以燃烧发电，由于其特殊的组成和结构决定了它在能源、矿产、化工、环保方面具有广阔的潜在用途[1-5]。油页岩是一种多孔物质，在开采及储运过程中，由于其内在或外在因素使得油页岩含有一定的水分，若油页岩含水率过高，直接干馏，炉中很大一部分热量将用于油页岩水分的蒸发，造成输送气体热介质的管道发生形变，设备投资加大，同时大量的水蒸气进入干馏炉中，加大了回收和油水分离系统的负荷，使油页岩的回收率降低，因此，油页岩在热解干馏前必先经历一个干燥脱水过程。

流化床干燥器作为一类常见的工业操作设备，在生产中的应用已十分广泛[6-10]。然而传统气-固流化床存在床面波动大、颗粒横向混合差等明显缺点，造成了干燥效率降低等缺陷。近年来，大量学者致力于提升流化床干燥效率的相关研究，李凡等[11]通过在流化床内部加装搅拌器，有效地防止了颗粒之间的黏附、结块，以及颗粒在床层壁面的附着，明显地改善了流化床内湿物料及易凝聚物料颗粒间的传热效果。宫国清等[12]改变传统流化床恒定送风为周期性送风，通过调节气流的脉冲频率或脉冲气流导通率，使通过孔板的气体流量或流化区发生周期性变化，实现了物料的流化干燥。Kuipers等[13]将特定要求的振动源施加于常规流化床上的新型干燥装置，装置克服了沟流、腾涌的缺点，在很大程度上强化了传热效率和传质速率。2006年，Madhiyanon等[14]设计研发旋转流化布风装置，将布风板中心位置与电机转轴连接，通过调节电机的转速间接带动布风板随之发生旋转，在一定程度上极大地改善了流化床内物料的分布形态，至此强化流化床干燥能力实现阶跃性突破。Sobrino等[15]进一步研究了流化床旋转布风板转速在0～100 r/min的范围内变化时对物料干燥效果造成的影响，研究发现随着旋转转速的增加，颗粒的横向分布状态趋于均匀，流化床的干燥能力也随之增加。然而，布风板的旋转速率控制在100 r/min是否是最佳的干燥流化工况，是否可以通过改变旋转布风板局部风帽的旋转速率进一步提升流化床的干燥能力，这一问题仍值得研究。笔者创造性地研发出一套异步转速布风装置，通过调整内嵌式中心转盘布风板与外套式行星转环布风板的转速，对比异步旋转布风装置在不同布风工况下的干燥效率，寻求最佳的旋转工况，采用9种常用干燥数学模型对油页岩干燥实验结果进行数学模拟，建立适用于异步旋转流化状态下的干燥方程，为油页岩有效干燥提供重要参考依据。

1 实验部分

1.1 实验样品

实验所用样品为吉林省柳树河油页岩，收到基含水率为31.99%，将油页岩样品破碎筛分至1～3 mm，置于恒温箱内备用。样品的工业分析及元素分析结果见表1。

表1 柳树河油液岩工业分析及元素分析结果Table 1 Proximate and elemental analysis results of Liushuhe oil shale

M—Moisture; V—Volatile matter; A—Ash; FC—Fixed carbon; C—Carbon; H—Hydrogen; N—Nitrogen; S—Sulphur;Qnet—Net calorific value; ad—Air-dried basic

1.2 实验设备及方法

1.2.1 实验设备

空气压缩机(W-0.9/7C)，沈阳市东陵空压机厂产品；空气加热器(WT-JQR)，盐城市沃特机械设备有限公司产品；温度传感器(3144P)，美国艾默生有限公司产品；涡街流量计(LUGB-231106FA)，上海帆扬机电有限公司产品；变频电机A(112M1-4)，上海通太电机有限公司产品；电容层析成像装置(ERT)，英国工业层析成像公司产品；电子天平(AUW) ，日本岛津公司产品。

1.2.2 实验方法

油页岩异步旋转干燥实验装置如图1所示。实验在由树脂玻璃加工而成的圆柱形截面流化床中进行，流化床高为1.5 m，直径为0.21 m，由空气压缩机(0.9 m3/min)供给的空气经过空气加热器(50～250℃)升温后再经过阀门进入流化床风室，异步旋转布风装置被安装在流化床的底部位置。流化床入口位置安装有温度传感器(0～300℃)、涡街流量计(0～5 m3/min)，可以实现气流温度及速率的实时监测，本实验中选取干燥气流温度为(200±0.5)℃，流化气流速率为1.6 m/s，所采用的工况参见文献[16]。

异步旋转布风装置如图2所示，装置主要由内嵌式中心转盘布风板与外套式行星转环布风板组成，其中，中心转盘布风板表面均匀布置有13个半球形风帽，行星转环布风板均匀布置有20个半球形风帽，直径为1 cm的风帽上均匀地开有8个直径为 1 mm 的小孔。异步旋转布风板的旋转原理构造图如图3所示，变频电机A(0～1400 r/min)通过固定在布风板轴心位置的传动转轴带动中心转盘布风板转动，变频电机B通过连接皮带间接带动固定在布风板外环的传动支架，实现行星转环布风板的转动。实验选用变频电机额定转速0～1400 r/min，转轴通过联轴器连接速速比为1/7的减速器，实现布风装置在0～200 r/min的范围内转速可调。分别调节变频电机A、B转速，即可实现旋转布风装置的异步转动，异步旋转布风装置的布风工况如表2所示，其中N1为中心转盘布风板的转速，N2为行星转环布风板的转速。当N1=N2时，中心转盘布风板与行星转环布风板同步转动。

图1 油页岩异步旋转干燥实验装置示意图Fig.1 Flow diagram of the experimental setup of the oil shale asynchronous rotation drying system1—Computer; 2—Data acquisition; 3—Fluidized bed; 4—Sampling aperture; 5—ERT; 6—Temperature sensor; 7—Vortex flow meter; 8—Roots blower; 9—A synchronous rotating air distributor; 10—Valve; 11—Air heater

图2 异步旋转布风板示意图Fig.2 Asynchronous rotating air distributor

图3 异步旋转布风板旋转原理构造图 Fig.3 Schematic diagram of the asynchronous rotating air distributor

表2 异步旋转布风装置布风工况Table 2 Different air supply conditions of the asynchronous rotating air distributor

Cond—Condition

颗粒在流化内的分布状态通过安装在高度为0.5 m的电容层析成像装置(ERT)进行测量，ERT由数据采集频率为2帧/s、激励频率为9.6 Hz的电容阵列传感器组成，多个传感器的组合可以反映颗粒在横截面的分布状态。

1.3 水分测定实验

油页岩干燥过程的含水率通过电子天平(320 g/0.1 mg)进行读取。每次取制备好的油页岩样品 5 kg 置于流化床内，在设定的布风工况下干燥，干燥时间为90 min，每隔2 min从取料口提取料样，每次取样的质量为5 g，将样品放入恒温干燥箱内进行干燥，直至前后两次称量的质量之差达到0.001 g，即干燥完毕。在整个干燥过程中取样的总质量不超过干燥样品质量的5%，因此对油页岩的干燥过程不会产生影响。在油页岩干燥过程中的质量损失，即为不同时刻油页岩含水率(wR)，其计算式见式(1)。

(1)

式(1)中，wt为t时刻物料干基含水量，g/g；w0为物料原始含水量，g/g；we为物料平衡含水量，g/g；t为物料干燥时间，min。

2 结果与讨论

油页岩在布风板同步旋转布风工况(N1=N2)下的干燥情况见图4。由图4可以看到，随着转速的逐渐增加，所需干燥时间不断缩短，干燥效率有所提高，这是由物料在流化床内的分布状态所决定的。经过研究[17-18]表明，当转速N1=N2=0时，物料在流化床内主要呈现环-核态流动结构。图5为同步旋转布风工况(N1=N2)下油页岩颗粒的电容层析成像结果，其中电容层析成像装置测量的颗粒流动图像颜色越深，代表颗粒的浓度越高。由图5(a)可以看到，流化床中心区域物料浓度的分布较均匀；而靠近壁面的位置，由于物料之间的相互碰撞以及壁面的阻碍效应，局部气速明显低于中心区域，造成壁面位置发生物料的堆积。如图5(b)所示，适当地增加布风板转速，可以有效地混合中心区域与壁面区域的气流，改善气流的不均匀分布状态，减轻壁面区域物料的堆积效应，增加物料与干燥气流之间的接触面积，因此干燥效率有所增加，这一点与Sobrino等[15]的研究结果相一致。然而转速增加到N1=N2=100 r/min时，干燥效率并没有达到极大值，继续增加旋转速率，干燥所需时间继续缩短。当转速增加到N1=N2=150 r/min时，干燥效率达到极大值；随着转速的继续增加，干燥效率开始下降，这主要是由于布风板转速过高，旋转离心力对物料的作用明显超过布风板旋转均流的作用，此时大量物料重新聚集在流化床的壁面位置，干燥气流无法实现对物料的有效干燥。

图4 同步旋转布风工况(N1=N2)下油页岩颗粒含水率随干燥时间的变化Fig.4 Moisture content of oil shale particles changing with time at N1=N2

图5 同步旋转布风工况(N1=N2)下油页岩颗粒的电容层析成像结果Fig.5 The image of ERT measurement result of oil shale particles at N1=N2N1,N2/(r·min-1): (a) N1=N2=0; (b) N1=N2=100; (c) N1=N2=150; (d) N1=N2=175R—Radius of fluidized bed’s cross section; r—Current position of fluidized bed’s cross section

分别调整内嵌式中心转盘与外套式转盘布风板的转速，进行布风板异步旋转布风工况下的干燥特性研究，由于布风工况数量较大，对实验结果进行对比筛分选取典型工况，在布风板异步旋转布风工况下干燥的油页岩含水率随着时间的变化如图6所示，图7为异步旋转布风工况下油页岩颗粒的电容层析成像结果。由图6可以看出，与同步转动布风的最优工况N1=N2=150 r/min相比，转速N1=150 r/min、N2=125 r/min及转速N1=175 r/min、N2=150 r/min的干燥时间均有所延长，即减小外套式转环布风装置的转速，提高内嵌式转盘布风装置的转速都不能起到提高流化床干燥效率的作用，这一现象可以通过图7(a)和(b)加以解释。可以发现，上述2种布风方式会促使中心区域的旋流强度增加，导致物料向壁面位置迁移，破坏物料的干燥效果。相比之下，N1=125 r/min、N2=150 r/min对应的干燥时间开始缩短，这说明相比于最优的同步旋转干燥工况，干燥效率在异步旋转干燥状态下可以被进一步提高，如图7(c)所示，降低内嵌式中心转盘布风装置的转速可以有效地降低流化床中心区域的旋转强度，从而促使边壁区域的物料向中心区域迁移，物料的分布状态逐渐趋于均匀，随着内嵌式中心转盘布风装置转速的降低，N1=75 r/min、N2=150 r/min对应的干燥时间开始延长，此时中心转盘布风装置的转速明显低于行星转环布风装置的转速，中心区域的旋转强度较低，如图7(d)所示，边壁区域的物料在流化床中心区域发生了堆积，阻碍了干燥气流与物料的有效接触。增加外套式行星转环布风装置的转速，N1=150 r/min，N2=175 r/min对应的干燥时间亦有所缩短，但干燥时间明显大于降低内嵌式转盘布风装置转速所需的干燥时间，而且继续增加外套式行星转环布风装置的转速至N1=150 r/min、N2=200 r/min，干燥效率急剧降低，说明此时物料向中心区域迁移状态提前发生。

图6 异步旋转布风工况下油页岩颗粒含水率随干燥时间的变化Fig.6 Moisture content of oil shale particles changing with time at the asynchronous rotation condition

图7 异步旋转布风工况下油页岩颗粒的电容层析成像结果Fig.7 The image of ERT measurement result of oil shale particles at the asynchronous rotation conditionN1,N2/(r·min-1): (a) N1=150, N2=125; (b) N1=175, N2=150; (c) N1=125, N2=150; (d) N1=150, N2=175

油页岩样品的干燥速率(RD)计算公式如式(2)所示。

(2)

式(2)中，wt+dt为时间间隔为dt的物料干基含水率，g/g。

实验计算得到的布风板同步旋转布风工况下油页岩干燥速率(RD)随含水率(wR)的变化如图8所示。从图8可以看出，油页岩在流化床内的干燥过程主要分为3个干燥阶段，即升速干燥阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段。在升速干燥阶段，物料表面的水分首先受热蒸发，导致表面温度低于内部温度，推动水分向外表面迁移。随着转速的增加，干燥曲线的斜率逐渐增加，这是由于在旋转过程中物料的分布逐渐趋于均匀，物料的表面与干燥气流的接触面积随之增加，较大的温度梯度产生较大的水分推动力，干燥速率随之增加。当干燥曲线达到最大值后，曲线的斜率在一定时间内保持不变，这一阶段称为恒速干燥阶段，这时物料表面水分散失速率等于内部水分的扩散速率。曲线斜率减小的阶段为降速干燥阶段，该阶段以脱去结合水为主，由于此时物料内部水分向表面移动的速率低于表面水分的蒸发速率，因此干燥速率逐渐减小，且油页岩在降速干燥阶段干燥速率呈现由慢到快再到慢的降低趋势。原因可能是刚进入降速阶段时，油页岩中仍存在部分非结合水分，到了中期，由于油页岩粒度较小，水分的内部迁移阻力较大，水分来不及向表面扩散，致使干燥速率下降较快，到了后期，由于油页岩的干燥速率已经很低，所以呈现下降幅度变缓的趋势，如果停留时间足够长，物料达到平衡含水量。当转速增加到N1=N2=150 r/min时，干燥速率达到最大值0.0615 gH2O/(g·min)，此时为同步转动布风的最优干燥工况；继续增加转速，物料聚集在流化床的壁面区域，阻碍了干燥气流对物料的有效干燥，干燥速率随之降低。

图8 同步旋转布风工况(N1=N2)下油页岩颗粒干燥速率(RD)随含水率(wR)的变化Fig.8 Drying rate (RD) changing with moisture content (wR) of oil shale particles at N1=N2

相比之下，布风板异步转动布风工况的干燥速率明显大于同步转动布风工况的干燥速率，如图9所示。布风板异步转动布风最优工况N1=100 r/min、N2=150 r/min的最大干燥速率达到0.1145 gH2O/(g·min)，为最佳同步转动布风干燥速率的1.86倍。结合图8、图9可以看到，布风板异步转动布风干燥与同步转动布风干燥的曲线形状明显不同，异步转动布风的干燥速率经历升速干燥阶段后几乎不具备恒速干燥阶段直接进入降速干燥阶段，这是因为异步转动布风干燥不同于一般的干燥方式，通过调节内嵌式中心转盘与外套式转环的转速会使堆积在壁面区域的物料引向流化床的中心区域，明显提高升速干燥阶段物料的干燥强度，在升速干燥阶段物料内部的非结合水分已经全部散失殆尽，从而直接进入以结合水在颗粒内部扩散为主要特征的降速干燥阶段。进一步降低内嵌式中心转盘布风板的转速，由于流化床的干燥能力迅速下降，恒速干燥阶段随之开始产生。

图9 异步旋转布风工况下油页岩颗粒干燥速率(RD)随含水率(wR)的变化Fig.9 Drying rate (RD) changing with moisture content (wR) of oil shale particles at the asynchronous rotation conditionN1, N2/(r·min-1): N1=150, N2=150; N1=75， N2=150； N1=125, N2=150; N1=50， N2=150； N1=100, N2=150; N1=25， N2=150

3 实验数据干燥动力学分析

为寻求适于描述异步转动布风工况下柳树河油页岩的理想干燥模型，通过对现有干燥模型进行总结，得到如表3所示的9种常用干燥模型，对物料在典型异步转动布风配比工况的干燥实验数据进行动力学模拟。以相关系数R2、卡方误差χ2作为指标，评价不同模型与实验数据的拟合效果，R2越接近于1、χ2越小，数学模型的匹配程度越好，其中χ2和R2可按式(3)、式(4)计算。

(3)

(4)

表3 干燥模型方程Table 3 Drying mathematical models

a,b,k,n—Coefficients to be determined in the models equation

干燥模型模拟结果如表4所示。从表4可知，随着内嵌式中心转盘布风装置转速的降低，即外套式转环与中心转盘布风装置转速差的持续增加，其相关系数先增大后减小，其卡方误差先减小后增加，尽管多个模型模拟的相关系数都达到0.9以上，卡方误差都接近于0。但比较可见，Two-term模型在对所有异步转动布风工况下的实验数据进行模拟时均取得了较好的拟合效果，其相关系数在0.997以上，大于其他模型拟合值；卡方误差均在0.0003以下，小于其他模型的拟合值。

表4 干燥模型拟合结果Table 4 Fitting results of drying mathematical models

Con—Condition

图10为异步转动布风工况下物料含水率实验值与Two-term模拟值的对比。其数据基本在斜率为45°的直线周围，从另一个方面说明Two-term模型较适用于异步转动布风工况下油页岩干燥过程的模拟。模拟值与实验值的平均相对误差为6.6%，随着内嵌式中心转盘布风装置转速的降低，模拟效果逐渐降低。这一现象归咎于两方面原因：一方面由于相应工况下的干燥强度有所提高，物料内部空隙中吸附的气体随水分一起扩散出来；另一方面是由于每次实验结束后物料仍存在少量结合水。物料质量减小部分包括吸附气体质量、水分蒸发及残留水分的质量之和，而模型中所计算的物料减小质量仅为水分蒸发质量，导致模拟值小于实验值。当中心转盘布风装置的转速工况降低为N1=75 r/min、N2=150 r/min时，干燥强度开始降低，模拟效果有所改善。

图10 异步旋转布风工况下油页岩颗粒含水率(wR)的Two-term模型验证结果Fig.10 Moisture content (wR) of oil shale particles verification results by the two-term drying model at asynchronous rotation condition

4 结 论

(1)随着布风板同步旋转布风转速适当的增加，物料与干燥气流之间的接触面积得到改善，干燥时间不断缩短。当转速增加到N1=N2=150 r/min时，物料达到最佳干燥状态；继续增加转速，会导致大量物料聚集在流化床的壁面位置，破坏流化床的有效干燥能力。

(2)降低内嵌式中心转盘布风装置的转速可以降低流化床中心区域的气流强度，进一步改善物料的分布状态。N1=75 r/min、N2=150 r/min为异步旋转布风工况的最佳干燥状态，相比于布风板同步旋转，干燥效率被进一步提高。继续降低中心转盘转速，会导致物料在流化床中心区域发生堆积，阻碍干燥气流与物料的有效接触。

(3)物料的流化干燥过程主要分为升速干燥、恒速干燥和降速干燥3个阶段，布风板异步旋转布风最佳工况的干燥速率为同步旋转布风最佳工况的1.7倍。合理的调节内嵌式中心转盘与外套式转环的转速会强化升速干燥阶段物料内部非结合水的散失殆尽，几乎不存在恒速干燥阶段，直接进入降速干燥阶段。

(4)Two-term干燥模型对典型异步旋转工况下物料的干燥实验数据进行拟合的效果最好。随着流化床干燥能力的逐渐强化，导致物料空隙内部吸附的气体随水分一同扩散，颗粒质量损失包括吸收气体及水分蒸发的质量两部分，模拟结果小于实验结果。

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Asynchronous Rotating Drying Technology of Liushuhe Oil Shale

YANG Ning1, ZHOU Yunlong1, QI Tianyu2, ZHU Xiaoyu1

(1.CollegeofEnergyResourceandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China;2.InstituteofUnclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

A novel asynchronous rotating air distributor was designed to replace the conventional distributor in this study to optimize the drying ability of fluidized bed and strengthen the drying performance of oil shale particles. The rotating speed of the asynchronous rotating air distributor with embedded center disk and encircled disk was regulated to achieve the various air supply conditions. The impacts of different drying conditions on the drying characteristics of Liushuhe oil shale particles were studied with the help of Electrical Capacitance Tomography (ERT). The dynamics of experimental data was analyzed with 9 common drying models. The results indicate that decrease of embedded center disk and increase of the encircled disk air distributor rotating speed can improve particles distribution in the fluidized bed, and reduce the drying time. The drying process of oil shale particles consists of three periods, i.e. raising drying rate period, constant drying rate period and falling drying rate period. The method that regulating air distributor rotating speed reasonably leads to accelerate the particles from raising drying rate period to the falling drying rate period directly. The two-term model fits the oil shale particles drying simulation within 9 drying models at different air supply conditions. Yet the air absorbed in the particles pores is diffused together with moisture evaporation, and a small amount of bound moisture remains after each experiment; consequently, the results of drying simulation are less than the experimental values.

fluidized bed; asynchronous rotation; oil shale; drying technology

2016-03-15

国家自然科学基金项目(51276033，51541608)资助

杨宁，男，讲师，从事油页岩干燥技术及气固参数检测研究；E-mail:m13620752851@163.com

周云龙，男，教授，从事多相流动参数检测研究；Tel:0432-64807495;E-mail:1020219438@qq.com

1001-8719(2017)03-0497-10

TK121

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.03.014