在預(yù)測(cè)物料的μmf方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，得到了許多μmf的經(jīng)驗(yàn)公式。但由于物料性質(zhì)和試驗(yàn)條件的不同，得出的經(jīng)驗(yàn)公式有很大差異，至今還沒有統(tǒng)一的μmf計(jì)算公式。在污泥流化研究中發(fā)現(xiàn)，含水率是影響μmf的重要因素之一。而前人有關(guān)μmf的試驗(yàn)，研究對(duì)象多為玻璃球、石英砂、煤樣等，影響因素多為床溫、粒徑、壓力等。有關(guān)污泥含水率對(duì)μmf影響的研究較少。為此，本文研究了不同含水率下污泥的流化特性，介紹了μmf經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)過程，其他種類污泥可以參考本文方法，通過簡單的試驗(yàn)快速得到μmf的計(jì)算公式。
一、試驗(yàn)裝置及步驟
1.1 試驗(yàn)工況及樣品
臨界流化速度μmf是流化態(tài)操作的最低速度。本文認(rèn)為，床料的物性(密度、粒徑分布、表面粘性等)和流化氣體的物性(密度、動(dòng)力粘度等)直接影響μmf，溫度、壓力等外因通過影響床料和氣體的物性間接影響μmf。實(shí)際工程中流化床干燥設(shè)備的運(yùn)行壓力為常壓，運(yùn)行溫度在100℃以下。由于試驗(yàn)中測(cè)得溫度在100℃以下時(shí)，污泥顆粒的密度、粘性等隨溫度變化較小，且Saxena對(duì)白云石(20～500℃)的研究也表明溫度對(duì)μmf影響較小，故選定試驗(yàn)溫度為30℃，試驗(yàn)壓力為0.1MPa。
試驗(yàn)樣品為東莞某造紙廠的造紙污泥，主要組成有纖維素、造紙?zhí)盍稀⒒ぶ鷦┖退?。造紙污泥已?jīng)過機(jī)械壓濾和破碎處理，初始含水率為48%，密度為1269kg/m3，呈顆粒狀。污泥粒度分布列于表1，按質(zhì)量百分比法計(jì)算污泥顆粒的質(zhì)量平均直徑dp為1.96mm：
式中：di為顆粒直徑，xi為質(zhì)量百分比。
將收到的初始污泥顆粒置于105℃的烘箱內(nèi)干燥8h，得到全干污泥，通過前后的質(zhì)量差計(jì)算得到初始污泥的含水率為48%。在制備不同含水率的污泥時(shí)，首先取一個(gè)空托盤稱重，再將適量含水率為48%的初始污泥置于托盤中，稱量其總質(zhì)量，計(jì)算烘干到目標(biāo)含水率時(shí)這份污泥應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)質(zhì)量。將污泥放入60℃的烘箱內(nèi)干燥，每10min取出稱重并混合均勻，直至達(dá)到目標(biāo)質(zhì)量，取出密封保存。使用同樣的方法分別得到不同含水率的污泥樣品，不同含水率下污泥密度參數(shù)列于表2。烘箱干燥的過程中會(huì)有部分顆粒破碎，為了防止粒度分布發(fā)生改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，將干燥后的污泥篩分，按原粒度分布重新混合后用于試驗(yàn)。
1.2 試驗(yàn)裝置
圖1為試驗(yàn)裝置簡圖。裝置主要由流化床反應(yīng)器、壓差變送器、渦街流量計(jì)和離心式鼓風(fēng)機(jī)組成。反應(yīng)器的主體是一個(gè)直四棱柱流化室，其中一面設(shè)有有機(jī)玻璃，可觀察流化室內(nèi)流化情況，橫截面積310mm×230mm，有效高度60cm。流化室底部設(shè)置有布風(fēng)板、2層18目篩網(wǎng)和壓板，布風(fēng)板采用平板多孔式，錯(cuò)列布置，小孔風(fēng)向與板垂直。反應(yīng)器的上下部位分別是沉降室和風(fēng)室，其截面呈上寬下窄的兩個(gè)倒梯形。沉降室上寬下窄的結(jié)構(gòu)使氣體表觀速度降低，有利于氣流攜帶的細(xì)顆粒重新落回流化室內(nèi)，減少細(xì)顆粒被氣流帶走而引起的壓降變化，風(fēng)室起導(dǎo)流和穩(wěn)流的作用，使氣流進(jìn)入流化室時(shí)分布均勻。壓差變送器一端布置于風(fēng)室內(nèi)接近布風(fēng)板處，一端連接大氣。離心式鼓風(fēng)機(jī)配有高性能矢量變頻器，通過控制鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來控制引入風(fēng)室的一次風(fēng)量，通過LUGB–65渦街流量計(jì)測(cè)量空氣體積流量，然后計(jì)算得到流化室內(nèi)表觀氣體流速。
1.3 試驗(yàn)步驟
首先，測(cè)定空床狀態(tài)下的布風(fēng)板阻力，在空床狀態(tài)下，調(diào)節(jié)變頻器逐漸增大一次風(fēng)量，在每個(gè)風(fēng)量下維持2min，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)的布風(fēng)板壓降，直到增至最大風(fēng)量。其次，稱取10kg污泥顆粒床料，均勻加入至流化室內(nèi)，關(guān)閉進(jìn)料口，檢查反應(yīng)器的氣密性是否良好。再次，開啟變頻器，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，將風(fēng)量調(diào)至最大，透過有機(jī)玻璃觀察流化室內(nèi)物料的流化狀態(tài)，確認(rèn)床內(nèi)物料已完全流化，維持5min等待系統(tǒng)穩(wěn)定。然后，調(diào)節(jié)變頻器逐漸減小一次風(fēng)量，在每個(gè)風(fēng)量下，維持2min待系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)的壓差變送器和渦街流量計(jì)讀數(shù)，直至風(fēng)量為零(變頻器可調(diào)最大頻率為50Hz，每次以2Hz逐步遞減進(jìn)行調(diào)節(jié)，共25組數(shù)據(jù))。最后，待流化結(jié)束、床層高度較流化前略有增大時(shí)，記錄此刻的床層高度，以用于計(jì)算料層空隙率。打開出料口，清空物料，換不同含水率的污泥重復(fù)以上步驟。
二、試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 布風(fēng)板阻力特性
試驗(yàn)已經(jīng)測(cè)得了不同的一次風(fēng)量下布風(fēng)板的壓降。風(fēng)速u的計(jì)算如下：
式中：Qg為一次風(fēng)量，Ac為床層截面積(經(jīng)計(jì)算為0.0713m2)，
圖2為布風(fēng)板壓降曲線，擬合得到布風(fēng)板壓降△Pc與表觀風(fēng)速u的函數(shù)關(guān)系為
2.2 臨界流化速度的確定
由固定床階段進(jìn)入流化階段時(shí)需克服顆粒之間的作用力，升速法所得壓降曲線由于體系的遲滯效應(yīng)而帶有任意性，因此顆粒的最小流化速度通常用降速法測(cè)定。本試驗(yàn)采用降速法，即先增大一次風(fēng)量至床層完全流化，再逐次減小風(fēng)量，并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)可以測(cè)得污泥顆粒在不同表觀風(fēng)速u下，床層與布風(fēng)板的壓降之和，減去對(duì)應(yīng)風(fēng)速下空床布風(fēng)板壓降△Pc，即可得到床層壓降△P隨表觀風(fēng)速u的變化規(guī)律。將固定床階段壓降曲線與流化階段壓降曲線的切線交點(diǎn)定為臨界流化點(diǎn)。圖3為污泥含水率為0%時(shí)的風(fēng)速–壓降曲線，圖中點(diǎn)A為臨界流化點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的表觀風(fēng)速為臨界流化速度μmf。
2.3 含水率對(duì)污泥流化的影響
圖4為污泥含水率分別為15%和35%時(shí)流化過程現(xiàn)場(chǎng)圖。圖5給出了9種不同含水率污泥流化的風(fēng)速–壓降曲線。
結(jié)合圖4和圖5，分析可知，隨著污泥含水率的增大，μmf呈上升趨勢(shì)，流化狀態(tài)由散式流化向聚式流化過渡。一方面，含水率的增大使污泥顆粒的密度增大，而μmf與顆粒密度呈正相關(guān)，因此μmf隨含水率的增大而增大。另一方面，在烘箱干燥過程中發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)所用造紙污泥含有許多絮狀纖維，隨著含水率的增大，污泥質(zhì)地變軟，且顆粒表面吸附了更多的水分，顆粒黏性和顆粒聚團(tuán)能力明顯增強(qiáng)。這使得污泥流化時(shí)顆粒與顆粒之間、顆粒與反應(yīng)器壁面間的相互作用力均增大，流化阻力增大，從而使μmf增大。由圖5還可知，含水率的增大使污泥流化穩(wěn)定性降低。圖5中不同含水率下的流化曲線表明：低含水率的污泥顆粒流化狀態(tài)穩(wěn)定，所得流化曲線平穩(wěn)，在固定床階段向流化階段過渡時(shí)有平滑的拐點(diǎn)，試驗(yàn)觀測(cè)流化室內(nèi)呈散式流化，而高含水率的污泥顆粒流化狀態(tài)逐漸惡化，所得流化曲線有較大波動(dòng)，固定床階段向流化階段過渡的拐點(diǎn)不易確定，試驗(yàn)觀測(cè)流化室內(nèi)呈聚式流化。試驗(yàn)測(cè)得造紙污泥在此粒度分布下可流化的最大含水率約為38%，含水率高于38%時(shí)流化極不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)穿孔和溝流。
2.4 臨界流化速度經(jīng)驗(yàn)公式
國內(nèi)外學(xué)者對(duì)μmf做了大量研究，得出很多μmf的經(jīng)驗(yàn)公式，表3為部分學(xué)者得出的經(jīng)驗(yàn)公式及公式適用條件。
表3中，Ar為阿基米德數(shù)，Remf為臨界流化時(shí)的雷諾數(shù)。
圖6為本文μmf試驗(yàn)值與這些經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的對(duì)比圖，其中序號(hào)1~7分別對(duì)應(yīng)于表3中的經(jīng)驗(yàn)公式序號(hào)，紅色粗實(shí)線為μmf隨含水率的變化趨勢(shì)。分析可知，由于物料流化性質(zhì)的差異，直接使用這些經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算試驗(yàn)所用污泥的μmf會(huì)產(chǎn)生較大偏差，需選擇合適的方法重新擬合經(jīng)驗(yàn)公式。
計(jì)算μmf的經(jīng)驗(yàn)公式雖多，但從公式的推導(dǎo)過程來分，基本可以分為以下兩類。
2.4.1 第一類經(jīng)驗(yàn)公式
此類公式以Wen等人的經(jīng)驗(yàn)公式為代表，由床層壓降與表觀風(fēng)速的厄貢方程推導(dǎo)而來。厄貢方程假設(shè)在臨界流化狀態(tài)時(shí)，床層壓降近似等于氣體對(duì)固體顆粒的拽力，忽略氣體及床料與床壁間的摩擦力及內(nèi)力。
在固定床階段，床層壓降與表觀風(fēng)速的關(guān)系式，可由厄貢方程準(zhǔn)確表示為
式中:L為床層高度，ε為料層空隙率，u為氣體流速，即表觀風(fēng)速，Φ為顆粒球形度，ρ為氣體密度，μ為氣體動(dòng)力黏度。
在臨界流化狀態(tài)時(shí)，床層壓降等于單位面積上的料層重量，即
式中：ρp為物料顆粒密度，下標(biāo)mf表示處于臨界流化狀態(tài)。
將式(3)和式(4)聯(lián)立，并引入準(zhǔn)則數(shù)
化簡整理得到
將式(5)看作Remf的一元二次方程，正根為
εmf和Φ的確定方法參考閆維平等所述：εmf為臨界流化狀態(tài)時(shí)的床層空隙率，略大于固定床時(shí)的空隙率。它實(shí)際上相當(dāng)一個(gè)幾乎沒有重量的填充床的最疏松狀態(tài)，可以由隨意填充試驗(yàn)來測(cè)量。εmf取流化結(jié)束時(shí)的床層空隙率為
考慮到若εmf在各個(gè)含水率取不同值，Φ的值將很難確定，且測(cè)得不同含水率時(shí)的εmf變化很小，因此通過試驗(yàn)測(cè)得εmf算術(shù)平均值為0.414。將不同含水率下的污泥物性參數(shù)、μmf的試驗(yàn)值及εmf的算術(shù)平均值代入式(6)，通過試湊法得到Φ的近似值。最后代入得到C1=16.09，C2=0.0445，進(jìn)而得到μmf的經(jīng)驗(yàn)公式。
由于低含水率的污泥顆粒比高含水率時(shí)流化穩(wěn)定，試驗(yàn)偏差小，使用低含水率的幾組數(shù)據(jù)擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式
μmf試驗(yàn)值與式(8)計(jì)算值的對(duì)比如圖7所示，顯然，計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差很大。分析原因是由于此類公式在應(yīng)用厄貢方程時(shí)假設(shè)了床層壓降等于氣體對(duì)固體顆粒的拽力，而忽略了床料顆粒之間的內(nèi)力。當(dāng)試驗(yàn)樣品為玻璃珠、石英砂等非黏性物料時(shí)計(jì)算較為準(zhǔn)確。造紙污泥在低含水率時(shí)黏性較小，與上式偏差不大，但隨著含水率的增大，污泥黏性增大，部分顆粒聚團(tuán)，物料之間的內(nèi)力足夠大已不能忽略。因此試驗(yàn)值比計(jì)算值大，且含水率越高，偏差越大。
2.4.2 第二類經(jīng)驗(yàn)公式
此類公式由單顆粒受力分析推導(dǎo)而來。
在臨界流化現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，單顆粒或顆粒團(tuán)在床內(nèi)主要受到3個(gè)力的作用，分別為顆粒本身的重力Fg、氣體的浮力Ff、流化氣體的拽力Fy，且這3個(gè)力相互平衡，即
該公式應(yīng)用于多粒子系統(tǒng)時(shí)會(huì)有偏差,為了消除這種偏差,將式(10)整理成
此類公式最早由前蘇聯(lián)學(xué)者費(fèi)多羅夫提出，此后學(xué)者們針對(duì)不同情況得到許多組a、b值，我國《層狀燃燒及沸騰燃燒工業(yè)鍋爐熱力計(jì)算方法》中推薦的公式就屬于此類。
基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式
μmf試驗(yàn)值與式(12)計(jì)算值的對(duì)比如圖8所示，可以看到計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差較小，離散程度在5%以內(nèi)，因此式(12)可用于此造紙污泥的μmf計(jì)算。
需要說明的是，由于城市及工業(yè)污泥種類繁多，流化性質(zhì)差異很大，其他種類的污泥若直接套用式(12)，可能造成一定偏差，甚至此造紙污泥在不同的粒度分布下，μmf也可能不同。雖然此式不具備廣泛通用性，但其他種類的污泥可參考式(11)，通過幾組流化試驗(yàn)來確定a和b，即可得到可用的μmf計(jì)算公式。
三、結(jié) 論
本試驗(yàn)在常壓0.1MPa和常溫30℃下，以空氣為流化氣體，測(cè)量了含水率從0%~38%的造紙污泥臨界流化速度μmf。此外，將試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比與分析后，選用合適的方法重新擬合了μmf的經(jīng)驗(yàn)公式，得到如下結(jié)論：
a.造紙污泥在試驗(yàn)粒度分布下，低含水率時(shí)呈散式流化，隨著含水率的增大，逐漸向聚式流化過渡，含水率高于38%時(shí)難以流化，此時(shí)極易發(fā)生穿孔和溝流。
b.污泥顆粒的μmf隨含水率的增大而增大。
c.此造紙污泥的μmf，可以用公式Remf=0.00125Ar0.91來計(jì)算，誤差在5%以內(nèi)。
d.在主流的兩類經(jīng)驗(yàn)公式中，形如Remf=aArb的經(jīng)驗(yàn)公式在計(jì)算污泥的μmf時(shí)誤差較小。
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