濕污泥低溫?zé)犸L(fēng)干化特性及其數(shù)值模擬分析

袁世震,余帆,盧如飛*,羅振興,陳穎泉,王偉,曹操,胡艷軍*

(1.金華寧能熱電有限公司,浙江 金華 321000;2.浙江工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程研究所,浙江 杭州 310023;3.中國聯(lián)合工程有限公司,浙江 杭州 310052)

污泥是由污水處理后所產(chǎn)生的成分復(fù)雜的沉淀物,干化處理是污泥終端處置的必要環(huán)節(jié)。而污泥特性、干化溫度、濕度、空氣流動(dòng)狀態(tài)等諸多因素都會影響污泥干化效果。利用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對污泥干化特性進(jìn)行研究有助于我們深入了解污泥的干化機(jī)理,提高污泥干化的效率,優(yōu)化污泥干化工藝。數(shù)值模擬首先需要選擇與建立反映本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型,再基于能夠模擬各種流動(dòng)場景的流體力學(xué)仿真軟件模擬污泥干化場景,對污泥的傳質(zhì)傳熱效應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。近年來,污泥干化特性的相關(guān)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬分析研究引起了國內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)于的廣泛關(guān)注。

Muller和Satoetal等人[1]對污泥干化特性進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)污泥與其他多孔介質(zhì)類物質(zhì)干化特性差別很大污泥水分主要的存在形式分為四種:表面吸附水、內(nèi)部結(jié)合水、毛細(xì)結(jié)合水和間隙水。Ohm等人[2]認(rèn)為污泥干化過程可以分為三個(gè)階段,分別是預(yù)熱階段、恒速階段和降速階段,預(yù)熱階段時(shí),污泥表面的自由水溫度迅速增加到與熱空氣的溫度系統(tǒng)。張緒坤等人[3]研究發(fā)現(xiàn)污泥低溫干化過程可以分為升速階段和降速階段兩個(gè)階段,對于低溫干化來說溫度對污泥干化影響程度最大,風(fēng)速和污泥厚度次之。Zhang等人[4]在真空條件下利用熱泵技術(shù)對污泥干化特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),污泥主要脫水過程發(fā)生在干化過程的降速階段。Danish等人[5]對污泥經(jīng)過化學(xué)處理和未經(jīng)過化學(xué)處理的干化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明經(jīng)過化學(xué)處理的污泥干化速度隨著干化溫度的升高而升高。

數(shù)值模擬對濕物料干化過程傳熱傳質(zhì)的研究具有省時(shí)、節(jié)能、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn),因此許多學(xué)者利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對含濕性多孔介質(zhì)的干化過程進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究。Ranjbaran M等人[6]利用CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))中的FLUENT軟件對水稻干化過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,將數(shù)學(xué)模型編入到UDF(用戶自定義函數(shù))并在FLUENT軟件中對水稻干化過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,最后表面數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。Piotr Krawczyk等[7]在太陽能干化條件下對污泥干化過程中傳熱傳質(zhì)進(jìn)行二維數(shù)值模擬,將建立的數(shù)學(xué)模型編寫成UDF程序并在FLUENT軟件中對污泥干化過程數(shù)值模擬計(jì)算,最后對模擬結(jié)果進(jìn)行分析與說明。Ilhem Hamdi等人[8]對葡萄利用太陽能的干化過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬,選用的數(shù)學(xué)模型模擬值與水分變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一致性。Carlescu P M等人[9]利用CFD軟件對杏的干化過程水分和溫度變化進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,通過比較模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了傳熱傳質(zhì)模型的準(zhǔn)確性。Assari等人[10]利用CFD商業(yè)軟件的歐拉雙流體模型數(shù)值模擬了小麥干化過程中的溫度和濕度變化,模擬的主要結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合。

首先通過自制的低溫?zé)犸L(fēng)干燥裝置,探究了熱風(fēng)溫度和流速等因素對污泥干化特性的影響;隨后,基于ICEM-CFD軟件建立三維物理模型,利用ANSYS Fluent商業(yè)軟件,數(shù)值模擬在低溫?zé)犸L(fēng)對流條件下污泥的干化過程并分析參數(shù)。通過對比分析實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果,構(gòu)建污泥干化過程的數(shù)學(xué)模型及獲得可靠的污泥物性參數(shù),對后續(xù)污泥干化實(shí)驗(yàn)、污泥干化的工藝優(yōu)化有一定的借鑒意義,進(jìn)一步提高污泥的干化效率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 污泥樣品

實(shí)驗(yàn)所用污泥樣品取自于冬季杭州市某污水處理廠排放的機(jī)械脫水污泥,其含水率為81.32%。將污泥樣品堆放在容器中攪拌均勻后密閉靜置在低溫環(huán)境中,這樣使污泥樣品盡量均勻化,低溫密閉環(huán)境可以抑制污泥含水量發(fā)生大幅變化,從而造成不同時(shí)間段實(shí)驗(yàn)帶來的實(shí)驗(yàn)誤差等。

1.2 干化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1出示了污泥干化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。該干化系統(tǒng)主要將電能轉(zhuǎn)化為熱能,利用低溫?zé)犸L(fēng)對污泥進(jìn)行干化。干化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置主要組成包括污泥加熱單元、控制箱、干化箱和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。控制箱可以調(diào)控變頻風(fēng)機(jī)的功率從而控制風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量,調(diào)整干化箱入口的風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)通過控制器控制變頻風(fēng)機(jī)將空氣送入加熱單元中加熱,隨后熱空氣通過風(fēng)管進(jìn)入干化箱,在干化箱內(nèi)與污泥充分接觸并將熱量傳遞到污泥。在污泥干化實(shí)驗(yàn)過程中,將處理后的污泥放置在玻璃培養(yǎng)皿中固定在干化箱內(nèi),利用電子天平檢測污泥在干化過程中的實(shí)時(shí)質(zhì)量,利用RS232數(shù)據(jù)線傳輸污泥質(zhì)量數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)上。并在污泥上下表面固定兩個(gè)測量溫度熱電偶,在溫度顯示儀顯示溫度讀數(shù)。

1.變頻風(fēng)機(jī);2.風(fēng)管;3.信號線; 4.加熱單元;5.控制箱;6.溫度顯示儀;7.熱電偶; 8.電子天平;9.干化箱;10.托盤;11.計(jì)算機(jī)。

1.3 干化特性分析

首先,通過控制箱設(shè)置溫度值和調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,使用風(fēng)速儀測定干化箱入口風(fēng)速,使其達(dá)到所需求的風(fēng)速。當(dāng)干化箱的溫度達(dá)到所設(shè)溫度值時(shí),將裝有處理后的污泥樣品培養(yǎng)皿固定在干化箱臺架上。在污泥上下表面均插入溫度傳感器,讀取溫度顯示儀上的數(shù)值以及PC端上的質(zhì)量數(shù)據(jù),對污泥干化過程中的溫度和質(zhì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄。當(dāng)污泥樣品質(zhì)量數(shù)據(jù)在3～5 min內(nèi)基本不發(fā)生變化達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值時(shí),可認(rèn)為該組干化實(shí)驗(yàn)結(jié)束,關(guān)閉變頻風(fēng)機(jī)和加熱單元 ,記錄所測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對不同熱風(fēng)溫度和流速下的污泥干化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,研究不同因素影響下的污泥熱風(fēng)干化特性,實(shí)驗(yàn)工況見表1。干化實(shí)驗(yàn)中污泥試樣的厚度和直徑分別為10 mm和100 mm。

表1 不同實(shí)驗(yàn)工況分組

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以得到以下參數(shù):

(1)污泥濕分比[11-12]:

(1)

式中,Mt:干化過程中t時(shí)的污泥樣品干基含水量(kg/kg),Me:干化達(dá)到平衡時(shí)的污泥樣品干基含水量(kg/kg);M0:污泥樣品初始干基含水量(kg/kg)。干化達(dá)到平衡后污泥樣品干基含水量可忽略不計(jì),因此式(1)可以簡化為[11]:

垃圾經(jīng)柴油機(jī)煙氣干燥后可以全部焚燒，參照城市生活垃圾焚燒成本，因工藝不同處理費(fèi)用為 60～250 元 /t［20］不等，取平均值為 155 元 /t，垃圾干燥器運(yùn)營成本（主要為工人工資）取32.5萬元（5人計(jì)，工資5萬元/人，社保30%計(jì)），折舊費(fèi)取14.3萬元，每年焚燒成本為：

(2)

(2)濕分遷移速率DR,其計(jì)算公式為:

(3)

(3)污泥干化過程的平均溫度計(jì)算公式為:

(4)

式中,Ts:污泥樣品上表面溫度(℃);Tb:污泥樣品下表面溫度(℃)。

1.4 污泥干化數(shù)值模擬

1.4.1 物理模型

使用ICEM-CFD軟件,對干化箱和污泥構(gòu)建三維模型和進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其中影響計(jì)算精度的關(guān)鍵是網(wǎng)格質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)采用精度相對更高的三維物理模型,進(jìn)行三維復(fù)雜域非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分(圖2)。在物理模型的邊界處進(jìn)行網(wǎng)格局部加密減小網(wǎng)格產(chǎn)生的影響,確定該三維模型的邊界條件為速度進(jìn)口、絕熱壁面及壓力出口。

1.頂面;2.空氣入口;3.空氣域;4.污泥;5.底面; 6.空氣出口;7-10.O型網(wǎng)格; 11.六面體網(wǎng)格。圖2 干化箱和污泥的模型與網(wǎng)格劃分

1.4.2 分析方法

為分析污泥干化過程的傳熱傳質(zhì)特性,污泥內(nèi)部熱量傳遞的能量守恒方程的計(jì)算公式如下[13]:

(5)

式中,ρα:空氣密度(kg/m3)、ρs:污泥密度(kg/m3),Iα:空氣焓(J/kg)、Is:污泥焓(J/kg),ε:污泥孔隙率(%),μ:流體速度(m/s),Sh:污泥水分蒸發(fā)需要外界吸收熱量的能量源項(xiàng)(w/m3)。溫度和水分源項(xiàng)利用FLUENT界面中UDF函數(shù)編譯設(shè)定,計(jì)算分析污泥干化過程中傳熱傳質(zhì)的特性。模擬過程所設(shè)主要參數(shù)見表2。對污泥在風(fēng)速5 m/s、不同熱風(fēng)溫度條件下的干化過程傳熱傳質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。

表2 模擬過程參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥濕分比

圖3為干化箱空氣入口不同風(fēng)速(4～6 m/s)和風(fēng)溫(40～60 ℃)下污泥濕分比隨時(shí)間的變化情況。可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)空氣溫度從40 ℃上升至60 ℃時(shí),同一風(fēng)速下污泥被完全干化的時(shí)間越短。這是因?yàn)殡S著空氣溫度的升高,污泥與空氣之間的傳熱能力增強(qiáng),使得污泥內(nèi)部傳熱傳質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力增加,縮短了干化所需的時(shí)間。此外,同一風(fēng)溫下,風(fēng)速對污泥干化特性的影響基本一致。如:當(dāng)風(fēng)溫為60 ℃時(shí),隨著風(fēng)速從4 m/s增加到6 m/s,污泥完全干化所需的時(shí)間由254 min下降到166 min。這主要是由于風(fēng)速的增加導(dǎo)致污泥表面的流動(dòng)邊界層變薄,使得水蒸氣向外擴(kuò)散的阻力減小。故高風(fēng)速下,單位時(shí)間內(nèi)污泥中水分蒸發(fā)量增加,達(dá)到平衡的時(shí)間縮短。

圖3 不同風(fēng)速、不同溫度工況下濕分比變化

2.2 濕分遷移速率

污泥干化過程中濕分遷移速率的變化情況如圖4所示。隨著熱風(fēng)溫度和流速的升高,濕分遷移速率的最大值明顯增加。依據(jù)濕分遷移速率曲線,可將污泥中的水分遷移分為升速、恒速和降速三個(gè)階段。在升速階段,由于濕污泥與熱空氣的溫差較大,污泥表面的溫度急劇上升,使得表面的自由水的氣化速率加快。隨著干化的進(jìn)行,熱空氣與污泥的溫差逐漸變小,污泥表面溫度的增長速率逐漸降低,污泥從熱空氣中吸收的熱量也趨于穩(wěn)定,故污泥中的水分遷移速率基本不變。此階段蒸發(fā)出污泥內(nèi)部的自由水和少量間隙水,這部分水分含量在污泥中比例很高,所以污泥脫水主要發(fā)生在干化恒速段。隨著污泥中自由水含量的降低,吸收的熱量將用于間隙水的蒸發(fā)。然而,由于間隙水與污泥的結(jié)合較為牢固,其蒸發(fā)所需的熱量提高,導(dǎo)致水分的蒸發(fā)速率下降。同樣的,當(dāng)污泥中的間隙水完全蒸發(fā),與污泥結(jié)合更為緊密的表面吸附水及內(nèi)部結(jié)合水蒸發(fā)所需的熱量更高,這使得污泥中的水分蒸發(fā)速率二次降低。

圖4 不同風(fēng)速和不同溫度工況下濕分遷移速率變化

2.3 污泥內(nèi)部平均溫度

圖5出示了不同風(fēng)速和風(fēng)溫下,污泥干化過程中內(nèi)部平均溫度的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn),污泥內(nèi)部平均溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速增加,后增速變慢,直至趨于平衡狀態(tài)。此外,在相同時(shí)刻,干化箱入口處熱空氣的溫度越高,污泥內(nèi)部的平均溫度也越高。

圖5 不同熱風(fēng)溫度工況下污泥平均溫度隨時(shí)間的變化

以50 ℃、5 m/s風(fēng)速的污泥干化工況為例,闡述干化過程中污泥內(nèi)部平均溫度的變化規(guī)律。如圖6所示,可將干化過程中污泥內(nèi)部的平均溫度分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域。在A區(qū)域中,常溫狀態(tài)下的污泥與熱空氣的溫差較大,污泥表面的對流吸熱量高,其內(nèi)部平均溫度迅速增加;當(dāng)干化過程進(jìn)入到B區(qū)域時(shí),污泥內(nèi)部的平均溫度達(dá)到水分氣化的溫度,此時(shí)污泥從熱空氣中吸收的熱量主要用于水分的蒸發(fā),使得污泥內(nèi)部的平均溫度增長緩慢,此區(qū)域正好與污泥干化的恒速階段相對應(yīng);而C區(qū)域正好處于污泥干化的降速階段,此時(shí)污泥的含水量明顯減低,水分的蒸發(fā)量減少,污泥從熱空氣中吸收的熱量基本用于自身,使得其內(nèi)部平均溫度的增速加快;在D區(qū)域中,污泥干化過程基本結(jié)束,此時(shí)污泥與熱空氣處于熱平衡狀態(tài),其內(nèi)部的平均溫度基本不變。

圖6 50 ℃、5 m/s風(fēng)速污泥薄層內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化

2.4 污泥干化特性的數(shù)值模擬分析

圖7出示了風(fēng)速5 m/s時(shí),不同風(fēng)溫下污泥干化過程中含水量和平均溫度的實(shí)驗(yàn)值和模擬值?？梢园l(fā)現(xiàn),在干化前期,污泥含水量的模擬值與實(shí)驗(yàn)值基本重合;而在干化中后期,污泥含水量的模擬值比實(shí)驗(yàn)值高,并且兩者的差值隨著干化的進(jìn)行逐漸增加。這主要是因?yàn)閷?shí)際干化過程中伴隨著污泥的收縮和破裂,而在干化模擬過程中難以考慮污泥的形態(tài)變化,因此使得干化中后期污泥模擬過程中水分含量的下降量低于實(shí)驗(yàn)值。此外,注意到整個(gè)干化過程中,污泥模擬的平均溫度與實(shí)驗(yàn)的平均溫度幾乎一致,這說明干化過程中的污泥收縮和破裂對熱量的傳遞影響并不大。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比分析,溫度誤差很小,水分含量的誤差由小變大,說明本文選用污泥傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型的可靠性。

圖7 不同風(fēng)溫下污泥干基含水量和平均溫度模擬值和實(shí)驗(yàn)值(風(fēng)速5 m/s)

2.5 熱風(fēng)干燥模擬的污泥內(nèi)部濕度和溫度云圖

圖8給出了風(fēng)速5 m/s、風(fēng)溫60 ℃工況下,干化50 min時(shí)污泥內(nèi)部兩個(gè)相互垂直中心面上的濕度和溫度云圖。從濕度云圖上可以發(fā)現(xiàn),污泥內(nèi)部的水分含量明顯高于外表面的水分含量,并且在靠近污泥外表面處,水分含量呈現(xiàn)著一定的梯度分布;而在中心處水分含量基本不變。這是因?yàn)楦苫?0 min時(shí),污泥失去的水分主要為表面自由水,而靠近污泥表層的內(nèi)部水分會通過含量差遷移至外表面,補(bǔ)充水分的散失量。在溫度云圖上,污泥內(nèi)部溫度呈現(xiàn)著內(nèi)低外高的趨勢。干化進(jìn)行時(shí),污泥表面溫度迅速升高到接近環(huán)境的溫度,而傳遞的熱量從外表面到污泥內(nèi)部逐漸降低。注意到污泥中心區(qū)域的溫度低于最底部的溫度,這主要是因?yàn)椴Ａ?dǎo)熱系數(shù)大、溫度提升較快,在溫差的作用下會向污泥底部傳遞熱量。

圖8 熱風(fēng)干化50 min后污泥內(nèi)部濕度和溫度云圖(風(fēng)速5 m/s, 風(fēng)溫60 ℃)

3 結(jié)論

污泥薄層低溫?zé)犸L(fēng)干化過程中,熱風(fēng)溫度和流速會對污泥濕分比、濕分遷移率和薄層內(nèi)部平均溫度產(chǎn)生明顯的影響。在同一風(fēng)速下,風(fēng)溫越高,污泥干化效率越高、濕分遷移速率越大、薄層內(nèi)部的平均溫度上升越快。但隨著干化過程中污泥濕分比的下降,溫度對濕分遷移速率的影響較小。在同一風(fēng)溫下,風(fēng)速越快,單位時(shí)間內(nèi)污泥中水分蒸發(fā)量越多,達(dá)到干化平衡的時(shí)間越短。依據(jù)污泥干化過程中的濕分遷移規(guī)律,可將污泥干化過程分為升速、恒速和降速三個(gè)階段。此外,基于污泥干化過程中內(nèi)部熱量傳遞的能量守恒方程,運(yùn)用ANSYS-Fluent軟件對污泥干化過程中濕分比和內(nèi)部溫度進(jìn)行了模擬計(jì)算,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。污泥干化過程中內(nèi)部溫度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。污泥干化前期,模擬計(jì)算的濕分比和實(shí)驗(yàn)值相同;而在干化后期,由于實(shí)驗(yàn)過程中污泥存在的收縮和鍛煉現(xiàn)象,模擬計(jì)算的濕分比要高于實(shí)驗(yàn)值。