洗煤廠污泥與木屑混合熱解傳熱過程模擬

0 引言

洗煤廠污水污泥含水率高，富集了污水中的有毒有害物質(zhì)，但有機(jī)成分含量高，具有較高的能源利用價(jià)值，非常適宜于熱解處理

。熱解技術(shù)可實(shí)現(xiàn)重金屬固化，其氣、固、液相產(chǎn)物還有極大的利用價(jià)值

，但高含水率導(dǎo)致的能耗問題卻制約著該技術(shù)的發(fā)展。課題組前期發(fā)現(xiàn)添加木屑做助濾劑可強(qiáng)化脫水效果，大幅降低熱解前期能耗，提高了污泥熱解技術(shù)應(yīng)用的可行性

。熱解反應(yīng)是一系列復(fù)雜物理化學(xué)變化的耦合，污泥內(nèi)不同物質(zhì)的各相異性、顆粒粒徑及氣相析出的擴(kuò)散效應(yīng)等都會(huì)影響熱量傳遞效果。基于此，在前期研究基礎(chǔ)上對(duì)洗煤廠污泥、木屑混合熱解傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，以期對(duì)污泥熱解工藝及設(shè)備研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 污泥木屑混合熱解傳熱過程建模

1.1 幾何模型與基本假設(shè)

洗煤廠污泥（以下簡(jiǎn)稱“污泥”）添加木屑（質(zhì)量比8:2）經(jīng)機(jī)械壓榨后進(jìn)行破碎，破碎顆粒多呈無特定規(guī)則塊狀，為簡(jiǎn)化計(jì)算，文中選取單體球形顆粒進(jìn)行建模（如圖1所示）。

污泥與木屑以特定比例混合均勻，內(nèi)部物質(zhì)各向均布。顆粒在高溫環(huán)境下與惰性介質(zhì)進(jìn)行對(duì)流換熱與輻射傳熱，熱量經(jīng)熱傳導(dǎo)作用向內(nèi)部傳遞。當(dāng)溫度上升至有機(jī)質(zhì)熱解起始溫度時(shí)，有機(jī)質(zhì)裂解生成氣相大分子焦油類物質(zhì)及其它不凝性氣體，氣體迅速析出顆粒表層并帶走部分熱量。為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)熱解傳熱過程作了如下合理的簡(jiǎn)化與假設(shè)：

坡腳道路工程受邊坡影響長(zhǎng)度為邊坡的走向長(zhǎng)度150 m，道路工程包括路基和路面，參照福建高速公路的造價(jià)，路基工程每延米造價(jià)2.2萬元，路面工程每延米造價(jià)0.9萬元，故公路工程直接損失為465萬元。

1）熱解過程生成的氣-固相處于局部熱平衡狀態(tài)，熱量沿徑向傳遞，不考慮體積收縮與膨脹。

邊界條件：熱解起始溫度為298 K；顆粒內(nèi)部溫度均勻，中心

=0處，

=0；氣相產(chǎn)物、焦炭及水蒸氣初始密度為0；顆粒表層邊界

＞0，

=R時(shí)，按式(3)處理。

3）不考慮污泥與木屑的協(xié)同或抑制效應(yīng)及無機(jī)物的催化作用，無機(jī)質(zhì)只發(fā)生能量傳遞而不參與反應(yīng)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

污泥與木屑反應(yīng)活性差異較大，數(shù)學(xué)模型中作分別計(jì)算，將熱解反應(yīng)過程視為單組分單步化學(xué)反應(yīng)直接生成固態(tài)產(chǎn)物和氣態(tài)析出物。干化過程中結(jié)合水析出較為困難，主要受控于顆粒內(nèi)部溫度梯度及擴(kuò)散速率等因素，而前期研究發(fā)現(xiàn)污泥中水分析出與有機(jī)質(zhì)熱解溫度區(qū)間并無重合。因此，從宏觀角度出發(fā)將干化過程視作一級(jí)化學(xué)反應(yīng)過程，將水的界面蒸發(fā)與擴(kuò)散活化能耦合定義為水分析出的表觀活化能，并將汽化潛熱假定為具有吸熱效應(yīng)的內(nèi)熱源

。采用非等溫?zé)釀?dòng)力學(xué)方程對(duì)水分析出過程進(jìn)行描述，反應(yīng)速率常數(shù)借鑒

方程，如式（1）所示。

式中，

為污泥水分析出率/%；

為等效表觀活化能/kJ/mol；

為等效頻率因子/min

；

為氣體常數(shù)；

為絕對(duì)溫度/K。

圖4為半徑5 mm干燥污泥顆粒在870 K恒溫?zé)峤鈺r(shí)傳熱模擬結(jié)果。圖4（a）為不同位置處溫度與升溫速率對(duì)比。由局部放大可看出，受熱量傳遞方向性的影響，不同徑向位置始終存在明顯的溫度差，最大可達(dá)60 K，升溫速率也有較明顯差異。此外，升溫速率曲線存在兩個(gè)明顯的波峰，其中第一個(gè)是顆粒內(nèi)外瞬時(shí)溫差而導(dǎo)致內(nèi)部溫度的快速升高，此階段越靠近外表面升溫速率越大；第二個(gè)波峰則是有機(jī)質(zhì)熱解反應(yīng)致使污泥內(nèi)部成分改變，進(jìn)而引起相關(guān)參數(shù)變化所造成的。圖4（b）為熱解過程不同位置轉(zhuǎn)化率與轉(zhuǎn)化速率對(duì)比。因不含水分，在低溫階段無失重發(fā)生，故在達(dá)到熱解溫度后有機(jī)物質(zhì)開始熱解。受溫度梯度的影響，可以觀察到顆粒中心相比表層熱解完成時(shí)間有約10 s的滯后，最大轉(zhuǎn)化速率相比降低約17%。

單位體積內(nèi)能量變化應(yīng)由表層能量傳遞、水分汽化與熱解反應(yīng)熱及氣態(tài)產(chǎn)物析出擴(kuò)散熱量綜合確定，據(jù)此列出污泥顆粒熱解能量平衡方程如式（2）：

（13）心理咨詢師[Ag]在咨詢關(guān)系建立之前，必須讓[Pro][[求助者[Af-Cog]了解[Pro]心理咨詢工作的性質(zhì)、特點(diǎn)和這一工作可能的局限[Ph]]。

2）熱解氣相產(chǎn)物為理想氣體，其中氣態(tài)大分子焦油類產(chǎn)物不發(fā)生二次裂解，固相產(chǎn)物為多孔介質(zhì)焦炭，物性參數(shù)分布均勻。

式中，

T

和

T

分別為熱解氣氛溫度與污泥顆粒表面溫度/K；

為污泥顆粒表面導(dǎo)熱系數(shù)/W/(m·K)；

為氣氛與顆粒表面的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m

·K)；

為顆粒發(fā)射率。

從圖6（a）中心處溫升與升溫速率曲線可以看出，顆粒粒徑的差異導(dǎo)致內(nèi)部溫度演變過程大不相同。3 mm顆粒熱解速度極快，當(dāng)其完成熱解時(shí)10 mm樣本中心尚未達(dá)到有機(jī)質(zhì)的熱解起始溫度，其最大升溫速率相比增大650%，二次波峰也超前近150 s。此外，從圖6（b）顆粒中心轉(zhuǎn)化率與轉(zhuǎn)化速率曲線也可以看出，3 mm顆粒約30 s可完成熱解，最大轉(zhuǎn)化速率為2.8%/s；而10 mm顆粒的熱解完成時(shí)間滯后170 s，最大轉(zhuǎn)化速率降低約82%。

2 結(jié)果與討論

2.1 計(jì)算結(jié)果與驗(yàn)證

據(jù)悉，珠海轄區(qū)虎跳門水道是海船進(jìn)出西江的交通要道，水道彎曲狹長(zhǎng)，通航環(huán)境復(fù)雜，船舶主要以大型散貨船、油船為主，監(jiān)管難度大，且周邊渡口、橋梁眾多，為更好地做好“平安西江”建設(shè)，珠海海事局召開斗門轄區(qū)水上交通安全監(jiān)管專題會(huì)議，將“海躉1556”調(diào)整至斗門鳘魚沙設(shè)立監(jiān)管點(diǎn)，作為轄區(qū)“平安西江”建設(shè)的前沿陣地和橋頭堡。

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，文中選取相同物性參數(shù)將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)［4］中實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比（如圖3所示）。圖中為顆粒半徑7.5 mm，熱解溫度

T

分別為660 K和730 K時(shí)中心溫度發(fā)展過程?？梢钥吹椒抡婺Ｐ颓€與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)吻合良好，但隨溫度上升，模擬結(jié)果較實(shí)驗(yàn)值偏差稍有增大，這與文獻(xiàn)［4］中的結(jié)果具有一定的相似性，原因可能在于高溫階段熱解反應(yīng)更為復(fù)雜，模型所采用的參數(shù)出現(xiàn)一定的偏差，但總體與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，可以較好地反映物質(zhì)熱解時(shí)熱量傳遞過程。

熱解分步反應(yīng)模型如圖2所示，其中，

、

分別為污泥與木屑的熱解反應(yīng)表觀活化能，將有機(jī)質(zhì)熱解動(dòng)力學(xué)方程、水分析出動(dòng)力學(xué)方程與能量平衡方程耦合進(jìn)行求解。

式中，

為反應(yīng)時(shí)間/s；

、

分別為物質(zhì)的密度/kg/m

與定壓比熱容/kJ/(kg·℃)；下標(biāo)

、1、2、3、s、

、

分別代表水分、污泥有機(jī)相、木屑、無機(jī)相、固態(tài)產(chǎn)物、氣態(tài)產(chǎn)物與水蒸氣；

為污泥顆粒的有效導(dǎo)熱系數(shù)/W/(m·℃)；

為熱解反應(yīng)層位置/m；Δ

、Δ

分別為污泥有機(jī)相、木屑熱解的反應(yīng)熱/kJ/kg；Δ

為水分蒸發(fā)過程等效反應(yīng)熱/kJ/kg。

2.2 熱解溫度對(duì)傳熱過程影響

大量實(shí)驗(yàn)研究表明溫度對(duì)于熱解過程影響非常明顯，對(duì)半徑5 mm的干污泥顆粒在不同熱解溫度（773，873，973和1 173 K）下的傳熱過程進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。

解析：n(混合氣體)5mol,根據(jù)體積分?jǐn)?shù)與物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)相等,則n(CO2)=5mol×0.48=2.40 mol。CO2被完全吸收,NaOH也完全反應(yīng),則反應(yīng)的產(chǎn)物可能是Na2CO3(此時(shí)NaOH的濃度最大)、NaHCO3(此時(shí)NaOH的濃度最小),或Na2CO3和NaHCO3的混合物。用極值思想分析兩個(gè)特殊情況:CO2+NaOH==NaHCO3,n(NaOH)=n(CO2)=2.40mol,則CO2+2NaOH==Na2CO3+H2O,n(NaOH)=2n(CO2)=4.80 mol,則

圖5（a）為顆粒中心升溫與升溫速率曲線，可以看到熱解溫度越高則顆粒中心點(diǎn)的升溫速率越高，#4樣本最大升溫速率約為11.7 K/s，比#1樣本升高超過80%，升溫速率曲線二次波峰也相比提前了約40 s。圖5（b）為顆粒中心轉(zhuǎn)化率與轉(zhuǎn)化速率對(duì)比曲線。圖中可以看到失重速率隨熱解溫度的升高迅速增大，失重速率波峰提前出現(xiàn)，導(dǎo)致高、低溫?zé)峤馔瓿蓵r(shí)間差達(dá)到40 s左右。

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的逐步完善，高校國(guó)有資產(chǎn)管理面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素也在增多。要加強(qiáng)高校國(guó)有資產(chǎn)管理應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的能力，首先有一點(diǎn)，就是要將傳統(tǒng)的事后管理變?yōu)槭虑肮芾?。建立相關(guān)財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)預(yù)警機(jī)制，實(shí)時(shí)追蹤和反映國(guó)有資產(chǎn)管理的財(cái)務(wù)指標(biāo)和數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)存在或者潛在的問題，盡可能避免在國(guó)有資產(chǎn)管理過程中的決策失誤，并盡量降低國(guó)有資產(chǎn)管理經(jīng)營(yíng)中的風(fēng)險(xiǎn)，保證國(guó)有資產(chǎn)的保值增值，防止國(guó)有資產(chǎn)的流失［3］。

2.3 顆粒粒徑對(duì)傳熱過程影響

實(shí)際工業(yè)過程中脫水污泥經(jīng)過破碎運(yùn)輸后，顆粒分布范圍較寬，不同爐型對(duì)入料粒徑也有要求，而粒徑對(duì)熱解傳熱影響較大。文中對(duì)873 K熱解溫度時(shí)，

=3，5，8和10 mm的干污泥顆粒熱解傳熱情況進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖6所示。

污泥性質(zhì)差異性較大，文中部分參數(shù)參考多篇文獻(xiàn)取常數(shù)

，部分參數(shù)見表1。熱解表觀活化能分別為64 kJ/mol和150 kJ/mol，反應(yīng)級(jí)數(shù)

=5。傳熱模型采用有限差分法進(jìn)行離散處理，高斯消元法進(jìn)行迭代求解。

今天的訓(xùn)練到此結(jié)束，直到睡覺前時(shí)間都可以自由支配。夢(mèng)寐以求啊，一想到這點(diǎn)，我就感覺有點(diǎn)眩暈，盡管我也知道，這可能是過度疲勞導(dǎo)致的。

綜上所述，對(duì)蝦殼的利用技術(shù)正在逐步優(yōu)化、改良和發(fā)展。傳統(tǒng)的酸堿法可以有效地提取出蝦殼的甲殼素，但存在諸多弊端，酶法的優(yōu)點(diǎn)是條件溫和，避免污染，工藝簡(jiǎn)單，且酶解液中的鈣和蛋白質(zhì)等成分可回收利用，由于有機(jī)酸的酸性較低，不易導(dǎo)致甲殼素水解，與發(fā)酵法一樣，可獲得高分子甲殼素，但是其制約因素為生產(chǎn)成本過高和資源綜合率不高；微生物發(fā)酵法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和，對(duì)環(huán)境友好，可以得到較高分子量的甲殼素，且蛋白質(zhì)、蝦青素等成分也能回收利用，同時(shí)可以發(fā)酵得到堿性蛋白酶、甲殼素脫乙酰酶和抗菌化合物等高附加值的產(chǎn)物。

2.4 含水率對(duì)傳熱過程影響

研究表明，污泥中適量水分可以增加原料中的氫元素，并在高溫時(shí)促進(jìn)二次裂解反應(yīng)進(jìn)行，增大合成氣產(chǎn)量。對(duì)含水率分別為0、25%和50%，

=10 mm的污泥顆粒在873 K溫度熱解過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖7所示。

從圖7（a）溫度與升溫速率曲線可以看到，前期水分蒸發(fā)需要消耗大量熱量，致使曲線間呈現(xiàn)較大差異。#1與#3樣本中心處溫差可達(dá)280 K，這種溫差使得同時(shí)刻樣本間物性參數(shù)與反應(yīng)速率出現(xiàn)不同，故#1樣本最大升溫速率相比#3增大超過250%，熱解所需時(shí)間也隨之延長(zhǎng)。當(dāng)溫度繼續(xù)升高至熱解起始溫度后有機(jī)成分開始分解，可在圖7（b）轉(zhuǎn)化率與轉(zhuǎn)化速率曲線中看到，濕污泥曲線有兩個(gè)波峰，含水率越高則前期水分析出的一次波峰越寬，位置也越滯后。原因在于較慢的水分蒸發(fā)速率會(huì)使顆粒內(nèi)呈現(xiàn)較大溫度梯度，進(jìn)而導(dǎo)致外層熱解反應(yīng)與內(nèi)層水分蒸發(fā)同時(shí)存在，這與文獻(xiàn)［11］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

1）熱解過程污泥顆粒內(nèi)部存在一定溫度梯度，內(nèi)部各處升溫速率與轉(zhuǎn)化速率均有差異，且溫度演變并不隨熱解溫度升高而線性變化。

2）污泥顆粒越大內(nèi)部溫度梯度越大，熱解完成時(shí)間隨顆粒粒徑的增大而急劇增加且不成比例，最大轉(zhuǎn)化速率也迅速減小并有一定延遲。

3）污泥中水分會(huì)大幅延緩熱解完成時(shí)間，同時(shí)內(nèi)部溫度梯度極大，但當(dāng)顆粒尺寸較大時(shí)，內(nèi)部水分析出會(huì)與表層熱解反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，可使析出水蒸氣參與熱解反應(yīng)，進(jìn)而提高熱解合成氣品質(zhì)。

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