TWI447598B - 生質物之乾燥方法與其電腦程式產品 - Google Patents

Description

生質物之乾燥方法與其電腦程式產品

本發明是有關於一種生質物之乾燥方法與其電腦程式產品，特別是有關於一種用來作為燃料之生質物乾燥方法與其電腦程式產品。

近年來由於溫室效應造成全球暖化現象，二氧化碳的排放量越來越受到重視。為了減少二氧化碳的排放量，世界各國皆致力於尋求潔淨的能源，其中生質能(biomass energy)為各國重點發展的目標，目前已成為僅次於石油、煤及天然氣之全球第四大能源。

生質能係指轉換生質物來獲得電或熱等可用的能源。生質物一般係指由生物產生的有機物質，例如木材與林業廢棄物如木屑等。這些生質物經過破碎、分選、乾燥、混合添加劑及成型等過程後，即可製成易於運輸以及儲存的固態生質物燃料，以作為高爐煉鋼的燃料。

在生質物的乾燥過程大部份是進行乾燥實驗後，以乾燥曲線或乾燥速率曲線來說明，但其無法簡單預測在某條件下的生質物乾燥行為。因此，發展出許多以半理論或半經驗為根據的乾燥方程式。然而，這些乾燥方程式很多是在不盡合理的假設下，輔以實驗獲得的參數為基礎(例如，擴散係數)來進行複雜的數學運算才能得到。

因此，需要一種生質物乾燥方法，其應用簡單的乾燥方程式即預測生質物屑片的乾燥行為。

本發明之一方面是在提供於一種生質物之乾燥方法與其電腦程式產品。此生質物乾燥方法係將生質物屑片的厚度定義為體積與表面積的比值，並利用此比值來建立完整的生質物水分蒸發速率模式，以乾燥生質物。

根據本發明之實施例，在此生質物乾燥方法中，首先進行建模階段，以建立生質物乾燥方程式。在建模階段中，首先提供複數個歷史生質物材料，其中每一歷史生質物材料具有體積值和表面積值。接著，將每一歷史生質物材料之體積值除以表面積值，以得到每一歷史生質物材料之厚度代表值。然後，根據每一歷史生質物材料之厚度代表值來利用回歸分析演算法計算出乾燥方程式。在建模階段後，接著進行線上操作階段，以利用乾燥機來乾燥目標生質物材料。在線上操作階段中，首先根據乾燥方程式來提供乾燥機操作條件。接著，根據乾燥機操作條件來利用乾燥機乾燥目標生質物材料。

根據本發明另一實施例，當上述之電腦程式軟體被電腦載入後，此電腦可執行上述之生質物乾燥方法。

由上述說明可知，本發明實施例之生質物乾燥方法係生質物屑片的厚度定義為體積與表面積的比值，並利用此比值和迴歸分析演算法來計算出乾燥方程式，以乾燥生質物。本發明實施例所獲得的乾燥方程式不需要複雜的數學運算即可準確地預測生質物屑片的乾燥行為。

請參照第1圖，其係繪示根據本發明實施例之生質物乾燥方法100的流程示意圖。在生質物乾燥方法100中，首先進行建模階段110，以建立生質物的乾燥模型。在本實施例中，生質物的乾燥模型係以數學方程式來表示。在建模階段110中，首先進行提供材料提供步驟112，以提供複數個歷史生質物材料。在本實施例中，歷史生質物材料為短纖類生質物，例如油棕果短纖或椰子殼短纖，但本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，歷史生質物材料亦可為木材類生質物，例如柳杉或由加利。

接著，進行厚度代表值計算步驟114，以計算每一個歷史生質物材料之厚度代表值。如第1a圖所示，本實施例之歷史生質物材料101a~101e具有柱狀或扁平狀的外觀，且其具有不同的體積與表面積比值(V/S)。在本實施例中，歷史生質物材料之體積與表面積比值係介於0.045至0.333之間。然後，進行乾燥方程式計算步驟116，以根據每一歷史生質物材料之厚度代表值來利用回歸分析演算法計算出乾燥方程式。以下的敘述將詳細說明乾燥方程式計算步驟116是如何計算出乾燥方程式。

在乾燥過程中，水分脫出時會發生一連串的物理變化和化學變化。從生質物內外的存在狀態角度看，是一個從液態到氣態的相變過程。這個過程可以認為是蒸發反應和冷凝的動態競爭過程，也是水分子內能遞增的過程。在等溫乾燥過程中，反應速率可表示為：

其中，α _L 為失重率；τ 為乾燥時間；n為反應級數；k _L 為乾燥速率常數。Arrhenius提出如下指數函數形式的經驗方程式：k _L =A exp[-(E _V /RT ] (2)

其中，A為頻率因子；E_V 為蒸發能障；R為摩爾氣體常數；T為加熱溫度。

在本實施例中，考慮生質物內部的質傳效應，並將方程式(2)中的蒸發能障修飾為介面蒸發能障與內部擴散能障之和(E_V +E_d )，即可得到下式：k _L =A exp[-(E _V +E _d )/RT ] (3)

另假設內部擴散能障與生質物材料厚度(即前述之比值(V/S))成正比，則方程式(3)可改寫成下式：k _L =A exp[-(E _V (1+C _L ．L )/RT ] (4)

其中，C_L 為比例常數；L為生質物材料之厚度代表值，即V/S。將方程式(4)代入方程式(1)中，即可得到下式：

其中(1-α _L )代表生質物材料經過時間τ 後之含水率，而(1-α _{L ,0} )代表生質物材料之起始含水率。

請參照第1b圖，其係繪示根據本發明實施例之乾燥方程式計算步驟116的流程示意圖。在乾燥方程式計算步驟116中，首先進行計算步驟116a，以計算出方程式(1)中之反應級數n與乾燥速率常數k _L 之值。在本實施例中，計算步驟116a係以(1-α _L )^1-n 對乾燥時間τ 進行回歸分析演算法來計算方程式(1)中之反應級數n與乾燥速率常數k _L 之值。接 著，進行計算步驟116b，以計算出率因子A、蒸發能障E_V 以及比例常數C_L 之值。在本實施例中，計算步驟116b係以lnk _L 對厚度代表值L和加熱溫度T之倒數進行回歸分析演算法來計算頻率因子A、蒸發能障E_V 以及比例常數C_L 之值。例如，乾燥方程式計算步驟116可利用5組不同的尺寸與7組不同的溫度來進行迴歸計算，如第1c圖和第1d圖所示。值得注意的是，本實施例之加熱溫度T係介於攝氏75度至165度之間，而歷史生質物材料的含水率係介於15%~80%之間。

當反應級數n、頻率因子A、蒸發能障E_V 以及比例常數C_L 之值皆計算獲得後，即可得到生質物材料的乾燥模型。

在建模階段110後，接著進行線上操作階段120，以利用乾燥機來乾燥目標生質物材料。此目標生質物材料與前述之歷史生質物材料為同種類的材料。

在線上操作階段120中，首先進行操作條件提供步驟122，以根據乾燥方程式來提供乾燥機之操作條件。例如，使用者可根據上述之方程式(5)以及所欲的乾燥時間來決定乾燥機的乾燥速率。接著，進行乾燥步驟124，以根據操作條件提供步驟122所提供的乾燥機操作條件來利用乾燥機乾燥目標生質物材料。

請參照第2a圖和第2b圖，第2a圖係繪示根據本發明實施例之柳杉在不同溫度下含水率對加熱時間的曲線關係圖，第2b圖係繪示根據本發明實施例之由加利與柳杉之含水率對加熱時間的曲線關係圖。由第2a圖可知，計算模式 (即本實施例之乾燥方程式)在各100度、130度、160度下的含水率曲線關係貼近於實際的含水率曲線關係。類似地，由第2b圖亦可知，計算模式針對由加利和柳杉所推估的含水率曲線關係貼近於實際的含水率曲線關係。故，第2a圖和第2b圖可證明本發明實施例所提供的乾燥方程式貼近於生質物材料的實際乾燥行為，而且本發明實施例之乾燥方程式不需要繁雜的數學計算即能獲得。

另外，值得一提的是，上述之實施例可利用電腦程式產品來實現，其可包含儲存有多個指令之機器可讀取媒體，這些指令可程式化(programming)電腦來進行上述實施例中的步驟。機器可讀取媒體可為但不限定於軟碟、光碟、唯讀光碟、磁光碟、唯讀記憶體、隨機存取記憶體、可抹除可程式唯讀記憶體(EPROM)、電子可抹除可程式唯讀記憶體(EEPROM)、光卡(optical card)或磁卡、快閃記憶體、或任何適於儲存電子指令的機器可讀取媒體。再者，本發明之實施例也可做為電腦程式產品來下載，其可藉由使用通訊連接(例如網路連線之類的連接)之資料訊號來從遠端電腦轉移至請求電腦。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧生質物乾燥方法

101a~101e‧‧‧生質物材料

110‧‧‧建模階段

112‧‧‧材料提供步驟

114‧‧‧厚度代表值計算步驟

116‧‧‧乾燥方程式計算步驟

116a‧‧‧計算步驟

116b‧‧‧計算步驟

120‧‧‧線上操作階段

122‧‧‧操作條件提供步驟

124‧‧‧乾燥步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，上文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第1圖係繪示根據本發明實施例之生質物乾燥方法的流程示意圖。

第1a圖係繪示根據本發明實施例之生質物材料的外觀示意圖。

第1b圖係繪示根據本發明實施例之乾燥方程式計算步驟的流程示意圖。

第1c圖係繪示根據本發明實施例之lnk _L 對1/T之作圖。

第1d圖係繪示根據本發明實施例之lnk _L 對L之作圖。

第2a圖係繪示根據本發明實施例之柳杉在不同溫度下含水率對加熱時間的曲線關係圖。

第2b圖係繪示根據本發明實施例之由加利與柳杉之含水率對加熱時間的曲線關係圖。

100‧‧‧生質物乾燥方法

110‧‧‧建模階段

112‧‧‧材料提供步驟

114‧‧‧厚度代表值計算步驟

116‧‧‧乾燥方程式計算步驟

120‧‧‧線上操作階段

122‧‧‧操作條件提供步驟

124‧‧‧乾燥步驟

Claims (10)

1. 一種生質物之乾燥方法，包含：進行一建模階段，以建立生質物乾燥方程式，其中該建模階段包含：提供複數個歷史生質物材料，其中每一該些歷史生質物材料具有一體積值和一表面積值；將每一該些歷史生質物材料之該體積值除以該表面積值，以得到每一該些歷史生質物材料之一厚度代表值；以及根據每一該些歷史生質物材料之該厚度代表值來利用回歸分析演算法計算出一乾燥方程式；以及進行一線上操作階段，以利用一乾燥機來乾燥一目標生質物材料，其中該線上操作階段包含：根據該乾燥方程式來提供一乾燥機操作條件：以及根據該乾燥機操作條件來利用該乾燥機乾燥該目標生質物材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之生質物之乾燥方法，其中該乾燥方程式係表示如下其中，α _L 為失重率；τ 為乾燥時間；n為反應級數；k _L 為乾燥速率常數，而乾燥速率常數係以下列方程式來表示：k _L =A exp[-(E _V (1+C _L ．L )/RT ]其中，A為頻率因子；E_V 為蒸發能障；R為摩爾氣體 常數；T為加熱溫度；C_L 為比例常數；L為該厚度代表值。
3. 如申請專利範圍第2項所述之生質物之乾燥方法，其中計算該乾燥方程式之步驟包含：以(1-α _L )^1-n 對乾燥時間τ 進行回歸分析演算法來計算反應級數n與速率常數k _L 之值：以及以lnk _L 對該厚度代表值L和加熱溫度T之倒數進行回歸分析演算法來計算頻率因子A、蒸發能障E_V 以及比例常數C_L 之值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之生質物之乾燥方法，其中加熱溫度T係介於攝氏75度至165度之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之生質物之乾燥方法，其中該些歷史生質物材料和該目標生質物材料為短纖類生質物。
6. 如申請專利範圍第5項所述之生質物之乾燥方法，其中該些歷史生質物材料和該目標生質物材料為油棕果短纖或椰子殼短纖。
7. 如申請專利範圍第1項所述之生質物之乾燥方法，其中該些歷史生質物材料和該目標生質物材料為木材類生質物。
8. 如申請專利範圍第7項所述之生質物之乾燥方法， 其中該些歷史生質物材料和該目標生質物材料為柳杉或由加利。
9. 如申請專利範圍第1項所述之生質物之乾燥方法，其中該些歷史生質物材料和該目標生質物材料為含水率介於15%~80%之生質物材料。
10. 一種電腦程式軟體，當一電腦載入該電腦程式軟體後，可執行如申請專利範圍第1項所述之生質物之乾燥方法。