不同含水率下污泥流化特性

　　隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市和工業(yè)污泥的產(chǎn)量日益增多，污泥的處置問題受到越來越多的重視。污泥是污水處理的終端產(chǎn)物，未經(jīng)處理的污泥含水率高、體積龐大、成分復(fù)雜，處置不當(dāng)易造成二次污泥。在眾多處置方法中，流化床焚燒技術(shù)因其燃燒充分、處理速度快、污染物排放低等顯著優(yōu)點(diǎn)在污泥處理行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。濕污泥直接燃燒會導(dǎo)致熱損失的增加，因此污泥干化是污泥處置過程中重要的步驟。流化床干化具有脫水率高、污染小、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，是污泥深度脫水的有效方式。在污泥流化床干化技術(shù)中，臨界流化速度μ_mf是其重要的參數(shù)之一，對流化床的設(shè)計和運(yùn)行有著指導(dǎo)作用。

　　在預(yù)測物料的μ_mf方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，得到了許多μ_mf的經(jīng)驗(yàn)公式。但由于物料性質(zhì)和試驗(yàn)條件的不同，得出的經(jīng)驗(yàn)公式有很大差異，至今還沒有統(tǒng)一的μ_mf計算公式。在污泥流化研究中發(fā)現(xiàn)，含水率是影響μ_mf的重要因素之一。而前人有關(guān)μ_mf的試驗(yàn)，研究對象多為玻璃球、石英砂、煤樣等，影響因素多為床溫、粒徑、壓力等。有關(guān)污泥含水率對μ_mf影響的研究較少。為此，本文研究了不同含水率下污泥的流化特性，介紹了μ_mf經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)過程，其他種類污泥可以參考本文方法，通過簡單的試驗(yàn)快速得到μ_mf的計算公式。

　　一、試驗(yàn)裝置及步驟

　　1.1 試驗(yàn)工況及樣品

　　臨界流化速度μ_mf是流化態(tài)操作的最低速度。本文認(rèn)為，床料的物性(密度、粒徑分布、表面粘性等)和流化氣體的物性(密度、動力粘度等)直接影響μ_mf，溫度、壓力等外因通過影響床料和氣體的物性間接影響μ_mf。實(shí)際工程中流化床干燥設(shè)備的運(yùn)行壓力為常壓，運(yùn)行溫度在100℃以下。由于試驗(yàn)中測得溫度在100℃以下時，污泥顆粒的密度、粘性等隨溫度變化較小，且Saxena對白云石(20～500℃)的研究也表明溫度對μ_mf影響較小，故選定試驗(yàn)溫度為30℃，試驗(yàn)壓力為0.1MPa。

　　試驗(yàn)樣品為東莞某造紙廠的造紙污泥，主要組成有纖維素、造紙?zhí)盍?、化工助劑和水。造紙污泥已?jīng)過機(jī)械壓濾和破碎處理，初始含水率為48%，密度為1269kg/m3，呈顆粒狀。污泥粒度分布列于表1，按質(zhì)量百分比法計算污泥顆粒的質(zhì)量平均直徑d_p為1.96mm：

　　式中：d_i為顆粒直徑_，x_i為質(zhì)量百分比。

　　將收到的初始污泥顆粒置于105℃的烘箱內(nèi)干燥8h，得到全干污泥，通過前后的質(zhì)量差計算得到初始污泥的含水率為48%。在制備不同含水率的污泥時，首先取一個空托盤稱重，再將適量含水率為48%的初始污泥置于托盤中，稱量其總質(zhì)量，計算烘干到目標(biāo)含水率時這份污泥應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)質(zhì)量。將污泥放入60℃的烘箱內(nèi)干燥，每10min取出稱重并混合均勻，直至達(dá)到目標(biāo)質(zhì)量，取出密封保存。使用同樣的方法分別得到不同含水率的污泥樣品，不同含水率下污泥密度參數(shù)列于表2。烘箱干燥的過程中會有部分顆粒破碎，為了防止粒度分布發(fā)生改變對試驗(yàn)結(jié)果造成影響，將干燥后的污泥篩分，按原粒度分布重新混合后用于試驗(yàn)。

　　1.2 試驗(yàn)裝置

　　圖1為試驗(yàn)裝置簡圖。裝置主要由流化床反應(yīng)器、壓差變送器、渦街流量計和離心式鼓風(fēng)機(jī)組成。反應(yīng)器的主體是一個直四棱柱流化室，其中一面設(shè)有有機(jī)玻璃，可觀察流化室內(nèi)流化情況，橫截面積310mm×230mm，有效高度60cm。流化室底部設(shè)置有布風(fēng)板、2層18目篩網(wǎng)和壓板，布風(fēng)板采用平板多孔式，錯列布置，小孔風(fēng)向與板垂直。反應(yīng)器的上下部位分別是沉降室和風(fēng)室，其截面呈上寬下窄的兩個倒梯形。沉降室上寬下窄的結(jié)構(gòu)使氣體表觀速度降低，有利于氣流攜帶的細(xì)顆粒重新落回流化室內(nèi)，減少細(xì)顆粒被氣流帶走而引起的壓降變化_，風(fēng)室起導(dǎo)流和穩(wěn)流的作用，使氣流進(jìn)入流化室時分布均勻。壓差變送器一端布置于風(fēng)室內(nèi)接近布風(fēng)板處，一端連接大氣。離心式鼓風(fēng)機(jī)配有高性能矢量變頻器，通過控制鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來控制引入風(fēng)室的一次風(fēng)量，通過LUGB?65渦街流量計測量空氣體積流量，然后計算得到流化室內(nèi)表觀氣體流速。

　　1.3 試驗(yàn)步驟

　　首先，測定空床狀態(tài)下的布風(fēng)板阻力，在空床狀態(tài)下，調(diào)節(jié)變頻器逐漸增大一次風(fēng)量，在每個風(fēng)量下維持2min，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)的布風(fēng)板壓降，直到增至最大風(fēng)量。其次，稱取10kg污泥顆粒床料，均勻加入至流化室內(nèi)，關(guān)閉進(jìn)料口，檢查反應(yīng)器的氣密性是否良好。再次，開啟變頻器，啟動風(fēng)機(jī)，將風(fēng)量調(diào)至最大，透過有機(jī)玻璃觀察流化室內(nèi)物料的流化狀態(tài)，確認(rèn)床內(nèi)物料已完全流化，維持5min等待系統(tǒng)穩(wěn)定。然后，調(diào)節(jié)變頻器逐漸減小一次風(fēng)量，在每個風(fēng)量下，維持2min待系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)的壓差變送器和渦街流量計讀數(shù)，直至風(fēng)量為零(變頻器可調(diào)最大頻率為50Hz，每次以2Hz逐步遞減進(jìn)行調(diào)節(jié)，共25組數(shù)據(jù))。最后，待流化結(jié)束、床層高度較流化前略有增大時，記錄此刻的床層高度，以用于計算料層空隙率。打開出料口，清空物料，換不同含水率的污泥重復(fù)以上步驟。

　　二、試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1 布風(fēng)板阻力特性

　　試驗(yàn)已經(jīng)測得了不同的一次風(fēng)量下布風(fēng)板的壓降。風(fēng)速u的計算如下：

　　式中：Q_g為一次風(fēng)量_，A_c為床層截面積(經(jīng)計算為0.0713m2)_，

　　圖2為布風(fēng)板壓降曲線，擬合得到布風(fēng)板壓降△Pc與表觀風(fēng)速u的函數(shù)關(guān)系為

　　2.2 臨界流化速度的確定

　　由固定床階段進(jìn)入流化階段時需克服顆粒之間的作用力，升速法所得壓降曲線由于體系的遲滯效應(yīng)而帶有任意性，因此顆粒的最小流化速度通常用降速法測定。本試驗(yàn)采用降速法，即先增大一次風(fēng)量至床層完全流化，再逐次減小風(fēng)量，并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)可以測得污泥顆粒在不同表觀風(fēng)速u下，床層與布風(fēng)板的壓降之和，減去對應(yīng)風(fēng)速下空床布風(fēng)板壓降△Pc，即可得到床層壓降△P隨表觀風(fēng)速u的變化規(guī)律。將固定床階段壓降曲線與流化階段壓降曲線的切線交點(diǎn)定為臨界流化點(diǎn)。圖3為污泥含水率為0%時的風(fēng)速?壓降曲線，圖中點(diǎn)A為臨界流化點(diǎn)，對應(yīng)的表觀風(fēng)速為臨界流化速度μ_mf。

　　2.3 含水率對污泥流化的影響

　　圖4為污泥含水率分別為15%和35%時流化過程現(xiàn)場圖。圖5給出了9種不同含水率污泥流化的風(fēng)速?壓降曲線。

　　結(jié)合圖4和圖5，分析可知，隨著污泥含水率的增大，μ_mf呈上升趨勢，流化狀態(tài)由散式流化向聚式流化過渡。一方面，含水率的增大使污泥顆粒的密度增大，而μ_mf與顆粒密度呈正相關(guān)，因此μ_mf隨含水率的增大而增大。另一方面，在烘箱干燥過程中發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)所用造紙污泥含有許多絮狀纖維，隨著含水率的增大，污泥質(zhì)地變軟，且顆粒表面吸附了更多的水分，顆粒黏性和顆粒聚團(tuán)能力明顯增強(qiáng)。這使得污泥流化時顆粒與顆粒之間、顆粒與反應(yīng)器壁面間的相互作用力均增大，流化阻力增大，從而使μ_mf增大。由圖5還可知，含水率的增大使污泥流化穩(wěn)定性降低。圖5中不同含水率下的流化曲線表明：低含水率的污泥顆粒流化狀態(tài)穩(wěn)定，所得流化曲線平穩(wěn)，在固定床階段向流化階段過渡時有平滑的拐點(diǎn)，試驗(yàn)觀測流化室內(nèi)呈散式流化_，而高含水率的污泥顆粒流化狀態(tài)逐漸惡化，所得流化曲線有較大波動，固定床階段向流化階段過渡的拐點(diǎn)不易確定，試驗(yàn)觀測流化室內(nèi)呈聚式流化。試驗(yàn)測得造紙污泥在此粒度分布下可流化的最大含水率約為38%，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 臨界流化速度經(jīng)驗(yàn)公式

　　國內(nèi)外學(xué)者對μ_mf做了大量研究，得出很多μ_mf的經(jīng)驗(yàn)公式，表3為部分學(xué)者得出的經(jīng)驗(yàn)公式及公式適用條件。

　　表3中，Ar為阿基米德數(shù)_，Remf為臨界流化時的雷諾數(shù)。

　　圖6為本文μ_mf試驗(yàn)值與這些經(jīng)驗(yàn)公式計算值的對比圖，其中序號1~7分別對應(yīng)于表3中的經(jīng)驗(yàn)公式序號，紅色粗實(shí)線為μ_mf隨含水率的變化趨勢。分析可知，由于物料流化性質(zhì)的差異，直接使用這些經(jīng)驗(yàn)公式來計算試驗(yàn)所用污泥的μ_mf會產(chǎn)生較大偏差，需選擇合適的方法重新擬合經(jīng)驗(yàn)公式。

　　計算μ_mf的經(jīng)驗(yàn)公式雖多，但從公式的推導(dǎo)過程來分，基本可以分為以下兩類。

　　2.4.1 第一類經(jīng)驗(yàn)公式

　　此類公式以Wen等人的經(jīng)驗(yàn)公式為代表，由床層壓降與表觀風(fēng)速的厄貢方程推導(dǎo)而來。厄貢方程假設(shè)在臨界流化狀態(tài)時，床層壓降近似等于氣體對固體顆粒的拽力，忽略氣體及床料與床壁間的摩擦力及內(nèi)力。

　　在固定床階段，床層壓降與表觀風(fēng)速的關(guān)系式，可由厄貢方程準(zhǔn)確表示為

　　式中:L為床層高度_，ε為料層空隙率_，u為氣體流速，即表觀風(fēng)速_，Φ為顆粒球形度_，ρ為氣體密度_，μ為氣體動力黏度。

　　在臨界流化狀態(tài)時，床層壓降等于單位面積上的料層重量，即

　　式中：ρ_p為物料顆粒密度_，下標(biāo)mf表示處于臨界流化狀態(tài)。

　　將式(3)和式(4)聯(lián)立，并引入準(zhǔn)則數(shù)

　　化簡整理得到

　　將式(5)看作Re_mf的一元二次方程，正根為

　　ε_mf和Φ的確定方法參考閆維平等所述：ε_mf為臨界流化狀態(tài)時的床層空隙率，略大于固定床時的空隙率。它實(shí)際上相當(dāng)一個幾乎沒有重量的填充床的最疏松狀態(tài)，可以由隨意填充試驗(yàn)來測量。ε_mf取流化結(jié)束時的床層空隙率為

　　考慮到若ε_mf在各個含水率取不同值，Φ的值將很難確定，且測得不同含水率時的ε_mf變化很小，因此通過試驗(yàn)測得ε_mf算術(shù)平均值為0.414。將不同含水率下的污泥物性參數(shù)、μ_mf的試驗(yàn)值及ε_mf的算術(shù)平均值代入式(6)，通過試湊法得到Φ的近似值。最后代入得到C1=16.09，C2=0.0445，進(jìn)而得到μ_mf的經(jīng)驗(yàn)公式。

　　由于低含水率的污泥顆粒比高含水率時流化穩(wěn)定，試驗(yàn)偏差小，使用低含水率的幾組數(shù)據(jù)擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式

　　μ_mf試驗(yàn)值與式(8)計算值的對比如圖7所示，顯然，計算值與試驗(yàn)值偏差很大。分析原因是由于此類公式在應(yīng)用厄貢方程時假設(shè)了床層壓降等于氣體對固體顆粒的拽力，而忽略了床料顆粒之間的內(nèi)力。當(dāng)試驗(yàn)樣品為玻璃珠、石英砂等非黏性物料時計算較為準(zhǔn)確。造紙污泥在低含水率時黏性較小，與上式偏差不大，但隨著含水率的增大，污泥黏性增大，部分顆粒聚團(tuán)，物料之間的內(nèi)力足夠大已不能忽略。因此試驗(yàn)值比計算值大，且含水率越高，偏差越大。

　　2.4.2 第二類經(jīng)驗(yàn)公式

　　此類公式由單顆粒受力分析推導(dǎo)而來。

　　在臨界流化現(xiàn)象發(fā)生時，單顆粒或顆粒團(tuán)在床內(nèi)主要受到3個力的作用，分別為顆粒本身的重力F_g、氣體的浮力F_f、流化氣體的拽力F_y，且這3個力相互平衡，即

　　該公式應(yīng)用于多粒子系統(tǒng)時會有偏差,為了消除這種偏差,將式(10)整理成

　　此類公式最早由前蘇聯(lián)學(xué)者費(fèi)多羅夫提出，此后學(xué)者們針對不同情況得到許多組a、b值，我國《層狀燃燒及沸騰燃燒工業(yè)鍋爐熱力計算方法》中推薦的公式就屬于此類。

　　基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式

　　μ_mf試驗(yàn)值與式(12)計算值的對比如圖8所示，可以看到計算值與試驗(yàn)值偏差較小，離散程度在5%以內(nèi)，因此式(12)可用于此造紙污泥的μ_mf計算。

　　需要說明的是，由于城市及工業(yè)污泥種類繁多，流化性質(zhì)差異很大，其他種類的污泥若直接套用式(12)，可能造成一定偏差，甚至此造紙污泥在不同的粒度分布下，μ_mf也可能不同。雖然此式不具備廣泛通用性，但其他種類的污泥可參考式(11)，通過幾組流化試驗(yàn)來確定a和b，即可得到可用的μ_mf計算公式。

　　三、結(jié)　論

　　本試驗(yàn)在常壓0.1MPa和常溫30℃下，以空氣為流化氣體，測量了含水率從0%~38%的造紙污泥臨界流化速度μ_mf。此外，將試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對比與分析后，選用合適的方法重新擬合了μ_mf的經(jīng)驗(yàn)公式，得到如下結(jié)論：

　　a.造紙污泥在試驗(yàn)粒度分布下，低含水率時呈散式流化，隨著含水率的增大，逐漸向聚式流化過渡，含水率高于38%時難以流化，此時極易發(fā)生穿孔和溝流。

　　b.污泥顆粒的μ_mf隨含水率的增大而增大。

　　c.此造紙污泥的μ_mf，可以用公式Remf=0.00125Ar0.91來計算，誤差在5%以內(nèi)。

　　d.在主流的兩類經(jīng)驗(yàn)公式中，形如Remf=aArb的經(jīng)驗(yàn)公式在計算污泥的μ_mf時誤差較小。(來源：上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院)