滾筒式污泥干燥器特性仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱桂華, 徐洪威, 王建業(yè), 柳穎嬌, 彭南輝

(中南大學(xué) 機電工程學(xué)院, 湖南 長沙 410083)

我國現(xiàn)有約4 000家污水處理廠,每天都在產(chǎn)生巨量的污泥,利用煙氣余熱對污泥進行干化處理,然后作為燃料利用正成為污泥處理的一條重要途徑.近年來,我國污泥處理行業(yè)開始采用滾筒干燥器進行污泥干化,而所采用的滾筒干燥器結(jié)構(gòu)設(shè)計主要憑借經(jīng)驗,具有粗放性和隨意性,致使熱能利用率低、干化效果不均勻[1].

滾筒干燥器因其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、連續(xù)操作、適應(yīng)能力強、處理能力大及維修方便等優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于輕工、冶金、建材、化工、煤炭等行業(yè),成為顆粒物料的首選干燥設(shè)備.滾筒干燥器的滾筒是略帶傾斜、能回轉(zhuǎn)的筒體,濕物料和熱氣流在滾筒內(nèi)完成換熱過程.揚料板使物料在滾筒回轉(zhuǎn)過程中不斷揚起又灑下,使得物料充分與熱氣流接觸,提高了干燥效率并使物料向前移動[2].黃志剛等[3-4]對轉(zhuǎn)筒干燥器中顆粒物料在飄落時與熱氣流的傳熱過程進行了數(shù)值模擬和試驗研究,模擬結(jié)果和試驗結(jié)果較為接近.李妙玲等[5-6]分別基于二維和三維對回轉(zhuǎn)式烘干機揚料板安裝角與揚料量的關(guān)系進行了數(shù)值分析,研究結(jié)果為優(yōu)化揚料板結(jié)構(gòu)尺寸和安裝形式提供參考.文獻[7]通過離散元與空氣流場的耦合(DEM-CFD)模擬了木屑在轉(zhuǎn)筒干燥器中的干燥過程.文獻[8]通過耦合計算流體動力學(xué)(CFD)和離散元素法(DEM)來模擬滾筒干燥器內(nèi)物料之間的熱傳遞,優(yōu)化了干燥系統(tǒng)的運行參數(shù),提高了熱效率.雖然國內(nèi)外對于滾筒干燥器干燥過程的理論研究已經(jīng)取得了可觀的研究成果,但是在研究滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)對物料在滾筒內(nèi)運動路徑及其干燥效果的影響時,沒有綜合考慮物料的碰撞作用以及流體對物料的牽引作用,也鮮見滾筒干化污泥的研究結(jié)果[9-13].

為此,文中利用流體分析軟件Fluent和離散元EDEM顆粒軟件雙向動力耦合模擬滾筒干燥器干燥過程,分析滾筒內(nèi)揚料板的分布、入料螺旋的長度對物料在滾筒內(nèi)運動路徑及其干化效果的影響,提出影響干燥器干燥效果的結(jié)構(gòu)要素,并進行優(yōu)化設(shè)計.

1 物料干燥過程及原理

物料干化過程依次經(jīng)歷以下3個階段:物料預(yù)熱階段(Ⅰ)、恒速干化階段(Ⅱ)、降速干化階段(Ⅲ),如圖1所示.

物料預(yù)熱階段,主要是對濕的物料進行預(yù)熱加溫,同時也有少量水分被汽化.恒速干化階段,熱氣流傳給物料的熱量全部用來汽化水分,物料表面溫度保持不變,水分則按一定的速度汽化.降速干化階段,物料內(nèi)部水分的擴散慢于表面的蒸發(fā),物料表面逐漸變干,提供的熱量只有一部分用來汽化水分,大部分用來加熱物料,因此,干化速率很快下降,物料含水量減少得很慢,直到平衡含水率為止.影響物料干化速率的因素包括物料的理化性質(zhì)、導(dǎo)熱介質(zhì)的理化性質(zhì)、導(dǎo)熱介質(zhì)與物料的接觸方式等[2].

圖1 物料溫度和含水率隨時間的變化曲線

根據(jù)單位時間內(nèi)系統(tǒng)中水分恒定建立的質(zhì)量平衡方程為

S1x1+G1y1=S2x2+G2y2,

(1)

式中:S為固相物料質(zhì)量,kg;x為固相物料濕基含水率,%;G為氣相空氣質(zhì)量,kg;y為氣相空氣干基濕度,%;下標1和2分別表示入口和出口.

根據(jù)系統(tǒng)中熱能恒定建立的單位時間內(nèi)熱能平衡方程為

G1HG1+S1HS1=G2HG2+S2HS2+Q0,

(2)

式中:HS為物料的熱焓,J·kg-1;HG為空氣的熱焓,J·kg-1;Q0為熱損失,J.

物料干化的熱量與物料平衡不僅是工藝設(shè)計的重要依據(jù),也是物料干化過程的重要技術(shù)參數(shù)[12].由式(2)可知,氣流量及其焓變決定了物料的處理量,反過來已知物料處理量也可以計算氣流量.

干燥效率是衡量干燥設(shè)備干燥效果好壞的重要指標.改進揚料板結(jié)構(gòu)形式及其分布是增加物料與熱氣流接觸面積、換熱時間的重要措施.

2 基于CFD-DEM耦合仿真

為了在研究滾筒干燥器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對物料的運動路徑及其干化效果的影響時,充分考慮物料的碰撞作用以及流體對物料的牽引作用,采用CFD-DEM耦合模型對其進行仿真分析.通過Fluent求解連續(xù)氣相流場流動,EDEM求解離散固相顆粒物料(簡稱顆粒)運動路徑及停留時間,二者以一定的模型進行質(zhì)量、動量和能量等的傳遞實現(xiàn)雙向動力耦合,物料在耦合系統(tǒng)中與流體完成熱交換,有效地滿足了研究需求.

2.1 滾筒干燥器幾何模型的建立

為提高仿真效率,必須簡化縮小幾何模型.首先確定合適的滾筒直徑,然后根據(jù)常用干燥滾筒的長徑比確定滾筒外形尺寸.參數(shù)設(shè)置如下:采用順流式,顆粒入口管直徑D1=54 mm;氣體入口直徑D2=130 mm;筒體直徑D3=300 mm;出口直徑等于筒體直徑;筒體傾斜角度α=3°,筒體長度L=3 650 mm,如圖2所示.使用Pro/E[14]建立滾筒的幾何模型,使用ICEM進行網(wǎng)格劃分.

圖2 滾筒干燥器模型圖及揚料板安裝形式

2.2 氣固耦合數(shù)學(xué)模型的建立

為建立滾筒干燥器干燥過程的氣固耦合數(shù)學(xué)模型,作如下假設(shè):顆粒為單一材料組成的均勻體[15];顆粒在干燥過程中的比熱容變化為定值;顆粒在干燥過程中的體積變化忽略不計;不考慮流體相的可壓縮性;各相在入口截面上分布均勻;不考慮滾筒對外熱損失.

2.2.1 氣相控制方程

氣相主要考慮氣相連續(xù)性方程、不可壓縮流體下氣相質(zhì)量守恒方程及其動量守恒方程.

在雙向耦合過程中,氣固兩相流完成能量交換,其中流體的能量主要由動能、勢能和內(nèi)能3部分組成,其能量方程為

(3)

式中:T為氣相溫度,K;ρ為氣相密度,kg·m-3;t為時間,s;μ為氣相有效黏度,Pa·s;κ為氣相傳熱系數(shù),W·(m2·K)-1;Cp為氣相比熱容,J·(kg·K)-1;ST為黏性耗散項,J.

2.2.2 固相控制方程

顆粒在系統(tǒng)中受到重力、慣性力、壁面的碰撞力及摩擦力、顆粒之間及顆粒與氣體分子之間的黏性摩擦力和曳力等的共同作用,其速度的大小和方向不斷發(fā)生變化,從而引起位移改變.假設(shè)在一個時間步長內(nèi),顆粒間作用力不變,在研究不考慮全局阻尼的動力問題時,依據(jù)牛頓運動定律得到顆粒的運動方程為

(4)

式中:Fi(t)為t時刻顆粒受到的合力,N;m為顆粒的質(zhì)量,kg;gi為重力加速度在i上的分量,m·s-2;vi(t)為t時刻顆粒的平動速度分量, m·s-1;Ti為由接觸力引起的合力距,N·m;I為顆粒轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;ωi(t)為t時刻顆粒的轉(zhuǎn)動速度,rad·s-1;Δt為時間步長,s;i=1,2,3分別表示沿x,y,z3個坐標方向的分量.

可得t時刻顆粒的平均位移和轉(zhuǎn)動位移為

ui(t)=ui(t-Δt)+vi(t)Δt,

(5)

θi(t)=θi(t-Δt)+ωi(t)Δt,

(6)

式中:ui為顆粒i的位移量,m;θi為顆粒i的轉(zhuǎn)動角度,rad.

由此可以得到顆粒的位移,將位移值帶入力-位移關(guān)系計算新的作用力,循環(huán)計算,得到每個顆粒在任意時刻的運動.

2.3 虛擬吸熱量概念及熱效率的表達

在一定的干燥系統(tǒng)中,系統(tǒng)的熱效率表現(xiàn)為物料的干燥效果,而干燥效果可用單位物料在單位時間內(nèi)的水分蒸發(fā)量表示.在不計滾筒熱損失的情況下,把式(2)表示為

G1HG1+S1HS1=Q1+Q2+Q3,

(7)

式中:Q1為出口絕干空氣攜帶熱,J;Q2為出口水蒸氣攜帶熱,J;Q3為出口物料攜帶熱,J.

如果把氣相視為攜帶熱量的絕干空氣,則系統(tǒng)中物料減少的質(zhì)量等于水蒸氣增加的質(zhì)量;根據(jù)物料恒速干化階段規(guī)律,如果把水蒸氣質(zhì)量及其攜帶熱合并到物料中,即假設(shè)物料的質(zhì)量不發(fā)生變化;同時把水蒸氣的攜帶熱Q2稱為物料的虛擬吸熱量,其值只是數(shù)學(xué)意義上的假設(shè),并不是真實的吸熱量.那么系統(tǒng)吸熱量Q4為Q2與Q3之和.由此可以得到系統(tǒng)吸熱量,其原理如圖3所示.

圖3 物料干化平衡曲線圖

因此可以用物料溫度升高快慢來表征系統(tǒng)熱效率的高低,進而來描述物料在受熱蒸發(fā)時氣固兩相復(fù)雜的熱交換過程.得到熱效率的表達式為

(8)

式中Q為進入系統(tǒng)的總熱量,J.

類似的可以用系統(tǒng)氣相溫差來描述假設(shè)條件下系統(tǒng)的熱效率:

(9)

式中ΔT為氣相溫差,K.

2.4 仿真邊界條件設(shè)置

氣體相在Fluent軟件中求解,選擇非穩(wěn)態(tài)壓力基求解器;采用標準k-ε湍流模型;采用歐拉-歐拉耦合算法;設(shè)定氣體入口邊界為速度入口,大小為3.1 m·s-1;設(shè)定入口氣體溫度為400 K;設(shè)定出口邊界為壓力出口;設(shè)定筒體壁面為旋轉(zhuǎn)壁面,轉(zhuǎn)速為6 r·min-1;設(shè)定壁面熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.3,壁厚為5 mm;設(shè)定系統(tǒng)初始溫度為300 K.

固相顆粒在EDEM軟件中求解,顆粒-顆粒、顆粒-壁面間的相互作用采用Hertz-Mindlin無滑移接觸模型;顆粒與流體間采用Hertz-Mindlin熱傳導(dǎo)模型;設(shè)定顆粒比熱容為2 000 J·(kg·K)-1;設(shè)定筒體壁面為旋轉(zhuǎn)壁面,轉(zhuǎn)速為6 r·min-1;顆粒入口速度為0.5 m·s-1;顆粒初始溫度為300 K;顆粒生成速率21 g·s-1;設(shè)定EDEM時間步長為5×10-5s;其余參數(shù)根據(jù)前述某污泥干燥系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置,如表1所示.

表1 參數(shù)表

選取整個流體域為計算耦合區(qū)域,選取Wen-Yu阻力模型[16]、Gunn傳熱模型完成耦合模塊的設(shè)置.

3 仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

首先對有不同分布形式的揚料板的滾筒采用相同邊界條件進行雙向動力耦合仿真,得到仿真結(jié)果;接著對比仿真結(jié)果,分析顆粒運動,獲取氣固混合過程中顆粒物料的運動情況;對滾筒內(nèi)流體進行分析,獲取滾筒內(nèi)氣固兩相流作用下,流體流動狀態(tài);分析揚料板在滾筒內(nèi)的分布對物料在滾筒內(nèi)干燥效果的影響,同時提出影響干燥器干燥效果的結(jié)構(gòu)要素;對揚料板在滾筒內(nèi)的分布形式進行優(yōu)化;最后進行試驗驗證.

在實際生產(chǎn)中,回轉(zhuǎn)滾筒的入料端需要設(shè)置螺旋給料區(qū),以防止物料在入口處堆積;在出口處需要取消揚料板,以減少出口因揚料板引起的物料粉塵.文中僅考慮螺旋給料區(qū)和揚料區(qū).為了得到更為滿意的結(jié)果,對滾筒內(nèi)部揚料板分布進行多次優(yōu)化,限于篇幅原因,在此不贅述.現(xiàn)取3種不同的滾筒結(jié)構(gòu)形式下的仿真結(jié)果進行對比,如圖4所示.

圖4 滾筒干燥器形式

A型滾筒為前述某污泥干燥系統(tǒng)現(xiàn)用的揚料板結(jié)構(gòu);B型滾筒為整體式揚料板結(jié)構(gòu);C型滾筒為最終優(yōu)化后的揚料板結(jié)構(gòu).優(yōu)化過程中,不同滾筒其內(nèi)部揚料板耗材相等.參數(shù)如表2所示.

表2 揚料板分布參數(shù)

仿真開始運行時,滾筒為空滾筒,滾筒內(nèi)初始溫度為300 K,顆粒物料和熱氣流同時開始進入滾筒,系統(tǒng)運行50 s,均達到平衡狀態(tài),停止仿真.

3.1 顆粒分布對比

3種滾筒內(nèi)物料的溫度散點分布如圖5所示,從圖可以看出,在入料處由于物料與熱氣流的溫差最大,物料分布密度小,熱氣流速度大,故物料溫度升高速度快且均勻;在螺旋給料區(qū),由于物料與熱氣流的接觸面積小,物料溫度幾乎不發(fā)生變化,故減小螺旋給料區(qū)長度可提高物料干化效果;散點圖越分散,說明物料受熱越不均勻,斜率越小,溫度升高越緩慢.出口處3種滾筒的物料平均溫度約為305.2,306.0和306.1 K,由式(8)可求得C型滾筒較A型滾筒熱效率提高約17.3%.

圖5 t=50 s時3種滾筒內(nèi)物料的溫度散點圖

3種滾筒橫截面圖如圖6所示.如果軸向相鄰兩短揚料板之間有周向間隙,會導(dǎo)致在滾筒旋轉(zhuǎn)過程中部分物料從揚料板端部直接滑落至滾筒底部,錯過了與熱氣流進行熱交換的機會,可在間隙處設(shè)置銜接揚料板來避免這一情況發(fā)生.從滾筒截面上看,周向揚料板個數(shù)直接影響物料被揚起的次數(shù),個數(shù)越多,對物料干燥越有利.

圖6 t=50 s時3種滾筒橫截面圖

3.2 顆粒干化速率對比

物料平均溫度隨時間變化曲線如圖7所示.從圖中可以看出,隨著時間的推移,物料不斷加入,滾筒內(nèi)平均溫度隨時間變化曲線斜率可以得到干化速率;滾筒對物料的保有量越大,物料被揚料板揚起的次數(shù)也就越多,物料與熱氣流接觸的機會越多,物料干燥效果越好[17-18].雖然3種滾筒的入料速度一致,但從圖中可以看出三者達到平衡狀態(tài)的時間約為47.5,45.5和32 s,即C型滾筒對物料的保有量是A型的1.48倍.

圖7 物料平均溫度隨時間變化曲線

3.3 流場對比

滾筒截面流體速度和溫度云圖如圖8,9所示.由圖可以看出,流體進入滾筒后由于橫截面的突變,速度及溫度迅速降低;而在滾筒末端,流體速度大小變化不大;氣流在揚料板擾動作用下,其運動路徑發(fā)生變化.B型滾筒的出口段中心速度明顯小于周圍速度,這是因為整體式長揚料板對氣流的擾動作用大,能充分擾動揚料板周圍的流場,使熱氣流發(fā)生離心運動,形成氣流旋渦.由圖9可以看出,C型滾筒入口處高溫區(qū)面積最小,溫度下降最快,即氣相熱量快速傳給了物料;且出口處低溫區(qū)面積較大.即C型滾筒的熱效率最高.

圖8 t=50 s時滾筒截面流體速度云圖

圖9 t=50 s時滾筒截面流體溫度云圖

3.4 試驗及結(jié)果對比

試驗設(shè)備模型為A型和C型滾筒.考慮試驗的穩(wěn)定性和可重復(fù)性,選取經(jīng)隔膜壓濾機脫水的某市政污泥(含水約60%)經(jīng)初步造粒后,采用5 mm方孔篩出、4 mm方孔篩余后的污泥顆粒作為試驗物料,保證物料物理性質(zhì);采用漏斗入料,保證物料質(zhì)量流量;初始狀態(tài)下,在距滾筒出口10 cm處周向均布向內(nèi)5 cm的3個無線熱電偶測溫探頭監(jiān)測氣體實時溫度;3個數(shù)據(jù)取平均值減小測量誤差;從系統(tǒng)開始每隔5 s記錄一次數(shù)據(jù).試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)如圖10所示.

圖10 出口氣相溫度隨時間變化曲線

從圖10可以看出,試驗結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的誤差,試驗環(huán)境溫度高于仿真初始溫度,使試驗初始溫度偏高;試驗過程熱損失不可避免,10 s之后試驗值普遍低于仿真值;試驗時的測量誤差不可避免.但是出口氣相溫度試驗結(jié)果與仿真結(jié)果隨時間變化趨勢基本一致,表明仿真結(jié)果較可靠.

3.5 熱效率

由氣相溫度下降量,可反推物料升溫量,從而得到熱效率值.氣相溫差A(yù)型和C型仿真值分別為10.72和12.57 K,試驗值分別為15.2和16.9 K.

據(jù)式(9)可求得C型滾筒較A型滾筒仿真和試驗熱效率分別提高約17.3%,11.2%.仿真條件下熱效率提高值式(9)與式(8)計算結(jié)果一致.由于試驗條件下氣相和物相的物理性質(zhì)是變化的,且存在熱損失,與仿真條件下有異,故熱效率提高量試驗值低于仿真值.由此可以認為C型滾筒較A型滾筒熱效率提高11.2%以上.

4 結(jié) 論

1) 對于規(guī)格一定的污泥滾筒干燥器,其揚料板分布形式是影響熱效率的重要因素.

2) 減短滾筒入料端的螺旋給料區(qū)長度可促使物料快速參與揚料過程,有助于熱效率的提高;增加單塊間斷式揚料板長度,并在軸向相鄰兩塊揚料板之間在軸向上設(shè)置銜接揚料板,防止形成周向縫隙,以減少物料從揚料板端部滑落至筒體底部.

3) 文中研究模型在改進揚料板分布后,污泥滾筒干燥器熱效率提高11.2%以上.