臥式薄層干化機(jī)內(nèi)壁磨損失效形式及機(jī)理研究

黃飛達(dá) 汪 敏 范洪遠(yuǎn)

（1、四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610011 2、成都市排水有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

1 概述

污泥是污水處理過程中的副產(chǎn)物，富含大量有機(jī)質(zhì)，而干化機(jī)可將污泥干化后再焚燒，是現(xiàn)階段污泥無害化處置的一種有效手段[1]，我國在近十幾年相繼建成污泥處置廠數(shù)十座[2]。單臺臥式薄層干化機(jī)設(shè)計使用年限為30 年。由于該型干化機(jī)在工作時其定子內(nèi)壁（以下簡稱內(nèi)壁）與污泥直接接觸且無法更換，因此干化機(jī)壽命的長短直接取決于內(nèi)壁磨損程度。本文基于成都某公司于2013 年投入使用的兩臺正在運(yùn)營的進(jìn)口某型臥式薄層干化機(jī)（以下簡稱干化機(jī)）的相關(guān)情況展開研究。

該型干化機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子以及驅(qū)動裝置三部分組成[3]總體外觀見圖1。定子內(nèi)壁內(nèi)徑2m、長12m，外附加熱夾套以便熱交換。內(nèi)壁出廠時最小厚度為27mm，約由22mm 厚的鍋爐鋼P(yáng)265GH 和5mm 厚的耐磨層NAXTRA700 復(fù)合而成，其成分分別見表1、表2；轉(zhuǎn)子與電機(jī)主軸相連，運(yùn)行轉(zhuǎn)速約為98r/min，表面設(shè)有652 枚按一定規(guī)律布置的葉片，葉片頂端距內(nèi)壁7～10mm。工作時，濕污泥從定子下方進(jìn)料口進(jìn)入干化機(jī)內(nèi)腔，被轉(zhuǎn)動的葉片均勻的涂抹在定子內(nèi)壁，與夾套內(nèi)的水蒸氣進(jìn)行熱量交換[4]。在此過程中，污泥不斷失水逐漸脫離內(nèi)壁，被葉片順序帶到出料口以備焚燒。

圖1 干化機(jī)總體外觀

表1 P265GH 的化學(xué)成分

表2 化學(xué)成分

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 干化機(jī)內(nèi)壁磨損測量

為了解干化機(jī)內(nèi)壁磨損情況，停產(chǎn)時抽出轉(zhuǎn)子并清空污泥后采用超聲波測厚的方式對干化機(jī)內(nèi)壁(定子)進(jìn)行取樣測量。采用打點(diǎn)取樣法取樣，所選樣點(diǎn)均位于定子內(nèi)壁周向0°、90°、180°、270°方向上沿軸向延伸的4 條直線上，每隔約0.5m 選取一個樣點(diǎn)進(jìn)行厚度測量和數(shù)據(jù)記錄。將干化機(jī)內(nèi)壁抽象成一個圓柱形筒體，取點(diǎn)示意圖如圖2 所示，取樣現(xiàn)場如圖3 所示。

圖2 干化機(jī)取樣點(diǎn)的選取示意圖

圖3 干化機(jī)內(nèi)部取樣現(xiàn)場圖片

2.2 干化機(jī)內(nèi)壁腐蝕試驗(yàn)

干化機(jī)因加熱夾套內(nèi)充有熱蒸汽，故屬于壓力容器，無法對干化機(jī)內(nèi)壁進(jìn)行切割取樣。因此分別采集干化機(jī)出料口污泥、干化機(jī)內(nèi)壁表面刀片刮收集的黑色粉末用于EDS 和XRD 分析試驗(yàn)以便研究干化機(jī)內(nèi)壁腐蝕情況。污泥樣品于2022 年2 月取自處于維修期間的干化機(jī)出料管道，黑色粉末樣品于2020 年11 月取自干化機(jī)內(nèi)壁中間偏上位置。表5 為EDS 的試驗(yàn)結(jié)果，圖7 為X 射線衍射圖譜。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 測量結(jié)果

圖4 是由2015、2017、2019 年三次在0°、90°、180°、270°四個方向測量的干化機(jī)內(nèi)壁相對厚度取平均值制得（單位：mm）。圖5 是由2015、2017、2019 年三次測量數(shù)據(jù)按每2m 為一個區(qū)間，對區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)平均后制得（單位：mm）。2019 年已在專家指導(dǎo)下對干化機(jī)部分區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，故無近兩年厚度測量數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

出料口的污泥EDS 和XRD 試驗(yàn)結(jié)果分別見表3、圖6。圖6 干化機(jī)內(nèi)壁刮取物中FeS2的四個較強(qiáng)衍射峰（非最強(qiáng)峰）與標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS No.74-1015）所示峰基本重合的四個峰，衍射峰從小到大所對應(yīng)的晶面依次均為（220）、（130）、（310）、（122）。圖7 中其他較強(qiáng)峰經(jīng)與SiO2（JCPDS No.79-1910）比照后確定均為SiO2的衍射峰。

圖6 干化機(jī)內(nèi)壁刮取物X 射線衍射圖譜

表3 干化機(jī)內(nèi)壁表面刮取物主要成分

干化機(jī)內(nèi)壁刮取粉末EDS 和XRD 分析試驗(yàn)分別見表4、圖7。其中C33H17N3O7為含有3 個硝基的苯并[K]熒蒽與9-芴酮的化合物，其最高峰與衍射圖譜的最高峰幾乎完全對照，三個峰與標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS No.15-1118）所示峰基本重合。樣品中其他有機(jī)還包括大量有機(jī)物及純碳，無機(jī)物峰值最為明顯、對照最好的是CaO、SiO2二者按任意配比形成的的Si、Ca 水化物，其存在條件為180℃以下（干化機(jī)加熱蒸汽溫度約135℃），常溫為凝膠態(tài)，常見于水泥。

圖7 干化機(jī)出料口污泥X 射線衍射圖譜

表4 測得干污泥的主要組成成分

4 干化機(jī)內(nèi)壁測量分析

干化機(jī)內(nèi)壁腐蝕磨損影響因素主要有位置、時間、溫度、磨料及腐蝕介質(zhì)。通過上述圖標(biāo)，結(jié)合影響因素對干化機(jī)內(nèi)壁的磨損會有以下三點(diǎn)發(fā)現(xiàn)及分析：

4.1 隨使用時間延長磨損加速

圖4 可以直觀地看出，干化機(jī)內(nèi)壁在2017-2019 年間所有樣點(diǎn)的厚度平均減少量（1.75mm）明顯大于2015-2017 年的損耗厚度（0.99mm），說明干化機(jī)內(nèi)壁的磨損速度在加快。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因主要為干化機(jī)內(nèi)壁表面的耐磨層（NAXTRA700）厚度約為5mm 的高碳鋼，當(dāng)某位置實(shí)測厚度小于22mm 則意味著高碳鋼被磨損耗盡（如圖3），而其內(nèi)部硬度和耐磨性較差的鍋爐鋼（P265GH，為中碳鋼）就會暴露。在磨料不變的情況下，硬度降低將導(dǎo)致干化機(jī)內(nèi)壁局部耐磨性變差，磨損速度加快。

圖4 各角度相對厚度減少比照

4.2 沿定子長度（污泥運(yùn)動）方向的磨損

圖5 按軸向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯苫瘷C(jī)內(nèi)壁從進(jìn)料口至出料口方向，總體磨損量總體不斷增加，造成此現(xiàn)象的原因是：水有一定的流動性和潤滑性，污泥在進(jìn)料口時含水率較高且溫度較低，隨著葉片對污泥的不斷推進(jìn)和定子夾套對污泥的不斷加熱，污泥的水分不斷散失，部分類似紡錘狀的污泥表面水分散失速度較快，表面硬度增加，前進(jìn)過程中會與干化機(jī)內(nèi)壁的磨損不斷增強(qiáng)。干化機(jī)出口端污泥平均含水率在65%～70%左右，但由于污泥與干化機(jī)內(nèi)壁是通過熱交換的方式進(jìn)行烘干，使得污泥表面的含水率會低于其內(nèi)部的含水率，局部外表含水率會低于60%。當(dāng)含水率降至60%時，污泥內(nèi)部雖然是稀泥，但表面容易結(jié)塊，使得污泥表面較為堅硬[5]。由于干化機(jī)葉片在運(yùn)行中可能會產(chǎn)生一定的松動且干化機(jī)內(nèi)壁厚度并非全部一致，所以當(dāng)個別污泥塊體積較大或個別位置葉片與干化機(jī)內(nèi)壁邊距較小時，污泥所受葉片的壓應(yīng)力增加，使污泥在移動的過程中與干化機(jī)內(nèi)壁的摩擦應(yīng)力會顯著增加，并在污泥的堅硬外殼被壓碎后還會發(fā)生粘壁和板結(jié)現(xiàn)象[5]，使干化機(jī)內(nèi)壁的磨損加劇。同時，由于加熱作用，干化機(jī)進(jìn)口端到出口端的溫度由20℃逐漸上升至105℃，溫度的上升促進(jìn)了磨損的加劇。

圖5 各長度區(qū)間相對厚度減少比照

4.3 沿定子周向磨損

圖4 按周向位置對比可以看出，干化機(jī)內(nèi)壁在180°方向（底部）磨損量最小。在干化機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，污泥由于受到重力的作用，主要占據(jù)干化機(jī)底部分位置。干化機(jī)底部主要受到污泥的腐蝕和磨損。由于底部污泥含水量大，污泥中的磨粒對內(nèi)壁的磨損減小，磨損更多表現(xiàn)為含泥水流對內(nèi)壁的沖蝕。且由于水封作用，底部內(nèi)壁基本不受腐蝕性氣體作用，最終導(dǎo)致干化機(jī)內(nèi)壁在180°方向上磨損量最小。未被污泥覆蓋的上半部分則主要受到水汽和污泥在加熱過程中產(chǎn)生的氣體和氣流的作用。因?yàn)楦苫瘷C(jī)屬于壓力容器，所以在運(yùn)行期間，其內(nèi)部的氣體成分暫未進(jìn)行檢測。干化機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一周，理論上對干化機(jī)同一周向上的內(nèi)壁產(chǎn)生的磨料磨損相同。存在干化機(jī)未被污泥覆蓋的上半部分磨損程度較下半部分更大的現(xiàn)象，則說明干化機(jī)運(yùn)行時其內(nèi)部的氣體造成腐蝕磨損和氣流沖刷作用對定子內(nèi)壁的損傷更大。

4.4 干化機(jī)腐蝕磨損機(jī)理

在污泥接收倉（干化機(jī)進(jìn)料來源的儲存緩沖倉）所在的非完全密閉空間內(nèi)，H2S 的監(jiān)測儀表顯示濃度為約為0-0.25mg/m3，其他相關(guān)文獻(xiàn)也提及干化機(jī)在對污泥干化的過程中會產(chǎn)生H2S[6]。腐蝕性氣體的存在為FeS2的產(chǎn)生提供了腐蝕劑（3.2中敘述已確定該物質(zhì)的存在）。FeS2是一種疏松多孔的物質(zhì)，它的存在有利于水和腐蝕性物質(zhì)在干化機(jī)內(nèi)壁的貯藏和接觸，從而加速污泥對干化機(jī)內(nèi)壁的腐蝕速度。腐蝕與磨損的耦合加劇磨損，磨損產(chǎn)生新鮮表面加速腐蝕，這種機(jī)理多發(fā)生在有腐蝕性介質(zhì)的工況條件下。根據(jù)干化機(jī)的實(shí)際工況，腐蝕磨損并不是單一存在的，還伴隨污泥相對運(yùn)動產(chǎn)生的切削磨損，被切削下來的材料，與車床、刨床的切屑十分相似，只是體積較小。綜上所述，在干化機(jī)運(yùn)行過程中，其內(nèi)壁的主要磨損形式是腐蝕與磨損交織，對干化機(jī)內(nèi)壁起到了雙重破壞。

5 結(jié)論

5.1 干化機(jī)內(nèi)壁磨損主要為污泥的腐蝕和磨損的耦合作用。

5.2 干化機(jī)內(nèi)壁的磨損具有從進(jìn)料端至出料端磨損逐漸增強(qiáng)、內(nèi)壁底部以外部分比底部磨損更嚴(yán)重以及耐磨層耗盡后磨損速度會加快的特點(diǎn)。