洗煤廠污泥與木屑混合熱解傳熱過程模擬

0 引言

洗煤廠污水污泥含水率高，富集了污水中的有毒有害物質，但有機成分含量高，具有較高的能源利用價值，非常適宜于熱解處理

。熱解技術可實現重金屬固化，其氣、固、液相產物還有極大的利用價值

，但高含水率導致的能耗問題卻制約著該技術的發展。課題組前期發現添加木屑做助濾劑可強化脫水效果，大幅降低熱解前期能耗，提高了污泥熱解技術應用的可行性

。熱解反應是一系列復雜物理化學變化的耦合，污泥內不同物質的各相異性、顆粒粒徑及氣相析出的擴散效應等都會影響熱量傳遞效果。基于此，在前期研究基礎上對洗煤廠污泥、木屑混合熱解傳熱過程進行了數值模擬，以期對污泥熱解工藝及設備研發提供理論依據。

1 污泥木屑混合熱解傳熱過程建模

1.1 幾何模型與基本假設

洗煤廠污泥（以下簡稱“污泥”）添加木屑（質量比8:2）經機械壓榨后進行破碎，破碎顆粒多呈無特定規則塊狀，為簡化計算，文中選取單體球形顆粒進行建模（如圖1所示）。

污泥與木屑以特定比例混合均勻，內部物質各向均布。顆粒在高溫環境下與惰性介質進行對流換熱與輻射傳熱，熱量經熱傳導作用向內部傳遞。當溫度上升至有機質熱解起始溫度時，有機質裂解生成氣相大分子焦油類物質及其它不凝性氣體，氣體迅速析出顆粒表層并帶走部分熱量。為簡化計算，對熱解傳熱過程作了如下合理的簡化與假設：

坡腳道路工程受邊坡影響長度為邊坡的走向長度150 m，道路工程包括路基和路面，參照福建高速公路的造價，路基工程每延米造價2.2萬元，路面工程每延米造價0.9萬元，故公路工程直接損失為465萬元。

1）熱解過程生成的氣-固相處于局部熱平衡狀態，熱量沿徑向傳遞，不考慮體積收縮與膨脹。

邊界條件：熱解起始溫度為298 K；顆粒內部溫度均勻，中心

=0處，

=0；氣相產物、焦炭及水蒸氣初始密度為0；顆粒表層邊界

＞0，

=R時，按式(3)處理。

3）不考慮污泥與木屑的協同或抑制效應及無機物的催化作用，無機質只發生能量傳遞而不參與反應。

1.2 數學模型

污泥與木屑反應活性差異較大，數學模型中作分別計算，將熱解反應過程視為單組分單步化學反應直接生成固態產物和氣態析出物。干化過程中結合水析出較為困難，主要受控于顆粒內部溫度梯度及擴散速率等因素，而前期研究發現污泥中水分析出與有機質熱解溫度區間并無重合。因此，從宏觀角度出發將干化過程視作一級化學反應過程，將水的界面蒸發與擴散活化能耦合定義為水分析出的表觀活化能，并將汽化潛熱假定為具有吸熱效應的內熱源

。采用非等溫熱動力學方程對水分析出過程進行描述，反應速率常數借鑒

方程，如式（1）所示。

式中，

為污泥水分析出率/%；

為等效表觀活化能/kJ/mol；

為等效頻率因子/min

；

為氣體常數；

為絕對溫度/K。

圖4為半徑5 mm干燥污泥顆粒在870 K恒溫熱解時傳熱模擬結果。圖4（a）為不同位置處溫度與升溫速率對比。由局部放大可看出，受熱量傳遞方向性的影響，不同徑向位置始終存在明顯的溫度差，最大可達60 K，升溫速率也有較明顯差異。此外，升溫速率曲線存在兩個明顯的波峰，其中第一個是顆粒內外瞬時溫差而導致內部溫度的快速升高，此階段越靠近外表面升溫速率越大；第二個波峰則是有機質熱解反應致使污泥內部成分改變，進而引起相關參數變化所造成的。圖4（b）為熱解過程不同位置轉化率與轉化速率對比。因不含水分，在低溫階段無失重發生，故在達到熱解溫度后有機物質開始熱解。受溫度梯度的影響，可以觀察到顆粒中心相比表層熱解完成時間有約10 s的滯后，最大轉化速率相比降低約17%。

單位體積內能量變化應由表層能量傳遞、水分汽化與熱解反應熱及氣態產物析出擴散熱量綜合確定，據此列出污泥顆粒熱解能量平衡方程如式（2）：

（13）心理咨詢師[Ag]在咨詢關系建立之前，必須讓[Pro][[求助者[Af-Cog]了解[Pro]心理咨詢工作的性質、特點和這一工作可能的局限[Ph]]。

2）熱解氣相產物為理想氣體，其中氣態大分子焦油類產物不發生二次裂解，固相產物為多孔介質焦炭，物性參數分布均勻。

式中，

T

和

T

分別為熱解氣氛溫度與污泥顆粒表面溫度/K；

為污泥顆粒表面導熱系數/W/(m·K)；

為氣氛與顆粒表面的對流換熱系數，W/(m

·K)；

為顆粒發射率。

從圖6（a）中心處溫升與升溫速率曲線可以看出，顆粒粒徑的差異導致內部溫度演變過程大不相同。3 mm顆粒熱解速度極快，當其完成熱解時10 mm樣本中心尚未達到有機質的熱解起始溫度，其最大升溫速率相比增大650%，二次波峰也超前近150 s。此外，從圖6（b）顆粒中心轉化率與轉化速率曲線也可以看出，3 mm顆粒約30 s可完成熱解，最大轉化速率為2.8%/s；而10 mm顆粒的熱解完成時間滯后170 s，最大轉化速率降低約82%。

2 結果與討論

2.1 計算結果與驗證

據悉，珠海轄區虎跳門水道是海船進出西江的交通要道，水道彎曲狹長，通航環境復雜，船舶主要以大型散貨船、油船為主，監管難度大，且周邊渡口、橋梁眾多，為更好地做好“平安西江”建設，珠海海事局召開斗門轄區水上交通安全監管專題會議，將“海躉1556”調整至斗門鳘魚沙設立監管點，作為轄區“平安西江”建設的前沿陣地和橋頭堡。

為驗證模型的準確性，文中選取相同物性參數將仿真結果與文獻［4］中實驗結果對比（如圖3所示）。圖中為顆粒半徑7.5 mm，熱解溫度

T

分別為660 K和730 K時中心溫度發展過程。可以看到仿真模型曲線與文獻數據吻合良好，但隨溫度上升，模擬結果較實驗值偏差稍有增大，這與文獻［4］中的結果具有一定的相似性，原因可能在于高溫階段熱解反應更為復雜，模型所采用的參數出現一定的偏差，但總體與實驗結果吻合，可以較好地反映物質熱解時熱量傳遞過程。

熱解分步反應模型如圖2所示，其中，

、

分別為污泥與木屑的熱解反應表觀活化能，將有機質熱解動力學方程、水分析出動力學方程與能量平衡方程耦合進行求解。

式中，

為反應時間/s；

、

分別為物質的密度/kg/m

與定壓比熱容/kJ/(kg·℃)；下標

、1、2、3、s、

、

分別代表水分、污泥有機相、木屑、無機相、固態產物、氣態產物與水蒸氣；

為污泥顆粒的有效導熱系數/W/(m·℃)；

為熱解反應層位置/m；Δ

、Δ

分別為污泥有機相、木屑熱解的反應熱/kJ/kg；Δ

為水分蒸發過程等效反應熱/kJ/kg。

2.2 熱解溫度對傳熱過程影響

大量實驗研究表明溫度對于熱解過程影響非常明顯，對半徑5 mm的干污泥顆粒在不同熱解溫度（773，873，973和1 173 K）下的傳熱過程進行了計算，結果如圖5所示。

解析：n(混合氣體)5mol,根據體積分數與物質的量的分數相等,則n(CO2)=5mol×0.48=2.40 mol。CO2被完全吸收,NaOH也完全反應,則反應的產物可能是Na2CO3(此時NaOH的濃度最大)、NaHCO3(此時NaOH的濃度最小),或Na2CO3和NaHCO3的混合物。用極值思想分析兩個特殊情況:CO2+NaOH==NaHCO3,n(NaOH)=n(CO2)=2.40mol,則CO2+2NaOH==Na2CO3+H2O,n(NaOH)=2n(CO2)=4.80 mol,則

圖5（a）為顆粒中心升溫與升溫速率曲線，可以看到熱解溫度越高則顆粒中心點的升溫速率越高，#4樣本最大升溫速率約為11.7 K/s，比#1樣本升高超過80%，升溫速率曲線二次波峰也相比提前了約40 s。圖5（b）為顆粒中心轉化率與轉化速率對比曲線。圖中可以看到失重速率隨熱解溫度的升高迅速增大，失重速率波峰提前出現，導致高、低溫熱解完成時間差達到40 s左右。

隨著市場經濟體制的逐步完善，高校國有資產管理面臨的風險因素也在增多。要加強高校國有資產管理應對風險的能力，首先有一點，就是要將傳統的事后管理變為事前管理。建立相關財務風險的預測預警機制，實時追蹤和反映國有資產管理的財務指標和數據，及時發現已經存在或者潛在的問題，盡可能避免在國有資產管理過程中的決策失誤，并盡量降低國有資產管理經營中的風險，保證國有資產的保值增值，防止國有資產的流失［3］。

2.3 顆粒粒徑對傳熱過程影響

實際工業過程中脫水污泥經過破碎運輸后，顆粒分布范圍較寬，不同爐型對入料粒徑也有要求，而粒徑對熱解傳熱影響較大。文中對873 K熱解溫度時，

=3，5，8和10 mm的干污泥顆粒熱解傳熱情況進行了模擬，結果如圖6所示。

污泥性質差異性較大，文中部分參數參考多篇文獻取常數

，部分參數見表1。熱解表觀活化能分別為64 kJ/mol和150 kJ/mol，反應級數

=5。傳熱模型采用有限差分法進行離散處理，高斯消元法進行迭代求解。

今天的訓練到此結束，直到睡覺前時間都可以自由支配。夢寐以求啊，一想到這點，我就感覺有點眩暈，盡管我也知道，這可能是過度疲勞導致的。

綜上所述，對蝦殼的利用技術正在逐步優化、改良和發展。傳統的酸堿法可以有效地提取出蝦殼的甲殼素，但存在諸多弊端，酶法的優點是條件溫和，避免污染，工藝簡單，且酶解液中的鈣和蛋白質等成分可回收利用，由于有機酸的酸性較低，不易導致甲殼素水解，與發酵法一樣，可獲得高分子甲殼素，但是其制約因素為生產成本過高和資源綜合率不高；微生物發酵法的優點是反應條件溫和，對環境友好，可以得到較高分子量的甲殼素，且蛋白質、蝦青素等成分也能回收利用，同時可以發酵得到堿性蛋白酶、甲殼素脫乙酰酶和抗菌化合物等高附加值的產物。

2.4 含水率對傳熱過程影響

研究表明，污泥中適量水分可以增加原料中的氫元素，并在高溫時促進二次裂解反應進行，增大合成氣產量。對含水率分別為0、25%和50%，

=10 mm的污泥顆粒在873 K溫度熱解過程進行了模擬，結果如圖7所示。

從圖7（a）溫度與升溫速率曲線可以看到，前期水分蒸發需要消耗大量熱量，致使曲線間呈現較大差異。#1與#3樣本中心處溫差可達280 K，這種溫差使得同時刻樣本間物性參數與反應速率出現不同，故#1樣本最大升溫速率相比#3增大超過250%，熱解所需時間也隨之延長。當溫度繼續升高至熱解起始溫度后有機成分開始分解，可在圖7（b）轉化率與轉化速率曲線中看到，濕污泥曲線有兩個波峰，含水率越高則前期水分析出的一次波峰越寬，位置也越滯后。原因在于較慢的水分蒸發速率會使顆粒內呈現較大溫度梯度，進而導致外層熱解反應與內層水分蒸發同時存在，這與文獻［11］的實驗結果類似，進一步驗證了模型的準確性。

3 結語

1）熱解過程污泥顆粒內部存在一定溫度梯度，內部各處升溫速率與轉化速率均有差異，且溫度演變并不隨熱解溫度升高而線性變化。

2）污泥顆粒越大內部溫度梯度越大，熱解完成時間隨顆粒粒徑的增大而急劇增加且不成比例，最大轉化速率也迅速減小并有一定延遲。

3）污泥中水分會大幅延緩熱解完成時間，同時內部溫度梯度極大，但當顆粒尺寸較大時，內部水分析出會與表層熱解反應同時進行，可使析出水蒸氣參與熱解反應，進而提高熱解合成氣品質。

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