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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(wèn)題受到越來(lái)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(huì)導(dǎo)致熱損失的增加,因此污泥干化是污泥處置過(guò)程中重要的步驟。流化床干化具有脫水率高、污染小、操作簡(jiǎn)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μmf是其重要的參數(shù)之一,對(duì)流化床的設(shè)計(jì)和運(yùn)行有著指導(dǎo)作用。

  在預(yù)測(cè)物料的μmf方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究,得到了許多μmf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(méi)有統(tǒng)一的μmf計(jì)算公式。在污泥流化研究中發(fā)現(xiàn),含水率是影響μmf的重要因素之一。而前人有關(guān)μmf的試驗(yàn),研究對(duì)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(duì)μmf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μmf經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)過(guò)程,其他種類(lèi)污泥可以參考本文方法,通過(guò)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)快速得到μmf的計(jì)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μmf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(dòng)力粘度等)直接影響μmf,溫度、壓力等外因通過(guò)影響床料和氣體的物性間接影響μmf。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(cè)得溫度在100℃以下時(shí),污泥顆粒的密度、粘性等隨溫度變化較小,且Saxena對(duì)白云石(20~500℃)的研究也表明溫度對(duì)μmf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(guò)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(jì)算污泥顆粒的質(zhì)量平均直徑dp為1.96mm:

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  式中:di為顆粒直徑,xi為質(zhì)量百分比。

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  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(guò)前后的質(zhì)量差計(jì)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(shí),首先取一個(gè)空托盤(pán)稱(chēng)重,再將適量含水率為48%的初始污泥置于托盤(pán)中,稱(chēng)量其總質(zhì)量,計(jì)算烘干到目標(biāo)含水率時(shí)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(chēng)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(guò)程中會(huì)有部分顆粒破碎,為了防止粒度分布發(fā)生改變對(duì)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)。

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  1.2 試驗(yàn)裝置

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  圖1為試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖。裝置主要由流化床反應(yīng)器、壓差變送器、渦街流量計(jì)和離心式鼓風(fēng)機(jī)組成。反應(yīng)器的主體是一個(gè)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(cuò)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(gè)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(shí)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(guò)控制鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制引入風(fēng)室的一次風(fēng)量,通過(guò)LUGB–65渦街流量計(jì)測(cè)量空氣體積流量,然后計(jì)算得到流化室內(nèi)表觀氣體流速。

  1.3 試驗(yàn)步驟

  首先,測(cè)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(gè)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(chēng)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(kāi)啟變頻器,啟動(dòng)風(fēng)機(jī),將風(fēng)量調(diào)至最大,透過(guò)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(gè)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(jì)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(shí),記錄此刻的床層高度,以用于計(jì)算料層空隙率。打開(kāi)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(cè)得了不同的一次風(fēng)量下布風(fēng)板的壓降。風(fēng)速u(mài)的計(jì)算如下:

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  式中:Qg為一次風(fēng)量,Ac為床層截面積(經(jīng)計(jì)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(mài)的函數(shù)關(guān)系為

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  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(shí)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(cè)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(cè)得污泥顆粒在不同表觀風(fēng)速u(mài)下,床層與布風(fēng)板的壓降之和,減去對(duì)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(mài)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(shí)的風(fēng)速–壓降曲線,圖中點(diǎn)A為臨界流化點(diǎn),對(duì)應(yīng)的表觀風(fēng)速為臨界流化速度μmf。

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  2.3 含水率對(duì)污泥流化的影響

  圖4為污泥含水率分別為15%和35%時(shí)流化過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)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。

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  結(jié)合圖4和圖5,分析可知,隨著污泥含水率的增大,μmf呈上升趨勢(shì),流化狀態(tài)由散式流化向聚式流化過(guò)渡。一方面,含水率的增大使污泥顆粒的密度增大,而μmf與顆粒密度呈正相關(guān),因此μmf隨含水率的增大而增大。另一方面,在烘箱干燥過(guò)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(shí)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μmf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(guò)渡時(shí)有平滑的拐點(diǎn),試驗(yàn)觀測(cè)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(dòng),固定床階段向流化階段過(guò)渡的拐點(diǎn)不易確定,試驗(yàn)觀測(cè)流化室內(nèi)呈聚式流化。試驗(yàn)測(cè)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(shí)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)μmf做了大量研究,得出很多μmf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。

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

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  圖6為本文μmf試驗(yàn)值與這些經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的對(duì)比圖,其中序號(hào)1~7分別對(duì)應(yīng)于表3中的經(jīng)驗(yàn)公式序號(hào),紅色粗實(shí)線為μmf隨含水率的變化趨勢(shì)。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(lái)計(jì)算試驗(yàn)所用污泥的μmf會(huì)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(jì)算μmf的經(jīng)驗(yàn)公式雖多,但從公式的推導(dǎo)過(guò)程來(lái)分,基本可以分為以下兩類(lèi)。

  2.4.1 第一類(lèi)經(jīng)驗(yàn)公式

  此類(lèi)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(lái)。厄貢方程假設(shè)在臨界流化狀態(tài)時(shí),床層壓降近似等于氣體對(duì)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

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  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(dòng)力黏度。

  在臨界流化狀態(tài)時(shí),床層壓降等于單位面積上的料層重量,即

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  式中:ρp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)

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  化簡(jiǎn)整理得到

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  將式(5)看作Remf的一元二次方程,正根為

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  εmf和Φ的確定方法參考閆維平等所述:εmf為臨界流化狀態(tài)時(shí)的床層空隙率,略大于固定床時(shí)的空隙率。它實(shí)際上相當(dāng)一個(gè)幾乎沒(méi)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(lái)測(cè)量。εmf取流化結(jié)束時(shí)的床層空隙率為

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  考慮到若εmf在各個(gè)含水率取不同值,Φ的值將很難確定,且測(cè)得不同含水率時(shí)的εmf變化很小,因此通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得εmf算術(shù)平均值為0.414。將不同含水率下的污泥物性參數(shù)、μmf的試驗(yàn)值及εmf的算術(shù)平均值代入式(6),通過(guò)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μmf的經(jīng)驗(yàn)公式。

  由于低含水率的污泥顆粒比高含水率時(shí)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

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  μmf試驗(yàn)值與式(8)計(jì)算值的對(duì)比如圖7所示,顯然,計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差很大。分析原因是由于此類(lèi)公式在應(yīng)用厄貢方程時(shí)假設(shè)了床層壓降等于氣體對(duì)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(shí)計(jì)算較為準(zhǔn)確。造紙污泥在低含水率時(shí)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(jì)算值大,且含水率越高,偏差越大。

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  2.4.2 第二類(lèi)經(jīng)驗(yàn)公式

  此類(lèi)公式由單顆粒受力分析推導(dǎo)而來(lái)。

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

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

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  此類(lèi)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(duì)不同情況得到許多組a、b值,我國(guó)《層狀燃燒及沸騰燃燒工業(yè)鍋爐熱力計(jì)算方法》中推薦的公式就屬于此類(lèi)。

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

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  μmf試驗(yàn)值與式(12)計(jì)算值的對(duì)比如圖8所示,可以看到計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差較小,離散程度在5%以?xún)?nèi),因此式(12)可用于此造紙污泥的μmf計(jì)算。

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  需要說(shuō)明的是,由于城市及工業(yè)污泥種類(lèi)繁多,流化性質(zhì)差異很大,其他種類(lèi)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,μmf也可能不同。雖然此式不具備廣泛通用性,但其他種類(lèi)的污泥可參考式(11),通過(guò)幾組流化試驗(yàn)來(lái)確定a和b,即可得到可用的μmf計(jì)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(cè)量了含水率從0%~38%的造紙污泥臨界流化速度μmf。此外,將試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比與分析后,選用合適的方法重新擬合了μmf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(shí)呈散式流化,隨著含水率的增大,逐漸向聚式流化過(guò)渡,含水率高于38%時(shí)難以流化,此時(shí)極易發(fā)生穿孔和溝流。

  b.污泥顆粒的μmf隨含水率的增大而增大。

  c.此造紙污泥的μmf,可以用公式Remf=0.00125Ar0.91來(lái)計(jì)算,誤差在5%以?xún)?nèi)。

  d.在主流的兩類(lèi)經(jīng)驗(yàn)公式中,形如Remf=aArb的經(jīng)驗(yàn)公式在計(jì)算污泥的μmf時(shí)誤差較小。( >

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