污泥顆粒熱解的數值計算研究

曹陽，王延濤，郝章峰，黃潔

（上海康恒環境股份有限公司，上海 201703）

前言

生活污水污泥的熱處理是我國污泥處理處置的重要方式，熱處理的方式可為單獨燃燒或者協同焚燒，前者較為常見的是流化床焚燒污泥，垃圾與污泥混燒則是常見的協同焚燒方式。在上述熱處理方式下污泥的粒徑一般在厘米級，其反應過程中畢渥數Bi大于臨界值0.1[1]，顆粒內部存在較大的溫度梯度，而內部的熱量傳遞是熱解進行的重要限制條件，工程中常出現因傳熱傳質問題造成燃燒不徹底的情況。污泥的含水量高，干燥基條件下的揮發分、灰分的比例都比較高，干燥脫水及熱解過程是其熱化學轉化的兩個主要階段[2]，決定了污泥顆粒熱化學轉化程度。

應用數值計算對大顆粒固體燃料熱解過程進行分析是一種較為有效的研究方法，該方法目前在生物質和煤顆粒的熱解研究中應用較多[3-5]，但對污泥顆粒熱解過程的研究則較少；而污泥具有含水量高、灰分高、熱值低等特點，與生物質和煤的燃料特性差異較大，無法直接參考其研究結果。本文應用數值計算的方法對含水污泥顆粒的熱解過程進行研究，分析污泥顆粒在熱解反應器中的反應過程及影響因素，為認識污泥顆粒的熱解過程，合理設計熱解反應器提供理論依據。

1 研究方法

本文以球形污泥顆粒為研究對象，對其熱解過程進行數值計算分析，球形顆粒內部的能量平衡，遵守球坐標下的能量守恒方程[6]：

式中：

ρ、cp、λ、T、M、V—球形污泥顆粒內的微分單元內污泥的密度、熱容、導熱系數、溫度以及含水和揮發分比例；

r—微分單元到球心的距離；

rr、H—分別為水分蒸發的汽化潛熱和熱解反應時的吸熱量。

計算時，將球形顆粒沿半徑進行離散化，同時消除網格劃分對結果的影響[7]。

在熱解條件下，顆粒主要吸收外部環境的輻射熱和氣體對流換熱，進行水分的蒸發、熱解及溫度升高過程，其換熱量通過式（2）進行計算：

式中：

Tg—外界氣體溫度；

T—污泥顆粒表面的溫度；

A—顆粒的外表面積；

h—對流換熱系數；

ε—系統的輻射黑度。

發生在污泥顆粒內的反應主要為水分干燥和有機物熱解，污泥顆粒的質量變化是這兩種反應的質量變化之和。對于水分干燥的計算方法，當使用水的沸點溫度（常壓下100 ℃）作為水的蒸發起始溫度或蒸發速率突變溫度時，容易造成計算的震蕩[9]，因而采用反應動力學方式來計算水的蒸發速率，選取Miltner[10]提出的動力學模型形式，該模型在反應溫度低于475 K時具有較好的適用性：

污泥的熱解動力學則采用一級動力學反應模型進行計算[11]，其形式為：

式中：

V0—污泥顆粒初始的揮發分比例。

對生物質、污泥等物質，熱解溫度、升溫速率的大小對熱解揮發分產率有一定的影響，在較高的熱解溫度、升溫速率下具有較高的揮發分產率[12,13]，由后文計算可知，厘米級顆粒內部的實際升溫速率一般在5 ℃/s以下，不同工況間相對差別較低，熱解溫度超過600 ℃后，污泥熱解的熱解程度較為徹底[2]，同時污泥的固定碳比例較低，在本文中僅為5 %（干燥基條件下，見表1），產生的焦炭內絕大部分屬于灰分，因而模型中取用固定的揮發分產率。

對于本文所研究的含水污泥，則應加入水分對熱容的影響：

污泥的密度一般隨其熱解過程中的含水量和內部孔隙率而變化，本文使用下式進行計算：

對含水率60 %、揮發分含量20 %的污泥初始密度為1 020 kg/m3，干燥熱解結束后形成的焦炭，其密度變為380 kg/m3，與文獻的相關報道較為接近[14]。

污泥內部的導熱系數與其含水率、內部孔隙率和溫度的關系十分密切，目前沒有較為合適的計算公式對這些因素進行考慮，本文取用了文獻報道數據中的典型值[15]。

計算模型中選用的主要參數如表1所示。

2 計算結果分析

2.1 工況設置

為了對影響含水污泥顆粒熱解過程的外界溫度、顆粒粒徑與初始含水量等因素進行研究，本文設置了如表2所列的工況。其中工況1-3針對熱解溫度、工況2、4、5針對顆粒粒徑，工況2、6、7針對初始含水量。

2.2 模型與實驗的對比

為了對模型的適用性進行驗證，針對表2所列的工況1條件，使用如文獻[16]所描述的大顆粒熱重實驗臺，對污泥顆粒在600℃、使用氮氣吹掃的熱解條件下污泥顆粒的質量變化進行了測試，污泥的物性與所模擬污泥顆粒的物性接近。圖1所示為實驗與使用本文所述模型得到的質量變化的對比結果，兩者的失重曲線較為接近，表明模擬的熱解過程與實際結果接近，可使用該模型對含水污泥顆粒的熱解過程進行模擬。

圖1同時給出了工況1條件下，污泥最外層與中心層溫度變化的模擬結果，初始質量約5 g的污泥顆粒，在600 ℃的熱解環境中，其完全熱解所需的時間在900 s以上，最終剩余約1 g的灰分。在顆粒剛進入熱解環境時，顆粒最外層受到外界環境對流和輻射的直接加熱，溫度首先迅速上升，建立與顆粒內層間的溫度差，之后表層與外界的換熱溫差降低、顆粒表層向內層導熱，溫度上升的幅度降低，在約200 s時溫度達到432 ℃、在約550 s時溫度達到570 ℃；在顆粒的中心，受到熱傳導過程的限制，其溫升過程滯后于表層的溫升過程，且換熱效率較低，其溫升過程可分為較為明顯的兩段，在中心層內仍含有水分、溫度達到100 ℃前，其吸收的熱量多用于水分的干燥，溫度上升的速率較低，在水分干燥完成后，其溫度迅速上升，在約970 s達到600 ℃的終溫。Lu[3]等對高水分木制生物質顆粒的熱解實驗研究中，測量了顆粒表層及中心的溫度變化，同本文模擬計算得到的變化規律較為一致，污泥顆粒熱解過程的完成主要受其內部導熱過程的影響。

表1 計算模型中選取的主要參數

表2 熱解計算設置的工況

圖1 600 ℃熱解條件下模擬與實驗的污泥顆粒變化結果

2.3 模擬結果分析

圖2為計算工況1～3，即在600 ℃、800 ℃和1 000 ℃的熱解溫度下，半徑10 mm、含水量60 %污泥顆粒的熱解失重、表層及中心的溫度變化情況。由圖中的溫度變化曲線可見，隨著熱解溫度的升高，在熱解的初始階段，熱解環境對顆粒表面的加熱強度增加，顆粒表面的升溫速率也隨之增大，顆粒表面溫度的急劇升高，使表層與內層間建立的溫度差也升高，顆粒內部的溫升和傳熱速率也得到提升，顆粒的中心達到外界環境溫度所需的時間也縮短了，因而達到完全熱解所需的時間也相應縮短，三種工況下顆粒中心溫度達到外界環境溫度所需的時間分別為970 s、820 s和690 s；圖中的失重曲線與溫度曲線相對應，處在更高的熱解環境中的顆粒的平均失重速率更高，達到失重穩定點的時間更短，同時也能觀察到，對于半徑10 mm、含水60 %的球形污泥顆粒，即使在1 000 ℃的熱解溫度下，實現完全熱解的時間也需要10 min左右。

為了進一步了解污泥熱解時質量變化的過程，圖3為計算工況2條件下，污泥顆粒的失重曲線與質量變化微分曲線，質量變化的微分曲線表示污泥顆熱解時失重的速率，在顆粒剛進入熱解環境時，顆粒的表層吸收外界的熱量，其溫度從室溫迅速上升，其質量變化速率從零迅速上升到一個峰值，這一過程耗時約15 s，此時，沿顆粒半徑由外向內約1.1 mm處溫度達到100 ℃，即占原有顆粒質量30 %的物質溫度已超過100 ℃，此后，因表層溫度的升高、表層水分及部分揮發分的釋放，外界向顆粒傳遞的熱量減少，顆粒內部需要逐漸溫升進行水分和揮發分的釋放，因而質量變化速率逐漸降低，變化趨勢類似拋物線，至約800 s時顆粒變為零，熱解過程完成。

圖4為工況4、工況2和工況5，即污泥顆粒半徑分別為5 mm、10 mm和15 mm，熱解溫度為800 ℃時，計算的顆粒質量與表層、中心溫度的變化情況，因半徑不同，3種顆粒的質量比為1∶8∶27，因此質量變化以百分比表示，污泥的顆粒越小，熱解所需的時間越少。從圖中可知，顆粒的粒徑越小，其表層溫度的升溫速率越快，顆粒中心開始熱解的時間也越短，顆粒中心的溫度達到600 ℃所需的時間分別為220 s、570 s和1 020 s，比它們粒徑間的相對差別更大，即隨粒徑的增加，熱解完成所需的時間增加更快，其主要原因應是顆粒半徑越小，比表面積越大，單位質量物質的吸熱速率更高。

圖2 不同熱解溫度下顆粒失重與表層、中心溫度

圖3 800 ℃熱解溫度下的熱解失重與質量速率

圖4 不同粒徑污泥顆粒的失重與表層、中心溫度

圖5 不同含水量污泥顆粒的失重與表層、中心溫度

圖5為工況6、工況2和工況8，即污泥顆粒的含水量分別為40 %、60 %和80 %，熱解溫度為800 ℃時，計算的顆粒質量與表層、中心溫度的變化情況，顆粒因含水量不同具有不同的密度，因此質量變化以百分比表示，污泥的含水量越低、熱解所需的時間越短。從圖中可知，顆粒的含水量越少，用于水分蒸發所需的熱量越少，顆粒表層溫度的升溫速率也越快，顆粒中心開始熱解的時間也越短，顆粒中心溫度達到600 ℃時所需的時間分別為410 s、570 s和660 s。

3 結論

本文使用數值計算的方法，對粒徑為厘米級的污泥顆粒熱解過程進行研究，在模擬與實驗結果對比檢驗模型可用性的基礎上，對含水污泥顆粒熱解過程中的質量、溫度變化規律，以及熱解溫度、顆粒粒徑和顆粒含水率等影響因素進行了分析，結果表明：

1）含水污泥顆粒內的溫度變化不同步，主要受其內部導熱過程的影響，內部溫升滯后于外部溫升，影響污泥熱解的完成時間；在1 000 ℃的熱解溫度下，半徑10 mm、含水60 %的污泥顆粒完成熱解的時間在10 min量級；顆粒進入熱解環境后，質量變化速率迅速達到峰值，然后以類似拋物線的變化趨勢逐漸降低，至熱解完成，速率變為零。

2）熱解溫度越高、顆粒粒徑越小、顆粒的初始含水量越低，越有利于縮短熱解完成的時間，提高整體的熱解效率，在實際的工程應用中，可通過調整這些參數設定進行合理的工藝設計。

在模型的建立過程中，對參數和物性的選取進行了簡化，進一步研究中可在以下方面進行進一步的改進：①考慮熱解過程中水分和揮發分釋放時在顆粒內部的濃度分布及對固相的換熱的影響；②提高污泥在不同狀態下物性計算方法的準確性，如熱容、導熱系數等；③對非球形顆粒的熱解進行預測。