洗煤厂污泥与木屑混合热解传热过程模拟

0 引言

洗煤厂污水污泥含水率高，富集了污水中的有毒有害物质，但有机成分含量高，具有较高的能源利用价值，非常适宜于热解处理

。热解技术可实现重金属固化，其气、固、液相产物还有极大的利用价值

，但高含水率导致的能耗问题却制约着该技术的发展。课题组前期发现添加木屑做助滤剂可强化脱水效果，大幅降低热解前期能耗，提高了污泥热解技术应用的可行性

。热解反应是一系列复杂物理化学变化的耦合，污泥内不同物质的各相异性、颗粒粒径及气相析出的扩散效应等都会影响热量传递效果。基于此，在前期研究基础上对洗煤厂污泥、木屑混合热解传热过程进行了数值模拟，以期对污泥热解工艺及设备研发提供理论依据。

1 污泥木屑混合热解传热过程建模

1.1 几何模型与基本假设

洗煤厂污泥（以下简称“污泥”）添加木屑（质量比8:2）经机械压榨后进行破碎，破碎颗粒多呈无特定规则块状，为简化计算，文中选取单体球形颗粒进行建模（如图1所示）。

污泥与木屑以特定比例混合均匀，内部物质各向均布。颗粒在高温环境下与惰性介质进行对流换热与辐射传热，热量经热传导作用向内部传递。当温度上升至有机质热解起始温度时，有机质裂解生成气相大分子焦油类物质及其它不凝性气体，气体迅速析出颗粒表层并带走部分热量。为简化计算，对热解传热过程作了如下合理的简化与假设：

坡脚道路工程受边坡影响长度为边坡的走向长度150 m，道路工程包括路基和路面，参照福建高速公路的造价，路基工程每延米造价2.2万元，路面工程每延米造价0.9万元，故公路工程直接损失为465万元。

1）热解过程生成的气-固相处于局部热平衡状态，热量沿径向传递，不考虑体积收缩与膨胀。

边界条件：热解起始温度为298 K；颗粒内部温度均匀，中心

=0处，

=0；气相产物、焦炭及水蒸气初始密度为0；颗粒表层边界

＞0，

=R时，按式(3)处理。

3）不考虑污泥与木屑的协同或抑制效应及无机物的催化作用，无机质只发生能量传递而不参与反应。

1.2 数学模型

污泥与木屑反应活性差异较大，数学模型中作分别计算，将热解反应过程视为单组分单步化学反应直接生成固态产物和气态析出物。干化过程中结合水析出较为困难，主要受控于颗粒内部温度梯度及扩散速率等因素，而前期研究发现污泥中水分析出与有机质热解温度区间并无重合。因此，从宏观角度出发将干化过程视作一级化学反应过程，将水的界面蒸发与扩散活化能耦合定义为水分析出的表观活化能，并将汽化潜热假定为具有吸热效应的内热源

。采用非等温热动力学方程对水分析出过程进行描述，反应速率常数借鉴

方程，如式（1）所示。

式中，

为污泥水分析出率/%；

为等效表观活化能/kJ/mol；

为等效频率因子/min

；

为气体常数；

为绝对温度/K。

图4为半径5 mm干燥污泥颗粒在870 K恒温热解时传热模拟结果。图4（a）为不同位置处温度与升温速率对比。由局部放大可看出，受热量传递方向性的影响，不同径向位置始终存在明显的温度差，最大可达60 K，升温速率也有较明显差异。此外，升温速率曲线存在两个明显的波峰，其中第一个是颗粒内外瞬时温差而导致内部温度的快速升高，此阶段越靠近外表面升温速率越大；第二个波峰则是有机质热解反应致使污泥内部成分改变，进而引起相关参数变化所造成的。图4（b）为热解过程不同位置转化率与转化速率对比。因不含水分，在低温阶段无失重发生，故在达到热解温度后有机物质开始热解。受温度梯度的影响，可以观察到颗粒中心相比表层热解完成时间有约10 s的滞后，最大转化速率相比降低约17%。

单位体积内能量变化应由表层能量传递、水分汽化与热解反应热及气态产物析出扩散热量综合确定，据此列出污泥颗粒热解能量平衡方程如式（2）：

（13）心理咨询师[Ag]在咨询关系建立之前，必须让[Pro][[求助者[Af-Cog]了解[Pro]心理咨询工作的性质、特点和这一工作可能的局限[Ph]]。

2）热解气相产物为理想气体，其中气态大分子焦油类产物不发生二次裂解，固相产物为多孔介质焦炭，物性参数分布均匀。

式中，

T

和

T

分别为热解气氛温度与污泥颗粒表面温度/K；

为污泥颗粒表面导热系数/W/(m·K)；

为气氛与颗粒表面的对流换热系数，W/(m

·K)；

为颗粒发射率。

从图6（a）中心处温升与升温速率曲线可以看出，颗粒粒径的差异导致内部温度演变过程大不相同。3 mm颗粒热解速度极快，当其完成热解时10 mm样本中心尚未达到有机质的热解起始温度，其最大升温速率相比增大650%，二次波峰也超前近150 s。此外，从图6（b）颗粒中心转化率与转化速率曲线也可以看出，3 mm颗粒约30 s可完成热解，最大转化速率为2.8%/s；而10 mm颗粒的热解完成时间滞后170 s，最大转化速率降低约82%。

2 结果与讨论

2.1 计算结果与验证

据悉，珠海辖区虎跳门水道是海船进出西江的交通要道，水道弯曲狭长，通航环境复杂，船舶主要以大型散货船、油船为主，监管难度大，且周边渡口、桥梁众多，为更好地做好“平安西江”建设，珠海海事局召开斗门辖区水上交通安全监管专题会议，将“海趸1556”调整至斗门鳘鱼沙设立监管点，作为辖区“平安西江”建设的前沿阵地和桥头堡。

为验证模型的准确性，文中选取相同物性参数将仿真结果与文献［4］中实验结果对比（如图3所示）。图中为颗粒半径7.5 mm，热解温度

T

分别为660 K和730 K时中心温度发展过程。可以看到仿真模型曲线与文献数据吻合良好，但随温度上升，模拟结果较实验值偏差稍有增大，这与文献［4］中的结果具有一定的相似性，原因可能在于高温阶段热解反应更为复杂，模型所采用的参数出现一定的偏差，但总体与实验结果吻合，可以较好地反映物质热解时热量传递过程。

热解分步反应模型如图2所示，其中，

、

分别为污泥与木屑的热解反应表观活化能，将有机质热解动力学方程、水分析出动力学方程与能量平衡方程耦合进行求解。

式中，

为反应时间/s；

、

分别为物质的密度/kg/m

与定压比热容/kJ/(kg·℃)；下标

、1、2、3、s、

、

分别代表水分、污泥有机相、木屑、无机相、固态产物、气态产物与水蒸气；

为污泥颗粒的有效导热系数/W/(m·℃)；

为热解反应层位置/m；Δ

、Δ

分别为污泥有机相、木屑热解的反应热/kJ/kg；Δ

为水分蒸发过程等效反应热/kJ/kg。

2.2 热解温度对传热过程影响

大量实验研究表明温度对于热解过程影响非常明显，对半径5 mm的干污泥颗粒在不同热解温度（773，873，973和1 173 K）下的传热过程进行了计算，结果如图5所示。

解析：n(混合气体)5mol,根据体积分数与物质的量的分数相等,则n(CO2)=5mol×0.48=2.40 mol。CO2被完全吸收,NaOH也完全反应,则反应的产物可能是Na2CO3(此时NaOH的浓度最大)、NaHCO3(此时NaOH的浓度最小),或Na2CO3和NaHCO3的混合物。用极值思想分析两个特殊情况:CO2+NaOH==NaHCO3,n(NaOH)=n(CO2)=2.40mol,则CO2+2NaOH==Na2CO3+H2O,n(NaOH)=2n(CO2)=4.80 mol,则

图5（a）为颗粒中心升温与升温速率曲线，可以看到热解温度越高则颗粒中心点的升温速率越高，#4样本最大升温速率约为11.7 K/s，比#1样本升高超过80%，升温速率曲线二次波峰也相比提前了约40 s。图5（b）为颗粒中心转化率与转化速率对比曲线。图中可以看到失重速率随热解温度的升高迅速增大，失重速率波峰提前出现，导致高、低温热解完成时间差达到40 s左右。

随着市场经济体制的逐步完善，高校国有资产管理面临的风险因素也在增多。要加强高校国有资产管理应对风险的能力，首先有一点，就是要将传统的事后管理变为事前管理。建立相关财务风险的预测预警机制，实时追踪和反映国有资产管理的财务指标和数据，及时发现已经存在或者潜在的问题，尽可能避免在国有资产管理过程中的决策失误，并尽量降低国有资产管理经营中的风险，保证国有资产的保值增值，防止国有资产的流失［3］。

2.3 颗粒粒径对传热过程影响

实际工业过程中脱水污泥经过破碎运输后，颗粒分布范围较宽，不同炉型对入料粒径也有要求，而粒径对热解传热影响较大。文中对873 K热解温度时，

=3，5，8和10 mm的干污泥颗粒热解传热情况进行了模拟，结果如图6所示。

污泥性质差异性较大，文中部分参数参考多篇文献取常数

，部分参数见表1。热解表观活化能分别为64 kJ/mol和150 kJ/mol，反应级数

=5。传热模型采用有限差分法进行离散处理，高斯消元法进行迭代求解。

今天的训练到此结束，直到睡觉前时间都可以自由支配。梦寐以求啊，一想到这点，我就感觉有点眩晕，尽管我也知道，这可能是过度疲劳导致的。

综上所述，对虾壳的利用技术正在逐步优化、改良和发展。传统的酸碱法可以有效地提取出虾壳的甲壳素，但存在诸多弊端，酶法的优点是条件温和，避免污染，工艺简单，且酶解液中的钙和蛋白质等成分可回收利用，由于有机酸的酸性较低，不易导致甲壳素水解，与发酵法一样，可获得高分子甲壳素，但是其制约因素为生产成本过高和资源综合率不高；微生物发酵法的优点是反应条件温和，对环境友好，可以得到较高分子量的甲壳素，且蛋白质、虾青素等成分也能回收利用，同时可以发酵得到碱性蛋白酶、甲壳素脱乙酰酶和抗菌化合物等高附加值的产物。

2.4 含水率对传热过程影响

研究表明，污泥中适量水分可以增加原料中的氢元素，并在高温时促进二次裂解反应进行，增大合成气产量。对含水率分别为0、25%和50%，

=10 mm的污泥颗粒在873 K温度热解过程进行了模拟，结果如图7所示。

从图7（a）温度与升温速率曲线可以看到，前期水分蒸发需要消耗大量热量，致使曲线间呈现较大差异。#1与#3样本中心处温差可达280 K，这种温差使得同时刻样本间物性参数与反应速率出现不同，故#1样本最大升温速率相比#3增大超过250%，热解所需时间也随之延长。当温度继续升高至热解起始温度后有机成分开始分解，可在图7（b）转化率与转化速率曲线中看到，湿污泥曲线有两个波峰，含水率越高则前期水分析出的一次波峰越宽，位置也越滞后。原因在于较慢的水分蒸发速率会使颗粒内呈现较大温度梯度，进而导致外层热解反应与内层水分蒸发同时存在，这与文献［11］的实验结果类似，进一步验证了模型的准确性。

3 结语

1）热解过程污泥颗粒内部存在一定温度梯度，内部各处升温速率与转化速率均有差异，且温度演变并不随热解温度升高而线性变化。

2）污泥颗粒越大内部温度梯度越大，热解完成时间随颗粒粒径的增大而急剧增加且不成比例，最大转化速率也迅速减小并有一定延迟。

3）污泥中水分会大幅延缓热解完成时间，同时内部温度梯度极大，但当颗粒尺寸较大时，内部水分析出会与表层热解反应同时进行，可使析出水蒸气参与热解反应，进而提高热解合成气品质。

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