污泥固定床氣化爐箅布氣的研究及應用

左永飛 宋 樂

(賽鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

污泥是污水處理后的固體物質，它里面包括有機殘片、無機無顆粒、膠體、細菌以及細菌菌體等，是一種成分極其復雜的非均質體，同時污泥中含有大量的病原體、有機污染物、重金屬元素，也含有豐富的N，P，K等營養元素。污泥的化學性質不穩定，含水率很高，因此極易腐臭，若處理不當將容易對環境產生二次污染。所以對污水處理廠產生的大量污泥進行處理是現代城市亟待解決的一個問題。目前，污泥處置主要有填埋、堆肥和焚燒三種方法。其中，填埋和堆肥的方法因為占用土地較多和容易產生二次污染等問題，無法滿足日益增長的城市污泥處理要求。而對污泥進行熱解氣化處理，可以充分利用污泥含有大量可燃性物質的特點，將污泥中有機質充分處理。基于某污水處理廠的污泥，經過干燥，成型制備成滿足固定床氣化的棒狀或球狀的污泥，通過固定床氣化，將污泥中的有機質、細菌等經過高溫氣化，剩余無毒無害的灰渣再進行填埋或作為建筑材料，解決污泥中臭氣，細菌等污染環境的問題。

1 布氣研究模型建立

1.1 模型建立與網格劃分

依據實際的污泥氣化爐爐體裝配圖尺寸建立1∶1分析模型，結合實際氣化過程氣流分布只與氣化爐內壁結構有關，因此氣化爐模型將水夾套外壁簡化，氣化爐上料斗與灰鎖連接法蘭使用封蓋封死，模擬上料斗與灰鎖閥關閉的狀態。加料套筒與內壁簡化成一個整體結構，同時省略掉爐箅內部與計算分析無關的傳動元件，氣流從爐箅底部管道送入。

由于污泥氣化采用固定床氣化，氣化劑在氣化爐內部的流動要穿過由物料床層構成的多孔介質，因此在建模過程中，建立了物料堆的整體模型，并設置為多孔介質。按照灰層，燃燒層，還原層，干餾層，干燥層的順序將物料堆自下而上分為5段。

多孔介質的設定參數以及床層高度、溫度分別見表1，表2。

網格劃分采用基于正交網格技術演化出來的八面體網格技術，初始網格級別選擇5級，最小縫隙尺寸依照爐箅間隙尺寸設置，細化級別1級。為了保證計算的精確性,在靠近爐壁的區域以及爐箅出氣口區域設置局部網格細分以保證小結構處以及圓弧處計算的準確性。裝配后的整體分析模型與網格劃分情況如圖1所示。

表1 多孔介質的設定參數

表2 床層高度分布

1.2 分析參數設置

根據實際運行操作數據，確定了以下基本分析參數，如表3所示。

1.3 爐箅布氣方式選擇

依據污泥氣化爐總裝圖中氣化爐各層爐箅的布氣比例是決定爐內氣化劑分布規律的最重要因素，各層爐箅的布氣比例取決于各層間隙的大小，如圖2所示。

本研究分別改變各層爐箅的最小間隙，制定了以下11個分析對比組，其中對比組1是基準分析組，最小間隙按照原設計的間隙確定，對比組2，組3；對比組4，組5；對比組6，組7；對比組8，組9；對比組10，組11。分別在對比組1的基礎上將其中一層爐箅的最小間隙增大與減少，這樣構成了一個完整的單因素研究體系，用于探明各層爐箅布氣比例對整體布氣量的影響，具體見表4。

表3 分析參數

表4 11種布氣方式各層的布氣比例

層數對比組各層最小縫隙寬度/mm(從上至下)12345對比組113,22,26,28.5,27對比組28,22,26,28.5,27對比組318,22,26,28.5,27對比組113,22,26,28.5,27對比組413,17,26,28.5,27對比組513,27,26,28.5,27對比組113,22,26,28.5,27對比組613,22,21,28.5,27對比組713,22,31,28.5,27對比組113,22,26,28.5,27對比組813,22,26,23.5,27對比組913,22,26,33.5,27對比組113,22,26,28.5,27對比組1013,22,26,28.5,22對比組1113,22,26,28.5,32

2 研究結果與討論

計算得到了11個對比組的爐內氣流分布數據，在此分別討論各層間隙大小對爐內氣化劑分布的影響。為了使數據結果更加直觀和有指導意義，選取了以下幾個參考位置作為數據比較點。

1)氣化爐縱向截面氣流速度分布圖見圖3左圖；

2)爐箅錐形表面速度—直徑位置見圖3 A位置；

3)爐箅頂端上方100 mm平面，速度—直徑位置見圖3 B位置。

2.1 各層布氣單因素分析

2.1.1首層布氣對爐內氣化劑分布的影響

對爐箅錐形面附近(A位置)氣流速度分布情況進行數據定量分析。由圖4可以看出：在爐箅錐形面附近，氣流速度分布對應5個環狀間隙存在5個流動峰值區域，各間隙對應的峰值流速存在較大差異。

根據對比可以看出，隨著首層間隙增大，首層對應的流速峰值高度顯著增高，并且峰值區域的寬度顯著增寬；與此同時其他層流速峰值隨之略微降低。

在調整布氣的均勻性時，增加首層布氣對整個氣化是有利的，優化時考慮增加首層布氣量。

2.1.2第二層布氣對爐內氣化劑分布的影響

分析爐箅錐形面附近氣流速度分布情況(A位置)，見圖5，根據對比可以看出，隨著第二層間隙大小增大，第二層對應的流速峰值高度顯著增高，并且峰值區域的寬度顯著增寬；首層對應的流速峰值略微增高，與此同時其他層流速峰值隨之略微降低。在調整布氣的均勻性時，特別是增加頂部布氣，減少中心死區時，考慮增加第二次的布氣量。

在調整布氣的均勻性時，特別是增加頂部布氣，減少中心死區時，考慮增加第二次的布氣量。

2.1.3第三層布氣對爐內氣化劑分布的影響

分析爐箅錐形面附近(A位置)氣流速度分布情況，見圖6。根據對比可以看出，隨著第三層間隙大小增大，第三層對應的流速峰值高度顯著增高，并且峰值區域的寬度顯著增寬；首層對應的流速峰值略微增高，第二層流速基本不變，與此同時其他層流速峰值隨之略微降低。

對于整個爐箅子整體均勻性調整時，可以適當降低第三層的布氣量，增加第一層和第二層布氣。

2.1.4第四層布氣對爐內氣化劑分布的影響

對數據進行定量分析，見圖7，分析了爐箅錐形面附近(A位置)氣流速度分布情況。根據對比可以看出，隨著第四層間隙大小增大，第四層對應的流速峰值高度顯著增高，并且峰值區域的寬度顯著增寬；第三層，第五層對應的流速峰值略微減小，第一，第二層流速基本不變。對于整個爐箅子整體均勻性調整時，可以適當降低第四層的布氣量，對第一層和第二層布氣不受影響。

2.1.5第五層布氣對爐內氣化劑分布的影響

對數據進行定量分析，見圖8。分析了爐箅錐形面附近(A位置)氣流速度分布情況，根據對比可以看出，隨著第五層間隙大小增大，第五層對應的流速峰值高度顯著增高，并且峰值區域的寬度顯著增寬；第三，第四層對應的流速峰值略微降低，第一，第二層流速基本不變。

2.2 爐箅布氣整體優化

根據以上單因素分析獲得的結果，對爐箅布氣情況展開優化研究。首先根據各層單因素布氣分布的結果進行分析發現爐箅表面附近的錐形面(A位置)氣體流速的幾個峰值速度存在較大不均勻性，并且其峰值速度與各層爐箅間隙存在一定關系，這個關系作為后續優化的基本準則，具體為：

增加首層的布氣量；增加第二層的布氣量；降低第三層的布氣量；降低第四層的布氣量和降低第五層的布氣量。

目標為各層間隙氣體流速基本一致，外層流速稍微高一點為較優結果，按照此目標先進性理論計算各層布氣量和氣化劑流速，設定布氣流速在1.0 m/s～1.5 m/s之間，依據上述原則對爐箅間隙做調整設置了以下對比組(具體見表5)，其中對比組1是基準分析組，最小間隙按照原設計的間隙確定，優化按照上述原則，逐步微小調整，最終要求各層間隙氣體流速基本一致，外層流速稍微高一點為較優結果。

表5 幾種優化方案的布氣比例

對比組各層最小縫隙寬度/mm對比組113,22,26,28.5,27優化119,22,20,24,28優化219,23,19,24.5,26優化320,24,19,24.5,26優化421,24.5,18,24,25.5

2.2.1優化1優化效果研究

由圖9爐箅出氣口處錐面氣流分布對比可以看出，第二層，三層，四層氣流速度峰值較高的情況獲得一定改善，但是改進后第五層氣流速度峰值明顯過高。

2.2.2優化2優化效果研究

由圖10爐箅出氣口處錐面氣流分布對比可以看出，第三層，四層氣流速度峰值較高的情況獲得一定改善，三層，四層，五層氣流分布基本均勻，第一層，二層氣流速度偏低。

2.2.3優化3優化效果研究

由圖11爐箅出氣口處錐面氣流分布對比可以看出，第二層，三層，四層氣流速度峰值較高的情況獲得明顯改善，同時第一層氣速較低的情況也得到改進，改進后第一層，三層，四層，五層氣流速度基本均勻，第二層氣流速度略低。

2.2.4優化4優化效果研究

由圖12爐箅出氣口處錐面氣流分布對比，可以看出改進后各氣速峰值幾乎均勻，獲得了良好的分布效果。

由圖13爐箅上方100 mm平面氣流分布對比，可以看出氣流軸心附近速度較明顯增加，靠近外壁位置氣流顯著降低，但是對軸心處氣流低速區改善作用有限。

通過優化獲得較優的布氣結果為：優化4的布氣，各層間隙分別為：21 mm，24.5 mm，18 mm，24 mm和25.5 mm。

2.3 布氣死區消除優化分析

根據單因素分析結果可知通過調整爐箅間隙，爐箅縫隙附近氣流分布均勻性得到改善，但是不論是在爐箅表面附近(A位置)，還是在堆積了一定床層高度之上(B位置)，靠近軸心位置均存在著較大死區，且不論如何改變各層間隙，對軸線附近的氣流低速區域的影響極其有限。分析原因可以發現，軸心處布氣量少主要因為爐箅頂層爐箅的直徑較大影響氣流向中心位置擴散，為此在優化4的基礎上設置優化5與優化6分別在將首層爐箅半徑縮小30 mm(由原來的230 mm到200 mm)和45 mm(由原來的230 mm到185 mm)。研究獲得了縱向截面氣流分區情況，見圖14，由截面分布圖可以看出，縮小爐箅直徑，爐箅頂部上方氣流低速區域范圍顯著縮小。

由圖15爐箅出氣口處錐面氣流分布對比，可以看出優化組5改進后各氣速峰值幾乎均勻，保持了良好的分布效果，對比組6由于直徑縮小較多對爐箅出氣間隙的流阻造成了一定影響，導致首層對應氣速減小，其他層氣流速度分布保持了均勻。

由圖16爐箅上方100 mm平面氣流分布對比，可以看出軸心附近氣流速度明顯增加，低速區域范圍明顯縮小，靠近外壁位置氣流顯著降低，靠近氣化爐軸線位置氣流速度較低的問題得到較大改善。

綜合考慮，建議首層爐箅子半徑縮小30 mm，即由原設計的直徑460 mm改為優化后直徑400 mm。

3 結論與建議

通過計算機仿真模擬建立1∶1尺寸的氣化爐及污泥模型，然后對污泥氣化爐內部氣化劑的流動分布情況進行了模擬分析，最終得到了氣化爐內部的氣流分布模型，模擬發現爐箅布氣不均勻主要體現在各層爐箅子布氣嚴重不均勻和氣化爐中心布氣不足2個方面，這和實際運行結果相吻合。然后通過計算機數值模擬分析污泥氣化爐箅布氣和爐箅結構優化獲得：

1)通過改變各層爐箅間隙大小，研究了爐箅間隙大小對爐箅上方布氣均勻性的影響，并進行了優化設計，結果發現，增加爐箅間隙大小對該層間隙附近灰層中的氣流速度有直接影響，通過調整各層爐箅間隙，發現設置各層間隙為21 mm，24.5 mm，18 mm，24 mm，25.5 mm條件下，氣流速度分布較為均勻。

2)為改善靠近軸線位置氣流速度較低的問題，對首層爐箅直徑做了優化，將其縮小至400 mm以及370 mm分別進行了分析，結果顯示，縮小首層爐箅直徑，軸向位置氣流速度較低的問題得到顯著改善，最優選擇為400 mm。

3)數值模擬結果在工業裝置上進行應用，運行效果良好，氣化爐能長周期穩定運行，說明計算機仿真模擬分析方法不僅可以診斷污泥氣化爐爐箅子布氣存在問題，還可以優化爐箅子結構設計并指導實際工業化生產。