污泥流化特性

發表時間：2021-01-29 12:30:13 閱讀次

隨著經濟的快速發展，城市和工業污泥的產量日益增多，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物，未經處理的污泥含水率高、體積龐大、成分復雜，處置不當易造成二次污泥。在眾多處置方法中，流化床焚燒技術因其燃燒充分、處理速度快、污染物排放低等顯著優點在污泥處理行業得到了廣泛的應用。濕污泥直接燃燒會導致熱損失的增加，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、操作簡單等優點，是污泥深度脫水的有效方式。在污泥流化床干化技術中，臨界流化速度μ_mf是其重要的參數之一，對流化床的設計和運行有著指導作用。

　　在預測物料的μ_mf方面，國內外學者做了大量的研究，得到了許多μ_mf的經驗公式。但由于物料性質和試驗條件的不同，得出的經驗公式有很大差異，至今還沒有統一的μ_mf計算公式。在污泥流化研究中發現，含水率是影響μ_mf的重要因素之一。而前人有關μ_mf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經驗公式的推導過程，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μ_mf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μ_mf是流化態操作的最低速度。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。實際工程中流化床干燥設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μ_mf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、造紙填料、化工助劑和水。造紙污泥已經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，按質量百分比法計算污泥顆粒的質量平均直徑d_p為1.96mm：

　　式中：d_i為顆粒直徑_，x_i為質量百分比。

　　將收到的初始污泥顆粒置于105℃的烘箱內干燥8h，得到全干污泥，通過前后的質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，稱量其總質量，計算烘干到目標含水率時這份污泥應該達到的目標質量。將污泥放入60℃的烘箱內干燥，每10min取出稱重并混合均勻，直至達到目標質量，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生改變對試驗結果造成影響，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器、壓差變送器、渦街流量計和離心式鼓風機組成。反應器的主體是一個直四棱柱流化室，其中一面設有有機玻璃，可觀察流化室內流化情況，橫截面積310mm×230mm，有效高度60cm。流化室底部設置有布風板、2層18目篩網和壓板，布風板采用平板多孔式，錯列布置，小孔風向與板垂直。反應器的上下部位分別是沉降室和風室，其截面呈上寬下窄的兩個倒梯形。沉降室上寬下窄的結構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，減少細顆粒被氣流帶走而引起的壓降變化_，風室起導流和穩流的作用，使氣流進入流化室時分布均勻。壓差變送器一端布置于風室內接近布風板處，一端連接大氣。離心式鼓風機配有高性能矢量變頻器，通過控制鼓風機轉速來控制引入風室的一次風量，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表觀氣體流速。

　　1.3 試驗步驟

　　首先，測定空床狀態下的布風板阻力，在空床狀態下，調節變頻器逐漸增大一次風量，在每個風量下維持2min，待系統穩定后，記錄相應的布風板壓降，直到增至最大風量。其次，稱取10kg污泥顆粒床料，均勻加入至流化室內，關閉進料口，檢查反應器的氣密性是否良好。再次，開啟變頻器，啟動風機，將風量調至最大，透過有機玻璃觀察流化室內物料的流化狀態，確認床內物料已完全流化，維持5min等待系統穩定。然后，調節變頻器逐漸減小一次風量，在每個風量下，維持2min待系統穩定后，記錄相應的壓差變送器和渦街流量計讀數，直至風量為零(變頻器可調最大頻率為50Hz，每次以2Hz逐步遞減進行調節，共25組數據)。最后，待流化結束、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以上步驟。

　　二、試驗結果及分析

　　2.1 布風板阻力特性

　　試驗已經測得了不同的一次風量下布風板的壓降。風速u的計算如下：

　　式中：Q_g為一次風量_，A_c為床層截面積(經計算為0.0713m2)_，

　　圖2為布風板壓降曲線，擬合得到布風板壓降△Pc與表觀風速u的函數關系為

　　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，即先增大一次風量至床層完全流化，再逐次減小風量，并記錄相應數據。試驗可以測得污泥顆粒在不同表觀風速u下，床層與布風板的壓降之和，減去對應風速下空床布風板壓降△Pc，即可得到床層壓降△P隨表觀風速u的變化規律。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%時的風速–壓降曲線，圖中點A為臨界流化點，對應的表觀風速為臨界流化速度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%時流化過程現場圖。圖5給出了9種不同含水率污泥流化的風速–壓降曲線。

　　結合圖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，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現，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穩定，所得流化曲線平穩，在固定床階段向流化階段過渡時有平滑的拐點，試驗觀測流化室內呈散式流化_，而高含水率的污泥顆粒流化狀態逐漸惡化，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%時流化極不穩定，容易出現穿孔和溝流。

　　2.4 臨界流化速度經驗公式

　　國內外學者對μ_mf做了大量研究，得出很多μ_mf的經驗公式，表3為部分學者得出的經驗公式及公式適用條件。

　　表3中，Ar為阿基米德數_，Remf為臨界流化時的雷諾數。

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

　　計算μ_mf的經驗公式雖多，但從公式的推導過程來分，基本可以分為以下兩類。

　　2.4.1 第一類經驗公式

　　此類公式以Wen等人的經驗公式為代表，由床層壓降與表觀風速的厄貢方程推導而來。厄貢方程假設在臨界流化狀態時，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力。

　　在固定床階段，床層壓降與表觀風速的關系式，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mf表示處于臨界流化狀態。

　　將式(3)和式(4)聯立，并引入準則數

　　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，可以由隨意填充試驗來測量。ε_mf取流化結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，因此通過試驗測得ε_mf算術平均值為0.414。將不同含水率下的污泥物性參數、μ_mf的試驗值及ε_mf的算術平均值代入式(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μ_mf的經驗公式。

　　由于低含水率的污泥顆粒比高含水率時流化穩定，試驗偏差小，使用低含水率的幾組數據擬合得到經驗公式

　　μ_mf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用厄貢方程時假設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。