不同含水率下污泥的流化特性
随着经济的快速发展，城市和工业污泥的产量日益增加，污泥的处置越来越受到重视。是污泥污水处理的最终产物。未经处理的污泥含水量高、体积庞大、成分复杂，处置不当容易造成二次污泥。在众多处置方法中，流化床焚烧技术以其燃烧充分、处理速度快、污染物排放低等明显优势，在污泥处理行业得到了广泛应用。湿污泥直接燃烧会导致热量损失增加，因此污泥干燥是污泥处置的重要步骤。流化床干燥具有脱水率高、污染小、操作简单等优点，是污泥深度脱水的有效途径。在污泥流化床干燥技术中，临界流化速度μmf是其重要参数之一，对流化床的设计和运行具有指导作用。
国内外学者对预测材料的μmf做了大量的研究，得到了许多μmf的经验公式。但由于材料性质和试验条件的差异，所得经验公式差异较大，至今没有统一的计算μmf的公式。在污泥流态化的研究中，发现含水率是影响微米f的重要因素之一，但以往对μ m F的实验主要集中在玻璃球、石英砂和煤样上，影响因素有床温、粒径和压力。污泥含水率对微米f的影响研究较少，为此，本文研究了不同含水率污泥的流化特性，并介绍了μ m F经验公式的推导过程。其他类型的污泥可以参考这种方法，通过简单的实验就可以快速得到μmf的计算公式。
一、试验装置和步骤
1.1测试条件和样品
临界流化速度μmf是流化态操作的较低速度。本文认为，床料的物理性质(密度、粒度分布、表面粘度等。)和流化气体(密度、动力粘度等。)直接影响μmf，温度、压力等外界因素通过影响床料和气体的物性间接影响μmf。实际中，流化床干燥设备的操作压力为常压，操作温度在100℃以下。由于实测温度在100℃以下，污泥颗粒的密度和粘度随温度变化不大，Saxena对白云石(20 ~ 500℃)的研究也表明温度对μmf影响不大，因此试验温度为30℃，试验压力为0.1MPa。
样品是东莞某造纸厂的造纸污泥，主要由纤维素、造纸填料、化学助剂和水组成。造纸污泥经过机械压滤和破碎处理，初始含水率为48%，密度为1269kg/m3，呈颗粒状。污泥的粒径分布见表1，按质量百分比法计算的污泥颗粒的质量平均直径dp为1.96mm
其中di是颗粒直径，xi是质量百分比。
接收的初始污泥颗粒在105℃的烘箱中干燥8h，得到完全干燥的污泥，通过前后质量差计算初始污泥的含水量为48%。制备不同含水量的污泥时，先称一个空托盘，然后在托盘中放入适量含水量为48%的初始污泥，称其总质量，计算该污泥干燥至目标含水量时应达到的目标质量。将污泥放入60℃的烘箱中烘干，取出后每隔10分钟称重并搅拌均匀，直至达到目标质量，然后取出密封保存。使用相同的方法，获得不同含水量的污泥样品，不同含水量下的污泥密度参数列于表2。在烘箱中干燥的过程中，一些颗粒会破碎。为了防止粒径分布的变化影响试验结果，干燥后的污泥将进行筛分，按原粒径分布重新混合后用于试验。
1.2测试设备
图1是测试设备的示意图。该装置主要由流化床反应器、差压变送器、涡街流量计和离心鼓风机组成。反应器的主体是一个直的四棱柱流化室，流化室的一侧装有有机玻璃。可以观察到流化室内的流化，流化室的横截面积为310mm×230mm，有效高度为60cm。流化室底部有布风板、两层18目筛网和压力板。布风板呈扁平多孔状，交错排列，小孔的风向与板垂直。反应器上下分别为沉降室和风室，其横截面为上下两个倒梯形，上宽下窄。沉降室上宽下窄的结构，降低了气体的表观速度，有利于气流携带的细颗粒落回到流化室内，减少了细颗粒被气流带走引起的压降变化。空气室起着导流和稳定流动的作用，使气流在进入流化室时分布均匀。差压变送器的一端设置在气室中的配气板附近，另一端与大气相连。离心式鼓风机配有高性能矢量变频器。通过控制鼓风机速度来控制引入气室的一次空气量。用LUGB–65涡街流量计测量空气体积流量，然后计算流化室内的表观气速。
1.3测试步骤
首先在空床状态下测量布风板的阻力。在空床状态下，调节变频器逐渐增加一次风量，每次风量下保持2分钟。系统稳定后，记录配风板相应的压降，直到增加到更大的风量。其次，称取10kg污泥颗粒床料，均匀加入流化室，关闭进料口，检查反应器气密性是否良好。再次打开变频器，启动风机，将风量调至较大，通过有机玻璃观察流化室内物料的流化状态，确认床内物料完全流化，保持5min等待系统稳定。然后，调节变频器逐渐降低一次风量，每次风量保持2分钟。系统稳定后，记录相应的差压变送器和涡街流量计的读数，直至风量为零(变频器可在50Hz的较大频率下调节，每次以2Hz的速率调节，共25组数据)。随后，当流化结束，床层高度比流化前稍高时，记录此时的床层高度，以计算床层的空隙率。打开出料口，清空物料，更换不同含水率的污泥，重复上述步骤。
二、测试结果及分析
2.1空气分布板的阻力特性
测量了不同一次风量下的布风板压降。风速u计算如下:
其中:Qg为一次风量，Ac为床的横截面积(按0.0713m2计算)，
图2显示了空气分布板的压降曲线。拟合得到了布风板压降△Pc与表观风速U的函数关系
2.2临界流化速度的确定
从固定床阶段到流化阶段，需要克服颗粒之间的作用力。由于系统的滞后效应，用升速法得到的压降曲线是任意的，所以通常用降速法测量颗粒较小的流化速度。本次实验采用减速法，即增加一次风量，直至床层完全流化，然后逐一减少风量，记录相应数据。该实验可以测量不同表观风速U下污泥颗粒的床层与布风板之间的压降之和，减去相应风速下空床布风板的压降△Pc，从而得到床层压降△P随表观风速U的变化规律。固定床阶段压降曲线与流化阶段压降曲线的切线交点定义为临界流化点。图3显示了污泥含水量为0%时的风速-压降曲线。图中A点为临界流化点，对应的表观风速为临界流化速度μmf。
2.3含水率对污泥流化的影响
图4是污泥含水率分别为15%和35%时的流化过程现场图。图5显示了九种不同含水量的污泥流化的风速-压降曲线。
结合图4和图5，从分析中可以看出，随着污泥含水率的增加，μmf呈上升趋势，流化状态由本体流化过渡到聚态流化。一方面，污泥颗粒的密度随着含水率的增加而增加，μmf与颗粒密度呈正相关，所以μmf随着含水率的增加而增加。另一方面，在烘箱中的干燥过程中，发现实验中使用的造纸污泥含有许多絮状纤维。随着含水量的增加，污泥的质地变得柔软，更多的水吸附在颗粒表面，使颗粒的粘度和团聚能力明显增强。这使得污泥流化时颗粒之间以及颗粒与反应器壁之间的相互作用力增大，流化阻力增大，从而使μmf增大。从图5中还可以看出，污泥的流化稳定性随着含水率的增加而降低。图5中的流化曲线表明，低含水率污泥颗粒的流化状态是稳定的，得到的流化曲线是稳定的，在固定床阶段向流化阶段过渡的过程中有一个平滑的拐点。实验观察表明，高含水率污泥颗粒的流化状态逐渐变差，得到的流化曲线波动较大。固定床阶段向流化阶段过渡的拐点不易确定，但实验观察表明流化室有团聚现象。实验结果表明，在此粒径分布下，造纸污泥的流化含水率约为38%。当含水率高于38%时，流化极不稳定，容易出现穿孔和沟流。
2.4临界流化速度的经验公式
国内外学者对μmf做了大量的研究，得到了许多μmf的经验公式。表3列出了一些学者得出的经验公式及其适用条件。
在表3中，Ar是阿基米德数，Remf是临界流化时的雷诺数。
图6是本文中μmf的实验值与这些经验公式计算值的比较，其中序号1~7对应表3中经验公式的序号，红色粗实线表示μmf随含水量的变化趋势。分析认为，由于物料流化特性的差异，直接使用这些经验公式计算实验所用污泥的μmf会导致较大偏差，因此需要选择合适的方法重新拟合经验公式。
虽然计算μmf的经验公式很多，但根据公式的推导过程，基本上可以分为以下两类。
2.4.1第一类经验公式
这类公式以文等的经验公式为代表，由床层压降和表观风速的额尔古纳方程推导而来。龚方程假定床层压降近似等于临界流化状态下气体对固体颗粒的拖曳力，忽略气体、床料和床壁之间的摩擦力和内力。
在固定床阶段，床层压降与表观风速之间的关系可以用额尔古纳方程精确地表达如下
其中:L为床层高度，ε为床层空隙率，U为气体速度，即表观风速，φ为颗粒球度，ρ为气体密度，μ为气体动力粘度。
在临界流化状态下，床层压降等于每单位面积的床重，即
其中:ρp为物料的颗粒密度，下标mf表示临界流化状态。
将方程(3)和方程(4)合并，引入判据数。
简化并整理出来
将方程(5)视为Remf的二次方程，其正根为
εmf和φ的确定方法参考颜卫平的说法:临界流化状态下εmf的床层空隙率略大于固定床。实际上是相当松散的几乎没有重量的填充床状态，可以通过随机填充试验来测量。MF取流化结束时的床空隙率为
考虑到如果εmf在各含水率中取不同的值，φ的值将难以确定，且测得不同含水率时εmf变化不大，故εmf的算术平均值为0.414。将不同含水率污泥的物性参数、μmf的实验值和εmf的算术平均值代入式(6)，用试凑法得到φ的近似值。与后代比较，得到C1=16.09，C2=0.0445，进而得到μmf的经验公式。
由于含水率低的污泥颗粒比含水率高的污泥颗粒流化更稳定，实验偏差小，所以通过拟合几组含水率低的数据得到经验公式。
微米的实验值和公式(8)的计算值之间的比较如图7所示。显然，计算值与实验值相差很大。分析是由于在应用额尔古纳方程时假设床层压降等于气体对固体颗粒的拖曳力，而忽略了床颗粒间的内力。当测试样品为玻璃珠、石英砂等不粘材料时，计算更准确。造纸污泥含水量低时，粘度小，与上式偏差小。但随着含水率的增加，污泥粘度增加，部分颗粒发生团聚，物料间的内力大到可以忽略。所以实验值大于计算值，含水率越高偏差越大。
2.4.2第二类经验公式
这种公式是从单个质点的应力分析中推导出来的。
当临界流化现象发生时，单个颗粒或颗粒团主要受床中三种力的影响，即颗粒本身的重力Fg、气体的浮力Ff和流化气体的曳力Fy，这三种力相互平衡，即
公式应用于多粒子系统时会有偏差。为了消除这种偏差，公式(10)被编译成
这种公式是前苏联学者费多罗夫较早提出的。此后，学者们根据不同情况，得出了多组A、B值。我国《分层燃烧和流态化燃烧工业锅炉热力计算方法》中推荐的公式就属于这种。
根据实验数据，拟合得到经验公式。
μmf测试值和公式(12)计算值之间的比较如图8所示。可以看出，计算值与实验值偏差较小，离散度在5%以内。因此，公式(12)可用于该造纸污泥的μmf计算。
需要注意的是，城市污泥和工业污泥种类繁多，流化特性差异很大。如果其他类型的污泥直接套用公式(12)，可能会造成一定的偏差，甚至在不同的粒径分布下，这种造纸污泥的μmf也可能不同。虽然这个公式应用不广泛，但其他类型的污泥可以参考公式(11)。通过几组流态化试验确定A和B，可以得到一个实用的μmf计算公式。
第三，结论
本实验以空气为流化气体，在0.1MPa的常压和30℃的常温下，测定了含水率为0% ~ 38%的造纸污泥的临界流化速度μ f。此外，在将实验结果与现有经验公式进行对比分析后，采用适当的方法重新拟合了μmf的经验公式，并得出以下结论:
A.在实验粒径分布下，造纸污泥在低含水率下呈散装流态化，随着含水率的增加逐渐过渡到团聚流态化。当含水率高于38%时，难以流化，此时容易发生穿孔和沟流。
B.污泥颗粒的μmf随着含水率的增加而增加。
C.这种造纸污泥的μmf可以用公式Remf=0.00125Ar0.91计算，误差在5%以内。
D.在两个主流的经验公式中，像Remf=aArb这样的经验公式在计算污泥的μmf时误差较小。(来源:上海理工大学能源与动力工程学院)
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