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，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，對流化床的設(shè)計和運行有著指導(dǎo)作用。
在預(yù)測物料的μmf方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，得到了許多μmf的經(jīng)驗公式。但由于物料性質(zhì)和試驗條件的不同，得出的經(jīng)驗公式有很大差異，至今還沒有統(tǒng)一的μmf計算公式。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，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，通過簡單的試驗快速得到μmf的計算公式。
一、試驗裝置及步驟
1.1 試驗工況及樣品
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μmf，溫度、壓力等外因通過影響床料和氣體的物性間接影響μmf。實際工程中流化床干燥設(shè)備的運行壓力為常壓，運行溫度在100℃以下。由于試驗中測得溫度在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μmf影響較小，故選定試驗溫度為30℃，試驗壓力為0.1MPa。
試驗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dp為1.96mm：
式中：di為顆粒直徑，xi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，計算烘干到目標含水率時這份污泥應(yīng)該達到的目標質(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，直至達到目標質(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。
1.2 試驗裝置
圖1為試驗裝置簡圖。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顆粒重新落回流化室內(nèi)，減少細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)機配有高性能矢量變頻器，通過控制鼓風(fēng)機轉(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，將風(fēng)量調(diào)至最大，透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、試驗結(jié)果及分析
2.1 布風(fēng)板阻力特性
試驗已經(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：Qg為一次風(fēng)量，Ac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定為臨界流化點。圖3為污泥含水率為0%時的風(fēng)速–壓降曲線，圖中點A為臨界流化點，對應(yīng)的表觀風(fēng)速為臨界流化速度μmf。
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，μmf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，在烘箱干燥過程中發(fā)現(xiàn)，試驗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能力明顯增強。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渡時有平滑的拐點，試驗觀測流化室內(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不易確定，試驗觀測流化室內(nèi)呈聚式流化。試驗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)驗公式
國內(nèi)外學(xué)者對μmf做了大量研究，得出很多μmf的經(jīng)驗公式，表3為部分學(xué)者得出的經(jīng)驗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μmf試驗值與這些經(jīng)驗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)驗公式序號，紅色粗實線為μmf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)驗公式來計算試驗所用污泥的μmf會產(chǎn)生較大偏差，需選擇合適的方法重新擬合經(jīng)驗公式。
計算μmf的經(jīng)驗公式雖多，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)驗公式
此類公式以Wen等人的經(jīng)驗公式為代表，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：ρp為物料顆粒密度，下標mf表示處于臨界流化狀態(tài)。
將式(3)和式(4)聯(lián)立，并引入準則數(shù)
化簡整理得到
將式(5)看作Remf的一元二次方程，正根為
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)時的床層空隙率，略大于固定床時的空隙率。它實際上相當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來測量。εmf取流化結(jié)束時的床層空隙率為
考慮到若εmf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εmf變化很小，因此通過試驗測得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的試驗值及εmf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，進而得到μmf的經(jīng)驗公式。
由于低含水率的污泥顆粒比高含水率時流化穩(wěn)定，試驗偏差小，使用低含水率的幾組數(shù)據(jù)擬合得到經(jīng)驗公式
μmf試驗值與式(8)計算值的對比如圖7所示，顯然，計算值與試驗值偏差很大。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。當試驗樣品為玻璃珠、石英砂等非黏性物料時計算較為準確。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，物料之間的內(nèi)力足夠大已不能忽略。因此試驗值比計算值大，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，單顆粒或顆粒團在床內(nèi)主要受到3個力的作用，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。
基于試驗數(shù)據(jù)，擬合得到經(jīng)驗公式
μmf試驗值與式(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μmf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，μmf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)，通過幾組流化試驗來確定a和b，即可得到可用的μmf計算公式。
三、結(jié) 論
本試驗在常壓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μmf。此外，將試驗結(jié)果與現(xiàn)有經(jīng)驗公式進行對比與分析后，選用合適的方法重新擬合了μmf的經(jīng)驗公式，得到如下結(jié)論：
a.造紙污泥在試驗粒度分布下，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來計算，誤差在5%以內(nèi)。
d.在主流的兩類經(jīng)驗公式中，形如Remf=aArb的經(jīng)驗公式在計算污泥的μmf時誤差較小。( >
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