巴西莓农业生物质废弃物流化床干燥过程中的传热传质研究

为解决阿萨伊浆果残渣热化学转化前需干燥且其水分扩散阻力大的问题，研究人员开展流化床干燥该残渣的传热传质研究。在 80 - 110℃ inlet air temperatures、1.12 ± 0.63 m?s?1 最小流化速度下，发现干燥受水分传递限制，有效扩散系数达 1.27×10?? m2?s?1，凸显流化床技术优势。

　　

在生物质能源开发领域，农业废弃物的高效利用一直是研究热点。阿萨伊浆果（acai berry）在加工成浆过程中会产生大量残渣，其主要由包裹着木质纤维素纤维层的坚硬内核构成，初始含水率高达 70%（湿基），即便经工业处理后仍不低于 30%。高含水率不仅使热化学转化（如水解、热解）难以直接进行，还会降低工艺能效，而干燥作为预处理关键环节，面临着能耗高、水分扩散阻力大的挑战。传统干燥方法对阿萨伊残渣效果不佳，因其外壳几乎不透水，导致水分扩散系数（D_eff）极低，仅为 9×10^-11 - 7×10^-10 m2·s^-1，活化能（E_a）高达 55 kJ?mol^-1，即便粉碎后 D_eff提升至 9×10^-10 - 3×10^-9 m2·s^-1，仍存在操作效率和物料品质问题。因此，开发高效干燥技术对阿萨伊残渣的生物质能源化利用至关重要。

巴西研究人员针对这一问题，开展了阿萨伊浆果残渣的流化床干燥研究，相关成果发表在《Fuel》。

研究主要采用以下关键技术方法：

1. 实验设计：在最小流化速度 1.12 ± 0.63 m?s^-1下，设置 80、90、100、110℃四种入口空气温度，实时监测水分和温度随时间的变化数据。
2. 模型构建：通过 Oswin 模型拟合实验测定的吸附等温线，估算平衡水分；基于宏观能量平衡和颗粒特征干燥速率曲线建立干燥动力学模型，并引入 Rebinder 数分析传热传质限制。
3. 数据验证：将模拟结果与实验数据对比，评估模型有效性，同时计算有效扩散系数和比能耗等关键参数。

结果与讨论

干燥动力学与模型验证

实验结果表明，在不同入口空气温度下，阿萨伊残渣的水分含量随时间呈规律性下降。通过拟合发现，基于等温干燥条件的扩散模型（variable parameter diffusive model）能很好地匹配实验数据，模拟结果与实测值吻合度高。这表明在流化床干燥过程中，热量传递效率较高，干燥主要受水分传递限制，可简化为等温条件下的传质问题。

平衡水分与吸附特性

利用 Oswin 模型对吸附等温线的拟合结果显示，阿萨伊残渣具有较强的吸湿性，平衡水分含量受相对湿度和空气温度影响显著。这一特性提示在实际干燥过程中，需根据环境条件优化操作参数，以确保最终产品的水分含量满足热化学转化要求。

传热传质限制分析

通过 Rebinder 数（范围 0.024 - 3.5）分析表明，干燥过程主要受水分传递限制，而非传热限制。这一结论为数学模型的简化提供了依据，即无需复杂的传热耦合模型，仅基于传质的扩散模型即可有效描述干燥过程，降低了模型复杂度和计算成本。

有效扩散系数与能耗评估

研究测得的最大有效扩散系数为 1.27×10^-8 m2·s^-1，显著高于文献中其他干燥设备（如传统对流干燥）的结果，体现了流化床技术在强化传质方面的优势。此外，比能耗范围为 7.58 - 16.09 MJ?kg^-1，在保证干燥效率的同时，能耗水平处于合理区间，具备工业应用潜力。

结论与意义

本研究系统分析了阿萨伊浆果残渣流化床干燥过程中的传热传质特性，证实流化床技术能有效克服其内部水分扩散阻力，仅需 30 分钟即可达到理想干燥效果。通过模型构建和实验验证，明确了干燥过程的传质限制特性，为简化数学建模提供了理论依据。测得的高有效扩散系数和合理能耗数据，进一步凸显了流化床干燥在农业废弃物处理中的技术优势，为阿萨伊残渣的生物质能源化利用奠定了关键基础。该研究成果不仅为优化流化床干燥工艺提供了参数支持，也为其他高水分生物质废弃物的干燥技术开发提供了借鉴，对推动可再生能源领域的发展具有重要意义。