雙軸螺旋槳葉干燥機內污泥含水率數值模擬

朱 雨，董金善，趙 悅，張森源

（南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816）

污泥是指在進行污水處理過程中，通過各種分離方法脫水后產生的泥渣。若不經過處理，污泥中往往含有重金屬、病原體及致病微生物等有害物質，將會對環境造成污染甚至危害到人體健康。為了便于對污泥進行進一步處理，通常會對污泥進行不同程度的干燥處理［1-2］。干燥處理具有污泥適應性強、操作過程安全穩定等特點。常用的干燥設備有槳葉干燥機、回轉干燥機和流化床干燥機等，其中槳葉干燥機應用最為廣泛。

很多國內外學者對污泥干燥進行了相關研究。英國的Bradford公司最早設計了回轉窯污泥干燥機，應用于干燥污泥［3］。 Cofie O O 等［4］利用干燥床對下水污泥進行固液分離，使可生物降解有機固體廢物的堆肥和衛生處理效率及可靠性得到提高。饒賓期等［5］設計了一種用于干燥污泥的太陽能熱泵干燥系統，為太陽能熱泵在固廢處理領域的應用提供理論參考。司歡歡等［6］開發了一種新型尾氣自惰式循環污泥干燥閉路系統，采用此閉路循環系統減少了污泥干燥過程廢水、廢氣的排量，提高了熱量利用率。Tarek J J等［7］在FLUENT計算流體動力學軟件中模擬了聚氯乙烯和濕式PVC污泥的流動模式以及傳熱和傳質過程，確定了氣相速度和溫度對最終產物的影響。MilhéM等［8］建立了連續污泥槳式干燥機模型，模擬了穩態運行過程中沿干燥機長度方向的溫度分布曲線。Hassine N B等［9］對干燥機內傳熱和傳質過程進行了數值模擬，研究了太陽輻射強度和空氣溫度對空氣-多孔介質界面溫度、速度和質量傳遞的時間與空間影響。孟亞峰［10］利用ANSYS有限元分析軟件，建立了轉筒式污泥干燥機的實體模型和數學模型，結合計算流體力學分析滾筒內污泥流動狀態。李斌斌等［11］采用MATLAB軟件對污泥干燥動力學過程進行了模擬，結果表明污泥中網絡狀的絮體結構不利于水分蒸發。胡國呈等［12］采用CFD方法對雙轉子空心圓盤干燥機內部流場進行了數值模擬，研究了轉子轉速、蒸汽溫度和進料量對干燥效果的影響。秦長江等［13-25］對槳葉式干燥機的性能等進行了研究。

1 雙軸螺旋槳葉干燥機物理模型與基本假設

1.1 物理模型

雙軸螺旋槳葉干燥機實體模型由上蓋、殼體、槳葉軸、支座以及污泥進出口、水蒸氣出口和觀察口等組成，其結構示意見圖1。此設備采用間接式干燥工藝，即在空心槳葉軸和殼體夾套中通入加熱蒸汽，通過熱傳導的形式為污泥干燥提供所需要的熱量。與直接式干燥工藝相比，間接式干燥工藝減少了利用載氣加熱時被出口氣體帶走的熱量，從而提高了熱量利用率。

圖1 雙軸螺旋槳葉干燥機結構示圖

由于在干燥過程中殼體內壁面和槳葉軸外壁面的溫度幾乎不變，因此數值模擬時將殼體內壁面和槳葉軸外壁面視為恒溫壁面。觀察口的作用是在干燥過程中便于觀察干燥機內部工作情況，進行流場模擬時可將其省略。簡化后的雙軸螺旋槳葉干燥機流場計算模型見圖2a。使用FLUENT Meshing網格劃分模塊對雙軸螺旋槳葉干燥機計算模型進行網格劃分。由于槳葉軸結構較為復雜，并且作為旋轉區域，需要對這部分設置動網格模型，對網格質量要求較高，因此選用四面體非結構網格劃分方法對計算模型進行網格劃分，劃分之后的雙軸螺旋槳葉干燥機計算模型網格數量約200 萬（圖 2b）。

圖2 雙軸螺旋槳葉干燥機流場計算模型及網格劃分

1.2 基本假設

在污泥干燥過程中，污泥通過進料口進入雙軸螺旋槳葉干燥機，經過槳葉軸攪拌、推動，使污泥中的水分不斷蒸發，同時污泥顆粒被細化，最終達到干燥目的。

對干燥過程進行如下假設：①干燥機的干燥對象由水和絕干污泥2種物質組成。②濕物料由進料口進入干燥機時固液兩相均勻分布。③干燥機蒸汽出口的水分全部來自于污泥中水分蒸發形成的水蒸氣。

2 雙軸螺旋槳葉干燥機模擬理論基礎

2.1 湍流模型

由于雙軸螺旋槳葉干燥機干燥過程中槳葉軸做旋轉運動，模擬時需考慮旋轉區域問題，因此選用 RNG k-ε 模型［26］，其湍流能量 k與耗散率 ε 方程如下：

其中

式（1）～式（6）中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；αk、αε分 別 為 k、ε 的 有 效 普 朗 特 數 的 倒 數 ，αk=αε=1.39；Gk為由平均速度梯度引起的湍動能產 生 項 ；C1ε、C2ε為 模 型 常 數 ，C1ε=1.42、C2ε=1.68；μ 為動力黏度，μt為湍動黏度，Pa·s；η為量綱一的應變或平均流時間尺度與湍流時間尺度之比；η0為η在剪切流中的典型值，η0=4.377；β 為模型常數，β=0.012。

2.2 動網格模型

干燥機槳葉軸在做旋轉運動時，其流體域模型邊界隨時間不斷發生變化，因此選用動網格模型［27］。在FLUENT中，動網格模型求解原理為，求解器根據計算域邊界運動后的新位置，自行完成每一時間步的體網格重新劃分，其守恒型方程為：

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式中，V為形狀和大小變化的控制體體積，m3；φ為通用變量；?V(t)為控制體體積運動邊界；→u為流體速度，為邊界網格運動速度，m/s；→A為截面積，m2；Г 為耗散系數；Sφ為標量 φ的源項。

3 雙軸螺旋槳葉干燥機污泥干燥數值模擬

3.1 邊界條件

干燥機進料口為速度進口，進口速度根據模擬工況的進料速度設定，蒸汽出口和出料口設置為壓力出口。干燥機內壁被夾套包圍的壁面和槳葉軸外壁面作為加熱面，在模擬時設置為恒溫壁面，壁面溫度根據模擬工況的熱源溫度設定。

通過查閱相關資料［28］，計算獲得的模型中主要涉及的污泥物性參數如下，污泥初始含水率68.03%，污泥進料溫度20℃，絕干污泥顆粒直徑0.8 mm，絕干污泥的密度為 1 169 kg/m3、比熱容1 458 J/（kg·K）、導熱系數 0.07 W/（m·K）。

3.2 多相流模型選用

相比于歐拉模型對計算機的高性能要求，mixture混合物模型具有迭代容易收斂、計算結果準確及對計算機的配置要求低等優點，被廣泛應用于各相以相同速度運動的多相流求解中。因此，文中的多相流模型采用mixture混合物模型，主相為水蒸氣，次相為利用組分運輸模型設置的污泥與液態水混合物料，其中液態水設置為次相的第一項。

4 雙軸螺旋槳葉干燥機內部污泥含水率模擬結果及討論

4.1 干燥機內部含水率分布

為研究雙軸螺旋槳葉干燥機內部含水率的分布情況，模擬了干燥機在熱源溫度160℃、槳葉軸轉速8 r/min、進料速度30 kg/h工況時的干燥過程。沿干燥機長度x方向，以x=200 mm為起點，每隔100 mm設定1個取樣點，得到了各取樣點截面的污泥平均含水率分布曲線，見圖3。

由圖3可知，干燥機中污泥平均含水率沿著干燥機的長度方向不斷發生變化，在x為200～500 mm區域，污泥平均含水率加速下降；在x為500～900 mm區域，污泥平均含水率勻速下降；在x為900～1 600 mm區域，污泥平均含水率減速下降。在干燥過程中，干燥機首端與尾部的污泥平均含水率下降幅度較小，中部區域的污泥平均含水率下降幅度較大。污泥由進料口進入干燥機后，先經歷一段預熱階段，該階段的熱量主要用來提升污泥自身的溫度，因此污泥平均含水率下降幅度較小。隨著污泥溫度的升高，當達到臨界溫度時，外部熱源傳遞給污泥的熱量全部用來汽化污泥中的水分，由此進入含水率勻速下降階段。最終，污泥中的水分逐漸減少，平均含水率下降幅度逐漸減小。

圖3 雙軸螺旋槳葉干燥機各取樣點截面污泥平均含水率

干燥機內部計算區域x為400 mm、900 mm及1 500 mm截面的污泥含水率分布云圖見圖4。由圖4a可知，污泥進入干燥機內，攪拌距離短，攪拌不充分，污泥中含水率還較高。由圖4b可知，污泥與加熱壁面接觸區域含水率較低，隨著污泥料層變厚，污泥的含水率逐漸增大。隨著污泥中的水分不斷蒸發，污泥含水率降低，污泥的傳熱和傳質阻力增大，干燥速率也逐漸減小。由圖4c可知，在干燥過程中，螺旋槳葉軸對污泥不斷攪拌，使其與加熱壁面充分接觸，此時污泥的含水率分布均勻，證明雙軸螺旋槳葉干燥機具有較好的干燥效果。

圖4 雙軸螺旋槳葉干燥機不同位置截面污泥含水率分布云圖

4.2 槳葉軸轉速對干燥效果的影響

在不改變其他操作條件的前提下，設置干燥機槳葉軸轉速分別為 6、7、8、9、10 r/min 這 5 種工況進行多相流模擬。不同槳葉軸轉速下干燥機x=1 500 mm出口截面的污泥含水率分布云圖見圖5，干燥機出口污泥平均含水率見表1。

圖5 不同槳葉軸轉速下雙軸螺旋槳葉干燥機出口截面污泥含水率分布云圖

表1 不同槳葉軸轉速下雙軸螺旋槳葉干燥機出口污泥平均含水率

由圖5可知，不同槳葉軸轉速下干燥機出口截面的污泥含水率分布未出現不均勻的情況，證明槳葉軸模擬轉速取值合理。

從表1可知，其他操作參數不變情況下，提高干燥機槳葉軸轉速，出口污泥的平均含水率略有升高。這主要是因為在雙軸螺旋槳葉干燥機干燥過程中，隨著槳葉軸轉速的提高，污泥在干燥機內停留的時間縮短，但螺旋槳葉軸對污泥的攪拌作用加強，最終導致槳葉軸在高轉速條件下的出口污泥平均含水率略高于低轉速條件下的出口污泥平均含水率，干燥效果不佳。同時，較高的轉速需要較大的電力負荷，成本會提高。因此，在雙軸螺旋槳葉干燥機進行干燥時不宜采用較大的轉速。但干燥機槳葉軸轉速過小會導致污泥停留在干燥機內部，攪拌不充分，與加熱面接觸的濕物料不能及時更新。此外，槳葉軸對污泥也有推動作用，槳葉軸轉速過小會使污泥在干燥機內傳輸不暢，影響干燥效果。因此，槳葉軸轉速的選擇對干燥機干燥效率至關重要。

4.3 進料速度對干燥效果的影響

在不改變其他操作條件的前提下，設置干燥機進料速度為 26、28、30、32、34 kg/h 這 5 種工況進行多相流模擬。不同進料速度下干燥機x=1 500 mm出口截面的污泥含水率分布云圖見圖6，干燥機出口污泥平均含水率見表2。

圖6 不同進料速度下雙軸螺旋槳葉干燥機出口截面含水率分布云圖

表2 不同進料速度下雙軸螺旋槳葉干燥機出口污泥平均含水率

由圖6可知，當干燥機進料速度增大時，污泥料層厚區的含水率較高。這是由于增大污泥的進料速度使干燥機內部的污泥積壓，污泥料層熱阻增大，不利于物料層內部傳熱過程的進行，因此影響干燥效果。

從表2可知，其他操作參數不變時，隨著干燥機進料速度的增大，出口污泥平均含水率升高。主要原因是當干燥機進料速度增大時，單位時間內需要被蒸發的水分增加，但由于外部熱源的溫度不變，用于干燥污泥的輸入熱量不變，所以單位體積污泥獲得的熱量減少，即單位體積污泥蒸發水量減少，導致出口污泥平均含水率升高。

5 結語

基于FLUENT計算流體力學模擬軟件，對雙軸螺旋槳葉干燥機的干燥過程進行多相流數值模擬。以出口污泥平均含水率為指標，研究槳葉軸轉速與進料速度對雙軸螺旋槳葉干燥機干燥效果的影響。模擬結果分析表明，①在干燥過程中，污泥平均含水率沿著干燥機長度方向變化，規律為先加速下降再勻速下降，最后減速下降。加熱壁面與污泥接觸區的含水率較低，且隨著污泥變厚，污泥含水率逐漸增大。②干燥機槳葉軸轉速加快時，出口污泥平均含水率升高。這是由于槳葉軸旋轉對污泥起到了輸送作用，槳葉軸轉速加快使污泥輸送加快，污泥在干燥機中停留時間縮短，導致出口污泥平均含水率升高。③出口污泥平均含水率隨污泥進料速度的增大而升高。主要原因是當污泥進料速度增大時，單位體積污泥獲得的熱量減少，并且進料速度增大使干燥機內部污泥積壓，污泥料層熱阻增大，影響干燥效果，致使出口污泥平均含水率升高。