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污泥在桨叶干燥机内干燥的模拟和试验研究

陈少卿  
【摘要】:为了深入研究和分析污泥在桨叶式干燥机中的干燥机理,以及污泥干燥焚烧系统的优化运行模式,自行研制了间歇式,单轴和双轴连续式小型桨叶污泥干燥机试验系统,相应建立了间歇式、一维和二维连续式污泥干燥模型以及污泥干燥焚烧工程系统能质平衡模型,并以试验系统和模型为依据,开展了深入的试验和理论研究。首先,在考虑污泥干燥试验结果以及计算可靠性的前提下对之前研究的渗透模型进行了修正,修正后的渗透模型能够较好的模拟污泥在间歇式桨叶干燥机内的干燥过程。之后,利用该模型对干燥过程中不同影响因素进行敏感性分析。对于污泥干燥过程,热源温度的上升能够提升污泥干燥速率和污泥温度,但污泥温度在污泥含水率大于30%时,其温度波动范围存在上限,即90-100℃;而在试验范围内,当转轴转速上升时,污泥干燥速率和污泥温度基本保持不变,仅污泥干燥速率略有上升。其次,使用渗透模型与一维Markov链模型的耦合模型来对污泥在单轴连续式桨叶干燥机内的干燥过程进行了模拟,模拟结果良好。污泥在单轴连续式桨叶干燥机内的干燥过程可以分为三个阶段:粘稠相,粘滞-颗粒相和完全颗粒相。之后,研究了不同干燥参数对污泥在单轴连续式桨叶干燥机内的干燥机理的影响。在试验范围内,干燥机热源温度对单位面积干燥速率有正相关影响;干燥机倾斜角度和尾部溢出高度对干燥有效传热面积分别有负相关和正相关影响;污泥进泥速率对单位有效传热面积下湿污泥量有正相关影响;而干燥机转轴转速和载气(吹扫蒸汽)温度对污泥干燥机理几乎没有影响。稳定状态下干燥机持有量对污泥在干燥机内流动的平均停留时间以及干燥机出口最终含水率有较大影响。在试验范围内,污泥进泥速率,干燥机热源温度和干燥机转轴转速对稳定状态下干燥机持有量基本无影响;而干燥机倾斜角度和尾部溢出高度分别对稳定状态下干燥机持有量有负相关和正相关影响。第三,以一维Markov链模型为基础,自行研发了用于模拟污泥在双轴连续式桨叶干燥机内流动特性的二维Markov链模型,并在一台自行设计的双轴连续式桨叶干燥机进行了验证试验,验证结果较好。之后,利用该模型对干燥过程流动特性各影响因素进行敏感性分析,结果表明,返混系数R和r是污泥在干燥机内的流动特性(RTD曲线形状)的控制因素;干燥机流动元内干污泥几何停留时间ζ是污泥在干燥机内平均停留时间(RTD曲线平均停留时间)的控制因素,亦即当干燥机干泥进泥速率固定时,稳定状态下干燥机持有量是决定干燥机出口污泥含水率的主要因素。第四,使用自行研发的渗透模型与二维Markov链模型的耦合模型对污泥在双轴连续式桨叶干燥机内的污泥干燥过程进行了模拟,并通过引入“粘壁结壳”现象和“粘滞区”的概念对耦合干燥模型进行了修正,修正后的模型能较好的模拟试验结果。污泥在双轴连续式桨叶干燥机内的干燥过程根据是否发生“粘壁结壳”现象可以分为两种类型:当无“粘壁结壳”现象发生时,污泥干燥过程可以分为粘稠相,粘滞-颗粒相和完全颗粒相;当有“粘壁结壳”现象发生时,污泥干燥过程可以分为黏稠相,粘滞相,颗粒相和完全颗粒相。“粘壁结壳”现象的发生与稳定状态下同一桨叶内干污泥质量存在正相关,现象发生与否的分界点与污泥干燥过程阻尼存在正相关,该现象的发生将对污泥干燥过程的传热,特别是粘滞区内的传热产生极其恶劣的影响。然后,研究了不同干燥参数对污泥在双轴连续式桨叶干燥机内的干燥机理的影响。在试验范围内,在不考虑污泥干燥过程是否发生“粘壁结壳”现象的前提下,干燥机倾斜角度和干燥机转轴转速对干燥过程基本无影响;降低污泥进泥速率、增加干燥机出口溢出高度和提升干燥机热源温度可加快污泥沿干燥机长度方向的含水率下降。在试验范围内,污泥进泥速率、干燥机热源温度和干燥机出口溢出高度的下降,或者干燥机转轴转速和干燥机倾斜角度的上升会降低稳定状态下干燥机持有量。之后,将耦合干燥模型与现有常用干燥机设计和计算方法,即集总参数法做了比较,比较发现,集总参数法计算结果误差较大,强烈依赖于干燥机综合换热系数的选取经验,而耦合干燥模型可以通过理论的计算方法对污泥干燥过程进行较好的模拟,因此,耦合干燥模型的开发将有利于实际污泥桨叶式干燥机的传热计算和设计过程的理论化,为进一步更有效、准确的设计干燥机和计算实际干燥机工况提供理论支持。第五,通过建立污泥干燥焚烧系统能质平衡模型对某污水处理厂污泥干燥焚烧工程进行能量平衡分析和能耗分析,确定了由能耗最低角度出发的最佳入炉含水率。在最低能耗状态下,系统最大的能耗损失为污泥载气从干燥过程带走的水分蒸发潜热,其次为烟气冷却塔冷却水带走热能。之后,本文研究了系统运行负荷,污泥干基低位热值和初始含水率波动对系统运行的影响。当运行负荷和初始含水率在研究范围内波动时,需保证入炉污泥含水率基本不变,以保证系统最低能耗;当污泥热值变化)时,需使入炉污泥含水率随之线性变化以保证系统最低能耗。本模型可为使用间接式干燥设备和焚烧设备,同时添加辅助燃料(天然气、煤、油等)的同类污泥处理处置工程的设计、运行和降本增效提供指导。


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