雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)內(nèi)污泥含水率數(shù)值模擬

朱 雨，董金善，趙 悅，張森源

（南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

污泥是指在進(jìn)行污水處理過程中，通過各種分離方法脫水后產(chǎn)生的泥渣。若不經(jīng)過處理，污泥中往往含有重金屬、病原體及致病微生物等有害物質(zhì)，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染甚至危害到人體健康。為了便于對(duì)污泥進(jìn)行進(jìn)一步處理，通常會(huì)對(duì)污泥進(jìn)行不同程度的干燥處理［1-2］。干燥處理具有污泥適應(yīng)性強(qiáng)、操作過程安全穩(wěn)定等特點(diǎn)。常用的干燥設(shè)備有槳葉干燥機(jī)、回轉(zhuǎn)干燥機(jī)和流化床干燥機(jī)等，其中槳葉干燥機(jī)應(yīng)用最為廣泛。

很多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)污泥干燥進(jìn)行了相關(guān)研究。英國的Bradford公司最早設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)窯污泥干燥機(jī)，應(yīng)用于干燥污泥［3］。 Cofie O O 等［4］利用干燥床對(duì)下水污泥進(jìn)行固液分離，使可生物降解有機(jī)固體廢物的堆肥和衛(wèi)生處理效率及可靠性得到提高。饒賓期等［5］設(shè)計(jì)了一種用于干燥污泥的太陽能熱泵干燥系統(tǒng)，為太陽能熱泵在固廢處理領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考。司歡歡等［6］開發(fā)了一種新型尾氣自惰式循環(huán)污泥干燥閉路系統(tǒng)，采用此閉路循環(huán)系統(tǒng)減少了污泥干燥過程廢水、廢氣的排量，提高了熱量利用率。Tarek J J等［7］在FLUENT計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件中模擬了聚氯乙烯和濕式PVC污泥的流動(dòng)模式以及傳熱和傳質(zhì)過程，確定了氣相速度和溫度對(duì)最終產(chǎn)物的影響。MilhéM等［8］建立了連續(xù)污泥槳式干燥機(jī)模型，模擬了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中沿干燥機(jī)長度方向的溫度分布曲線。Hassine N B等［9］對(duì)干燥機(jī)內(nèi)傳熱和傳質(zhì)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了太陽輻射強(qiáng)度和空氣溫度對(duì)空氣-多孔介質(zhì)界面溫度、速度和質(zhì)量傳遞的時(shí)間與空間影響。孟亞峰［10］利用ANSYS有限元分析軟件，建立了轉(zhuǎn)筒式污泥干燥機(jī)的實(shí)體模型和數(shù)學(xué)模型，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)分析滾筒內(nèi)污泥流動(dòng)狀態(tài)。李斌斌等［11］采用MATLAB軟件對(duì)污泥干燥動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明污泥中網(wǎng)絡(luò)狀的絮體結(jié)構(gòu)不利于水分蒸發(fā)。胡國呈等［12］采用CFD方法對(duì)雙轉(zhuǎn)子空心圓盤干燥機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、蒸汽溫度和進(jìn)料量對(duì)干燥效果的影響。秦長江等［13-25］對(duì)槳葉式干燥機(jī)的性能等進(jìn)行了研究。

1 雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)物理模型與基本假設(shè)

1.1 物理模型

雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)實(shí)體模型由上蓋、殼體、槳葉軸、支座以及污泥進(jìn)出口、水蒸氣出口和觀察口等組成，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。此設(shè)備采用間接式干燥工藝，即在空心槳葉軸和殼體夾套中通入加熱蒸汽，通過熱傳導(dǎo)的形式為污泥干燥提供所需要的熱量。與直接式干燥工藝相比，間接式干燥工藝減少了利用載氣加熱時(shí)被出口氣體帶走的熱量，從而提高了熱量利用率。

圖1 雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示圖

由于在干燥過程中殼體內(nèi)壁面和槳葉軸外壁面的溫度幾乎不變，因此數(shù)值模擬時(shí)將殼體內(nèi)壁面和槳葉軸外壁面視為恒溫壁面。觀察口的作用是在干燥過程中便于觀察干燥機(jī)內(nèi)部工作情況，進(jìn)行流場模擬時(shí)可將其省略。簡化后的雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)流場計(jì)算模型見圖2a。使用FLUENT Meshing網(wǎng)格劃分模塊對(duì)雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于槳葉軸結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且作為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，需要對(duì)這部分設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格模型，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，因此選用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分之后的雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)量約200 萬（圖 2b）。

圖2 雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)流場計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.2 基本假設(shè)

在污泥干燥過程中，污泥通過進(jìn)料口進(jìn)入雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)，經(jīng)過槳葉軸攪拌、推動(dòng)，使污泥中的水分不斷蒸發(fā)，同時(shí)污泥顆粒被細(xì)化，最終達(dá)到干燥目的。

對(duì)干燥過程進(jìn)行如下假設(shè)：①干燥機(jī)的干燥對(duì)象由水和絕干污泥2種物質(zhì)組成。②濕物料由進(jìn)料口進(jìn)入干燥機(jī)時(shí)固液兩相均勻分布。③干燥機(jī)蒸汽出口的水分全部來自于污泥中水分蒸發(fā)形成的水蒸氣。

2 雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)模擬理論基礎(chǔ)

2.1 湍流模型

由于雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)干燥過程中槳葉軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，模擬時(shí)需考慮旋轉(zhuǎn)區(qū)域問題，因此選用 RNG k-ε 模型［26］，其湍流能量 k與耗散率 ε 方程如下：

其中

式（1）～式（6）中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；αk、αε分 別 為 k、ε 的 有 效 普 朗 特 數(shù) 的 倒 數(shù) ，αk=αε=1.39；Gk為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn) 生 項(xiàng) ；C1ε、C2ε為 模 型 常 數(shù) ，C1ε=1.42、C2ε=1.68；μ 為動(dòng)力黏度，μt為湍動(dòng)黏度，Pa·s；η為量綱一的應(yīng)變或平均流時(shí)間尺度與湍流時(shí)間尺度之比；η0為η在剪切流中的典型值，η0=4.377；β 為模型常數(shù)，β=0.012。

2.2 動(dòng)網(wǎng)格模型

干燥機(jī)槳葉軸在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其流體域模型邊界隨時(shí)間不斷發(fā)生變化，因此選用動(dòng)網(wǎng)格模型［27］。在FLUENT中，動(dòng)網(wǎng)格模型求解原理為，求解器根據(jù)計(jì)算域邊界運(yùn)動(dòng)后的新位置，自行完成每一時(shí)間步的體網(wǎng)格重新劃分，其守恒型方程為：

走好這條中國特色社會(huì)主義鄉(xiāng)村振興道路，需要強(qiáng)化制度供給、人才支撐、資金投入、法治保障等系列支持措施。2018年“一號(hào)文件”從領(lǐng)導(dǎo)體制、工作機(jī)制、隊(duì)伍建設(shè)、規(guī)劃引領(lǐng)、法治建設(shè)等方面對(duì)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略進(jìn)行了謀劃和部署。

式中，V為形狀和大小變化的控制體體積，m3；φ為通用變量；?V(t)為控制體體積運(yùn)動(dòng)邊界；→u為流體速度，為邊界網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)速度，m/s；→A為截面積，m2；Г 為耗散系數(shù)；Sφ為標(biāo)量 φ的源項(xiàng)。

3 雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)污泥干燥數(shù)值模擬

3.1 邊界條件

干燥機(jī)進(jìn)料口為速度進(jìn)口，進(jìn)口速度根據(jù)模擬工況的進(jìn)料速度設(shè)定，蒸汽出口和出料口設(shè)置為壓力出口。干燥機(jī)內(nèi)壁被夾套包圍的壁面和槳葉軸外壁面作為加熱面，在模擬時(shí)設(shè)置為恒溫壁面，壁面溫度根據(jù)模擬工況的熱源溫度設(shè)定。

通過查閱相關(guān)資料［28］，計(jì)算獲得的模型中主要涉及的污泥物性參數(shù)如下，污泥初始含水率68.03%，污泥進(jìn)料溫度20℃，絕干污泥顆粒直徑0.8 mm，絕干污泥的密度為 1 169 kg/m3、比熱容1 458 J/（kg·K）、導(dǎo)熱系數(shù) 0.07 W/（m·K）。

3.2 多相流模型選用

相比于歐拉模型對(duì)計(jì)算機(jī)的高性能要求，mixture混合物模型具有迭代容易收斂、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確及對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各相以相同速度運(yùn)動(dòng)的多相流求解中。因此，文中的多相流模型采用mixture混合物模型，主相為水蒸氣，次相為利用組分運(yùn)輸模型設(shè)置的污泥與液態(tài)水混合物料，其中液態(tài)水設(shè)置為次相的第一項(xiàng)。

4 雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)內(nèi)部污泥含水率模擬結(jié)果及討論

4.1 干燥機(jī)內(nèi)部含水率分布

為研究雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)內(nèi)部含水率的分布情況，模擬了干燥機(jī)在熱源溫度160℃、槳葉軸轉(zhuǎn)速8 r/min、進(jìn)料速度30 kg/h工況時(shí)的干燥過程。沿干燥機(jī)長度x方向，以x=200 mm為起點(diǎn)，每隔100 mm設(shè)定1個(gè)取樣點(diǎn)，得到了各取樣點(diǎn)截面的污泥平均含水率分布曲線，見圖3。

由圖3可知，干燥機(jī)中污泥平均含水率沿著干燥機(jī)的長度方向不斷發(fā)生變化，在x為200～500 mm區(qū)域，污泥平均含水率加速下降；在x為500～900 mm區(qū)域，污泥平均含水率勻速下降；在x為900～1 600 mm區(qū)域，污泥平均含水率減速下降。在干燥過程中，干燥機(jī)首端與尾部的污泥平均含水率下降幅度較小，中部區(qū)域的污泥平均含水率下降幅度較大。污泥由進(jìn)料口進(jìn)入干燥機(jī)后，先經(jīng)歷一段預(yù)熱階段，該階段的熱量主要用來提升污泥自身的溫度，因此污泥平均含水率下降幅度較小。隨著污泥溫度的升高，當(dāng)達(dá)到臨界溫度時(shí)，外部熱源傳遞給污泥的熱量全部用來汽化污泥中的水分，由此進(jìn)入含水率勻速下降階段。最終，污泥中的水分逐漸減少，平均含水率下降幅度逐漸減小。

圖3 雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)各取樣點(diǎn)截面污泥平均含水率

干燥機(jī)內(nèi)部計(jì)算區(qū)域x為400 mm、900 mm及1 500 mm截面的污泥含水率分布云圖見圖4。由圖4a可知，污泥進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)，攪拌距離短，攪拌不充分，污泥中含水率還較高。由圖4b可知，污泥與加熱壁面接觸區(qū)域含水率較低，隨著污泥料層變厚，污泥的含水率逐漸增大。隨著污泥中的水分不斷蒸發(fā)，污泥含水率降低，污泥的傳熱和傳質(zhì)阻力增大，干燥速率也逐漸減小。由圖4c可知，在干燥過程中，螺旋槳葉軸對(duì)污泥不斷攪拌，使其與加熱壁面充分接觸，此時(shí)污泥的含水率分布均勻，證明雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)具有較好的干燥效果。

圖4 雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)不同位置截面污泥含水率分布云圖

4.2 槳葉軸轉(zhuǎn)速對(duì)干燥效果的影響

在不改變其他操作條件的前提下，設(shè)置干燥機(jī)槳葉軸轉(zhuǎn)速分別為 6、7、8、9、10 r/min 這 5 種工況進(jìn)行多相流模擬。不同槳葉軸轉(zhuǎn)速下干燥機(jī)x=1 500 mm出口截面的污泥含水率分布云圖見圖5，干燥機(jī)出口污泥平均含水率見表1。

圖5 不同槳葉軸轉(zhuǎn)速下雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)出口截面污泥含水率分布云圖

表1 不同槳葉軸轉(zhuǎn)速下雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)出口污泥平均含水率

由圖5可知，不同槳葉軸轉(zhuǎn)速下干燥機(jī)出口截面的污泥含水率分布未出現(xiàn)不均勻的情況，證明槳葉軸模擬轉(zhuǎn)速取值合理。

從表1可知，其他操作參數(shù)不變情況下，提高干燥機(jī)槳葉軸轉(zhuǎn)速，出口污泥的平均含水率略有升高。這主要是因?yàn)樵陔p軸螺旋槳葉干燥機(jī)干燥過程中，隨著槳葉軸轉(zhuǎn)速的提高，污泥在干燥機(jī)內(nèi)停留的時(shí)間縮短，但螺旋槳葉軸對(duì)污泥的攪拌作用加強(qiáng)，最終導(dǎo)致槳葉軸在高轉(zhuǎn)速條件下的出口污泥平均含水率略高于低轉(zhuǎn)速條件下的出口污泥平均含水率，干燥效果不佳。同時(shí)，較高的轉(zhuǎn)速需要較大的電力負(fù)荷，成本會(huì)提高。因此，在雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)進(jìn)行干燥時(shí)不宜采用較大的轉(zhuǎn)速。但干燥機(jī)槳葉軸轉(zhuǎn)速過小會(huì)導(dǎo)致污泥停留在干燥機(jī)內(nèi)部，攪拌不充分，與加熱面接觸的濕物料不能及時(shí)更新。此外，槳葉軸對(duì)污泥也有推動(dòng)作用，槳葉軸轉(zhuǎn)速過小會(huì)使污泥在干燥機(jī)內(nèi)傳輸不暢，影響干燥效果。因此，槳葉軸轉(zhuǎn)速的選擇對(duì)干燥機(jī)干燥效率至關(guān)重要。

4.3 進(jìn)料速度對(duì)干燥效果的影響

在不改變其他操作條件的前提下，設(shè)置干燥機(jī)進(jìn)料速度為 26、28、30、32、34 kg/h 這 5 種工況進(jìn)行多相流模擬。不同進(jìn)料速度下干燥機(jī)x=1 500 mm出口截面的污泥含水率分布云圖見圖6，干燥機(jī)出口污泥平均含水率見表2。

圖6 不同進(jìn)料速度下雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)出口截面含水率分布云圖

表2 不同進(jìn)料速度下雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)出口污泥平均含水率

由圖6可知，當(dāng)干燥機(jī)進(jìn)料速度增大時(shí)，污泥料層厚區(qū)的含水率較高。這是由于增大污泥的進(jìn)料速度使干燥機(jī)內(nèi)部的污泥積壓，污泥料層熱阻增大，不利于物料層內(nèi)部傳熱過程的進(jìn)行，因此影響干燥效果。

從表2可知，其他操作參數(shù)不變時(shí)，隨著干燥機(jī)進(jìn)料速度的增大，出口污泥平均含水率升高。主要原因是當(dāng)干燥機(jī)進(jìn)料速度增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)需要被蒸發(fā)的水分增加，但由于外部熱源的溫度不變，用于干燥污泥的輸入熱量不變，所以單位體積污泥獲得的熱量減少，即單位體積污泥蒸發(fā)水量減少，導(dǎo)致出口污泥平均含水率升高。

5 結(jié)語

基于FLUENT計(jì)算流體力學(xué)模擬軟件，對(duì)雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)的干燥過程進(jìn)行多相流數(shù)值模擬。以出口污泥平均含水率為指標(biāo)，研究槳葉軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)料速度對(duì)雙軸螺旋槳葉干燥機(jī)干燥效果的影響。模擬結(jié)果分析表明，①在干燥過程中，污泥平均含水率沿著干燥機(jī)長度方向變化，規(guī)律為先加速下降再勻速下降，最后減速下降。加熱壁面與污泥接觸區(qū)的含水率較低，且隨著污泥變厚，污泥含水率逐漸增大。②干燥機(jī)槳葉軸轉(zhuǎn)速加快時(shí)，出口污泥平均含水率升高。這是由于槳葉軸旋轉(zhuǎn)對(duì)污泥起到了輸送作用，槳葉軸轉(zhuǎn)速加快使污泥輸送加快，污泥在干燥機(jī)中停留時(shí)間縮短，導(dǎo)致出口污泥平均含水率升高。③出口污泥平均含水率隨污泥進(jìn)料速度的增大而升高。主要原因是當(dāng)污泥進(jìn)料速度增大時(shí)，單位體積污泥獲得的熱量減少，并且進(jìn)料速度增大使干燥機(jī)內(nèi)部污泥積壓，污泥料層熱阻增大，影響干燥效果，致使出口污泥平均含水率升高。