Математическая модель и метод расчёта динамики сушки биомассы при производстве пелет

Abstract

Пеллеты являются одним из перспективных источников энергии. При их производстве необходима правильная организация процесса сушки сырья. Температура процесса не должна достигать верхнего критического предела – 270 °С – при котором происходит термодеструкция, приводящая к потере горючей составляющей сырья. Для этого разработана математическая модель и численный метод расчёта динамики тепломассопереноса, фазовых превращений и усадки при сушке коллоидных капиллярно-пористых тел цилиндрической формы в условиях равномерного обдува теплоносителем. Математическая модель строилась на базе дифференциального уравнения переноса субстанции (энергии, массы, импульса) в деформируемых системах. Проведены экспериментальные исследования кинетики обезвоживания частиц энергетической вербы в потоке воздуха с целью верификации математической модели. Сопоставление результатов численных и физических экспериментов свидетельствуют об адекватности математической модели и эффективности метода её реализации. На их основе возможно проводить исследование динамики тепломассопереноса при сушке частиц различных видов измельчённой биомассы; определять время достижения равновесного влагосодержания в зависимости от свойств материала и сушильного агента. На основе этих данных возможно выбирать оптимальные с точки зрения сохранения энергии и качества высушиваемого продукта режимные параметры процесса.

All types of biomass (straw, stalks of corn, sunflower, wood shavings, energy willow, sorghum, miscantus) are colloidal capillary-porous bodies, drying of which is carried out in a high-temperature drying agent and involves the passage of transfer processes due to diffusion, filtration and phase transformations. A mathematical model and a numerical method for calculating the dynamics of heat and mass transfer, phase transformations and shrinkage during the drying of colloidal capillary-porous cylindrical bodies under conditions of uniform cooling by a coolant are developed. The mathematical model was built on the basis of the differential equation of substance transfer (energy, mass, momentum) in deformable systems. It includes the equations diffusion-filtration transfer of energy for the system as a whole, and the mass transfer of the liquid, vapour and air phases in the pores of the body. Formulas are presented for finding the diffusion coefficients in the liquid and gas phases, for the evaporation rate on the surfaces and in the pores of the particles. Experimental studies of the kinetics of dehydration of energy willow particles in the air flow were carried out to verify the mathematical model. Comparison of the results of numerical and physical experiments testify to the adequacy of the mathematical model and the effectiveness of the method for its implementation. On their basis, it is possible to conduct a study of the dynamics of heat and mass transfer during drying of particles of various types of shredded biomass; determine the time to achieve an equilibrium moisture content depending on the properties of the material and the drying agent. It has been established that the small sizes of biomass particles and high heat transfer coefficients at high temperature drying cause their intensive dehydration, and when the material reaches an equilibrium moisture content, the temperature at the outer boundaries of the particles does not reach the temperature of the drying agent. On the basis of these data it is pos- sible to select the process parameters that are optimal from the point of view of energy and quality preservation of the dried product.