不同含水率下污泥的流化特性
隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市和工業(yè)污泥的產(chǎn)量日益增加，污泥的處置越來越受到重視。是污泥污水處理的最終產(chǎn)物。未經(jīng)處理的污泥含水量高、體積龐大、成分復(fù)雜，處置不當容易造成二次污泥。在眾多處置方法中，流化床焚燒技術(shù)以其燃燒充分、處理速度快、污染物排放低等明顯優(yōu)勢，在污泥處理行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。濕污泥直接燃燒會導致熱量損失增加，因此污泥干燥是污泥處置的重要步驟。流化床干燥具有脫水率高、污染小、操作簡單等優(yōu)點，是污泥深度脫水的有效途徑。在污泥流化床干燥技術(shù)中，臨界流化速度μmf是其重要參數(shù)之一，對流化床的設(shè)計和運行具有指導作用。
國內(nèi)外學者對預(yù)測材料的μmf做了大量的研究，得到了許多μmf的經(jīng)驗公式。但由于材料性質(zhì)和試驗條件的差異，所得經(jīng)驗公式差異較大，至今沒有統(tǒng)一的計算μmf的公式。在污泥流態(tài)化的研究中，發(fā)現(xiàn)含水率是影響微米f的重要因素之一，但以往對μ m F的實驗主要集中在玻璃球、石英砂和煤樣上，影響因素有床溫、粒徑和壓力。污泥含水率對微米f的影響研究較少，為此，本文研究了不同含水率污泥的流化特性，并介紹了μ m F經(jīng)驗公式的推導過程。其他類型的污泥可以參考這種方法，通過簡單的實驗就可以快速得到μmf的計算公式。
一、試驗裝置和步驟
1.1測試條件和樣品
臨界流化速度μmf是流化態(tài)操作的較低速度。本文認為，床料的物理性質(zhì)(密度、粒度分布、表面粘度等。)和流化氣體(密度、動力粘度等。)直接影響μmf，溫度、壓力等外界因素通過影響床料和氣體的物性間接影響μmf。實際中，流化床干燥設(shè)備的操作壓力為常壓，操作溫度在100℃以下。由于實測溫度在100℃以下，污泥顆粒的密度和粘度隨溫度變化不大，Saxena對白云石(20 ~ 500℃)的研究也表明溫度對μmf影響不大，因此試驗溫度為30℃，試驗壓力為0.1MPa。
樣品是東莞某造紙廠的造紙污泥，主要由纖維素、造紙?zhí)盍?、化學助劑和水組成。造紙污泥經(jīng)過機械壓濾和破碎處理，初始含水率為48%，密度為1269kg/m3，呈顆粒狀。污泥的粒徑分布見表1，按質(zhì)量百分比法計算的污泥顆粒的質(zhì)量平均直徑dp為1.96mm
其中di是顆粒直徑，xi是質(zhì)量百分比。
接收的初始污泥顆粒在105℃的烘箱中干燥8h，得到完全干燥的污泥，通過前后質(zhì)量差計算初始污泥的含水量為48%。制備不同含水量的污泥時，先稱一個空托盤，然后在托盤中放入適量含水量為48%的初始污泥，稱其總質(zhì)量，計算該污泥干燥至目標含水量時應(yīng)達到的目標質(zhì)量。將污泥放入60℃的烘箱中烘干，取出后每隔10分鐘稱重并攪拌均勻，直至達到目標質(zhì)量，然后取出密封保存。使用相同的方法，獲得不同含水量的污泥樣品，不同含水量下的污泥密度參數(shù)列于表2。在烘箱中干燥的過程中，一些顆粒會破碎。為了防止粒徑分布的變化影響試驗結(jié)果，干燥后的污泥將進行篩分，按原粒徑分布重新混合后用于試驗。
1.2測試設(shè)備
圖1是測試設(shè)備的示意圖。該裝置主要由流化床反應(yīng)器、差壓變送器、渦街流量計和離心鼓風機組成。反應(yīng)器的主體是一個直的四棱柱流化室，流化室的一側(cè)裝有有機玻璃。可以觀察到流化室內(nèi)的流化，流化室的橫截面積為310mm×230mm，有效高度為60cm。流化室底部有布風板、兩層18目篩網(wǎng)和壓力板。布風板呈扁平多孔狀，交錯排列，小孔的風向與板垂直。反應(yīng)器上下分別為沉降室和風室，其橫截面為上下兩個倒梯形，上寬下窄。沉降室上寬下窄的結(jié)構(gòu)，降低了氣體的表觀速度，有利于氣流攜帶的細顆粒落回到流化室內(nèi)，減少了細顆粒被氣流帶走引起的壓降變化?？諝馐移鹬鴮Я骱头€(wěn)定流動的作用，使氣流在進入流化室時分布均勻。差壓變送器的一端設(shè)置在氣室中的配氣板附近，另一端與大氣相連。離心式鼓風機配有高性能矢量變頻器。通過控制鼓風機速度來控制引入氣室的一次空氣量。用LUGB–65渦街流量計測量空氣體積流量，然后計算流化室內(nèi)的表觀氣速。
1.3測試步驟
首先在空床狀態(tài)下測量布風板的阻力。在空床狀態(tài)下，調(diào)節(jié)變頻器逐漸增加一次風量，每次風量下保持2分鐘。系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄配風板相應(yīng)的壓降，直到增加到更大的風量。其次，稱取10kg污泥顆粒床料，均勻加入流化室，關(guān)閉進料口，檢查反應(yīng)器氣密性是否良好。再次打開變頻器，啟動風機，將風量調(diào)至較大，通過有機玻璃觀察流化室內(nèi)物料的流化狀態(tài)，確認床內(nèi)物料完全流化，保持5min等待系統(tǒng)穩(wěn)定。然后，調(diào)節(jié)變頻器逐漸降低一次風量，每次風量保持2分鐘。系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)的差壓變送器和渦街流量計的讀數(shù)，直至風量為零(變頻器可在50Hz的較大頻率下調(diào)節(jié)，每次以2Hz的速率調(diào)節(jié)，共25組數(shù)據(jù))。隨后，當流化結(jié)束，床層高度比流化前稍高時，記錄此時的床層高度，以計算床層的空隙率。打開出料口，清空物料，更換不同含水率的污泥，重復(fù)上述步驟。
二、測試結(jié)果及分析
2.1空氣分布板的阻力特性
測量了不同一次風量下的布風板壓降。風速u計算如下:
其中:Qg為一次風量，Ac為床的橫截面積(按0.0713m2計算)，
圖2顯示了空氣分布板的壓降曲線。擬合得到了布風板壓降△Pc與表觀風速U的函數(shù)關(guān)系
2.2臨界流化速度的確定
從固定床階段到流化階段，需要克服顆粒之間的作用力。由于系統(tǒng)的滯后效應(yīng)，用升速法得到的壓降曲線是任意的，所以通常用降速法測量顆粒較小的流化速度。本次實驗采用減速法，即增加一次風量，直至床層完全流化，然后逐一減少風量，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。該實驗可以測量不同表觀風速U下污泥顆粒的床層與布風板之間的壓降之和，減去相應(yīng)風速下空床布風板的壓降△Pc，從而得到床層壓降△P隨表觀風速U的變化規(guī)律。固定床階段壓降曲線與流化階段壓降曲線的切線交點定義為臨界流化點。圖3顯示了污泥含水量為0%時的風速-壓降曲線。圖中A點為臨界流化點，對應(yīng)的表觀風速為臨界流化速度μmf。
2.3含水率對污泥流化的影響
圖4是污泥含水率分別為15%和35%時的流化過程現(xiàn)場圖。圖5顯示了九種不同含水量的污泥流化的風速-壓降曲線。
結(jié)合圖4和圖5，從分析中可以看出，隨著污泥含水率的增加，μmf呈上升趨勢，流化狀態(tài)由本體流化過渡到聚態(tài)流化。一方面，污泥顆粒的密度隨著含水率的增加而增加，μmf與顆粒密度呈正相關(guān)，所以μmf隨著含水率的增加而增加。另一方面，在烘箱中的干燥過程中，發(fā)現(xiàn)實驗中使用的造紙污泥含有許多絮狀纖維。隨著含水量的增加，污泥的質(zhì)地變得柔軟，更多的水吸附在顆粒表面，使顆粒的粘度和團聚能力明顯增強。這使得污泥流化時顆粒之間以及顆粒與反應(yīng)器壁之間的相互作用力增大，流化阻力增大，從而使μmf增大。從圖5中還可以看出，污泥的流化穩(wěn)定性隨著含水率的增加而降低。圖5中的流化曲線表明，低含水率污泥顆粒的流化狀態(tài)是穩(wěn)定的，得到的流化曲線是穩(wěn)定的，在固定床階段向流化階段過渡的過程中有一個平滑的拐點。實驗觀察表明，高含水率污泥顆粒的流化狀態(tài)逐漸變差，得到的流化曲線波動較大。固定床階段向流化階段過渡的拐點不易確定，但實驗觀察表明流化室有團聚現(xiàn)象。實驗結(jié)果表明，在此粒徑分布下，造紙污泥的流化含水率約為38%。當含水率高于38%時，流化極不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)穿孔和溝流。
2.4臨界流化速度的經(jīng)驗公式
國內(nèi)外學者對μmf做了大量的研究，得到了許多μmf的經(jīng)驗公式。表3列出了一些學者得出的經(jīng)驗公式及其適用條件。
在表3中，Ar是阿基米德數(shù)，Remf是臨界流化時的雷諾數(shù)。
圖6是本文中μmf的實驗值與這些經(jīng)驗公式計算值的比較，其中序號1~7對應(yīng)表3中經(jīng)驗公式的序號，紅色粗實線表示μmf隨含水量的變化趨勢。分析認為，由于物料流化特性的差異，直接使用這些經(jīng)驗公式計算實驗所用污泥的μmf會導致較大偏差，因此需要選擇合適的方法重新擬合經(jīng)驗公式。
雖然計算μmf的經(jīng)驗公式很多，但根據(jù)公式的推導過程，基本上可以分為以下兩類。
2.4.1第一類經(jīng)驗公式
這類公式以文等的經(jīng)驗公式為代表，由床層壓降和表觀風速的額爾古納方程推導而來。龔方程假定床層壓降近似等于臨界流化狀態(tài)下氣體對固體顆粒的拖曳力，忽略氣體、床料和床壁之間的摩擦力和內(nèi)力。
在固定床階段，床層壓降與表觀風速之間的關(guān)系可以用額爾古納方程精確地表達如下
其中:L為床層高度，ε為床層空隙率，U為氣體速度，即表觀風速，φ為顆粒球度，ρ為氣體密度，μ為氣體動力粘度。
在臨界流化狀態(tài)下，床層壓降等于每單位面積的床重，即
其中:ρp為物料的顆粒密度，下標mf表示臨界流化狀態(tài)。
將方程(3)和方程(4)合并，引入判據(jù)數(shù)。
簡化并整理出來
將方程(5)視為Remf的二次方程，其正根為
εmf和φ的確定方法參考顏衛(wèi)平的說法:臨界流化狀態(tài)下εmf的床層空隙率略大于固定床。實際上是相當松散的幾乎沒有重量的填充床狀態(tài)，可以通過隨機填充試驗來測量。MF取流化結(jié)束時的床空隙率為
考慮到如果εmf在各含水率中取不同的值，φ的值將難以確定，且測得不同含水率時εmf變化不大，故εmf的算術(shù)平均值為0.414。將不同含水率污泥的物性參數(shù)、μmf的實驗值和εmf的算術(shù)平均值代入式(6)，用試湊法得到φ的近似值。與后代比較，得到C1=16.09，C2=0.0445，進而得到μmf的經(jīng)驗公式。
由于含水率低的污泥顆粒比含水率高的污泥顆粒流化更穩(wěn)定，實驗偏差小，所以通過擬合幾組含水率低的數(shù)據(jù)得到經(jīng)驗公式。
微米的實驗值和公式(8)的計算值之間的比較如圖7所示。顯然，計算值與實驗值相差很大。分析是由于在應(yīng)用額爾古納方程時假設(shè)床層壓降等于氣體對固體顆粒的拖曳力，而忽略了床顆粒間的內(nèi)力。當測試樣品為玻璃珠、石英砂等不粘材料時，計算更準確。造紙污泥含水量低時，粘度小，與上式偏差小。但隨著含水率的增加，污泥粘度增加，部分顆粒發(fā)生團聚，物料間的內(nèi)力大到可以忽略。所以實驗值大于計算值，含水率越高偏差越大。
2.4.2第二類經(jīng)驗公式
這種公式是從單個質(zhì)點的應(yīng)力分析中推導出來的。
當臨界流化現(xiàn)象發(fā)生時，單個顆?；蝾w粒團主要受床中三種力的影響，即顆粒本身的重力Fg、氣體的浮力Ff和流化氣體的曳力Fy，這三種力相互平衡，即
公式應(yīng)用于多粒子系統(tǒng)時會有偏差。為了消除這種偏差，公式(10)被編譯成
這種公式是前蘇聯(lián)學者費多羅夫較早提出的。此后，學者們根據(jù)不同情況，得出了多組A、B值。我國《分層燃燒和流態(tài)化燃燒工業(yè)鍋爐熱力計算方法》中推薦的公式就屬于這種。
根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，擬合得到經(jīng)驗公式。
μmf測試值和公式(12)計算值之間的比較如圖8所示。可以看出，計算值與實驗值偏差較小，離散度在5%以內(nèi)。因此，公式(12)可用于該造紙污泥的μmf計算。
需要注意的是，城市污泥和工業(yè)污泥種類繁多，流化特性差異很大。如果其他類型的污泥直接套用公式(12)，可能會造成一定的偏差，甚至在不同的粒徑分布下，這種造紙污泥的μmf也可能不同。雖然這個公式應(yīng)用不廣泛，但其他類型的污泥可以參考公式(11)。通過幾組流態(tài)化試驗確定A和B，可以得到一個實用的μmf計算公式。
第三，結(jié)論
本實驗以空氣為流化氣體，在0.1MPa的常壓和30℃的常溫下，測定了含水率為0% ~ 38%的造紙污泥的臨界流化速度μ f。此外，在將實驗結(jié)果與現(xiàn)有經(jīng)驗公式進行對比分析后，采用適當?shù)姆椒ㄖ匦聰M合了μmf的經(jīng)驗公式，并得出以下結(jié)論:
A.在實驗粒徑分布下，造紙污泥在低含水率下呈散裝流態(tài)化，隨著含水率的增加逐漸過渡到團聚流態(tài)化。當含水率高于38%時，難以流化，此時容易發(fā)生穿孔和溝流。
B.污泥顆粒的μmf隨著含水率的增加而增加。
C.這種造紙污泥的μmf可以用公式Remf=0.00125Ar0.91計算，誤差在5%以內(nèi)。
D.在兩個主流的經(jīng)驗公式中，像Remf=aArb這樣的經(jīng)驗公式在計算污泥的μmf時誤差較小。(來源:上海理工大學能源與動力工程學院)
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