曹陽(yáng)，王延濤，郝章峰，黃潔

（上海康恒環(huán)境股份有限公司，上海 201703）

前言

生活污水污泥的熱處理是我國(guó)污泥處理處置的重要方式，熱處理的方式可為單獨(dú)燃燒或者協(xié)同焚燒，前者較為常見(jiàn)的是流化床焚燒污泥，垃圾與污泥混燒則是常見(jiàn)的協(xié)同焚燒方式。在上述熱處理方式下污泥的粒徑一般在厘米級(jí)，其反應(yīng)過(guò)程中畢渥數(shù)Bi大于臨界值0.1[1]，顆粒內(nèi)部存在較大的溫度梯度，而內(nèi)部的熱量傳遞是熱解進(jìn)行的重要限制條件，工程中常出現(xiàn)因傳熱傳質(zhì)問(wèn)題造成燃燒不徹底的情況。污泥的含水量高，干燥基條件下的揮發(fā)分、灰分的比例都比較高，干燥脫水及熱解過(guò)程是其熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的兩個(gè)主要階段[2]，決定了污泥顆粒熱化學(xué)轉(zhuǎn)化程度。

應(yīng)用數(shù)值計(jì)算對(duì)大顆粒固體燃料熱解過(guò)程進(jìn)行分析是一種較為有效的研究方法，該方法目前在生物質(zhì)和煤顆粒的熱解研究中應(yīng)用較多[3-5]，但對(duì)污泥顆粒熱解過(guò)程的研究則較少；而污泥具有含水量高、灰分高、熱值低等特點(diǎn)，與生物質(zhì)和煤的燃料特性差異較大，無(wú)法直接參考其研究結(jié)果。本文應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)含水污泥顆粒的熱解過(guò)程進(jìn)行研究，分析污泥顆粒在熱解反應(yīng)器中的反應(yīng)過(guò)程及影響因素，為認(rèn)識(shí)污泥顆粒的熱解過(guò)程，合理設(shè)計(jì)熱解反應(yīng)器提供理論依據(jù)。

1 研究方法

本文以球形污泥顆粒為研究對(duì)象，對(duì)其熱解過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，球形顆粒內(nèi)部的能量平衡，遵守球坐標(biāo)下的能量守恒方程[6]：

式中：

ρ、cp、λ、T、M、V—球形污泥顆粒內(nèi)的微分單元內(nèi)污泥的密度、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、溫度以及含水和揮發(fā)分比例；

r—微分單元到球心的距離；

rr、H—分別為水分蒸發(fā)的汽化潛熱和熱解反應(yīng)時(shí)的吸熱量。

計(jì)算時(shí)，將球形顆粒沿半徑進(jìn)行離散化，同時(shí)消除網(wǎng)格劃分對(duì)結(jié)果的影響[7]。

在熱解條件下，顆粒主要吸收外部環(huán)境的輻射熱和氣體對(duì)流換熱，進(jìn)行水分的蒸發(fā)、熱解及溫度升高過(guò)程，其換熱量通過(guò)式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

Tg—外界氣體溫度；

T—污泥顆粒表面的溫度；

A—顆粒的外表面積；

h—對(duì)流換熱系數(shù)；

ε—系統(tǒng)的輻射黑度。

發(fā)生在污泥顆粒內(nèi)的反應(yīng)主要為水分干燥和有機(jī)物熱解，污泥顆粒的質(zhì)量變化是這兩種反應(yīng)的質(zhì)量變化之和。對(duì)于水分干燥的計(jì)算方法，當(dāng)使用水的沸點(diǎn)溫度（常壓下100 ℃）作為水的蒸發(fā)起始溫度或蒸發(fā)速率突變溫度時(shí)，容易造成計(jì)算的震蕩[9]，因而采用反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方式來(lái)計(jì)算水的蒸發(fā)速率，選取Miltner[10]提出的動(dòng)力學(xué)模型形式，該模型在反應(yīng)溫度低于475 K時(shí)具有較好的適用性：

污泥的熱解動(dòng)力學(xué)則采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型進(jìn)行計(jì)算[11]，其形式為：

式中：

V0—污泥顆粒初始的揮發(fā)分比例。

對(duì)生物質(zhì)、污泥等物質(zhì)，熱解溫度、升溫速率的大小對(duì)熱解揮發(fā)分產(chǎn)率有一定的影響，在較高的熱解溫度、升溫速率下具有較高的揮發(fā)分產(chǎn)率[12,13]，由后文計(jì)算可知，厘米級(jí)顆粒內(nèi)部的實(shí)際升溫速率一般在5 ℃/s以下，不同工況間相對(duì)差別較低，熱解溫度超過(guò)600 ℃后，污泥熱解的熱解程度較為徹底[2]，同時(shí)污泥的固定碳比例較低，在本文中僅為5 %（干燥基條件下，見(jiàn)表1），產(chǎn)生的焦炭?jī)?nèi)絕大部分屬于灰分，因而模型中取用固定的揮發(fā)分產(chǎn)率。

對(duì)于本文所研究的含水污泥，則應(yīng)加入水分對(duì)熱容的影響：

污泥的密度一般隨其熱解過(guò)程中的含水量和內(nèi)部孔隙率而變化，本文使用下式進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)含水率60 %、揮發(fā)分含量20 %的污泥初始密度為1 020 kg/m3，干燥熱解結(jié)束后形成的焦炭，其密度變?yōu)?80 kg/m3，與文獻(xiàn)的相關(guān)報(bào)道較為接近[14]。

污泥內(nèi)部的導(dǎo)熱系數(shù)與其含水率、內(nèi)部孔隙率和溫度的關(guān)系十分密切，目前沒(méi)有較為合適的計(jì)算公式對(duì)這些因素進(jìn)行考慮，本文取用了文獻(xiàn)報(bào)道數(shù)據(jù)中的典型值[15]。

計(jì)算模型中選用的主要參數(shù)如表1所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 工況設(shè)置

為了對(duì)影響含水污泥顆粒熱解過(guò)程的外界溫度、顆粒粒徑與初始含水量等因素進(jìn)行研究，本文設(shè)置了如表2所列的工況。其中工況1-3針對(duì)熱解溫度、工況2、4、5針對(duì)顆粒粒徑，工況2、6、7針對(duì)初始含水量。

2.2 模型與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比

為了對(duì)模型的適用性進(jìn)行驗(yàn)證，針對(duì)表2所列的工況1條件，使用如文獻(xiàn)[16]所描述的大顆粒熱重實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)污泥顆粒在600℃、使用氮?dú)獯祾叩臒峤鈼l件下污泥顆粒的質(zhì)量變化進(jìn)行了測(cè)試，污泥的物性與所模擬污泥顆粒的物性接近。圖1所示為實(shí)驗(yàn)與使用本文所述模型得到的質(zhì)量變化的對(duì)比結(jié)果，兩者的失重曲線較為接近，表明模擬的熱解過(guò)程與實(shí)際結(jié)果接近，可使用該模型對(duì)含水污泥顆粒的熱解過(guò)程進(jìn)行模擬。

圖1同時(shí)給出了工況1條件下，污泥最外層與中心層溫度變化的模擬結(jié)果，初始質(zhì)量約5 g的污泥顆粒，在600 ℃的熱解環(huán)境中，其完全熱解所需的時(shí)間在900 s以上，最終剩余約1 g的灰分。在顆粒剛進(jìn)入熱解環(huán)境時(shí)，顆粒最外層受到外界環(huán)境對(duì)流和輻射的直接加熱，溫度首先迅速上升，建立與顆粒內(nèi)層間的溫度差，之后表層與外界的換熱溫差降低、顆粒表層向內(nèi)層導(dǎo)熱，溫度上升的幅度降低，在約200 s時(shí)溫度達(dá)到432 ℃、在約550 s時(shí)溫度達(dá)到570 ℃；在顆粒的中心，受到熱傳導(dǎo)過(guò)程的限制，其溫升過(guò)程滯后于表層的溫升過(guò)程，且換熱效率較低，其溫升過(guò)程可分為較為明顯的兩段，在中心層內(nèi)仍含有水分、溫度達(dá)到100 ℃前，其吸收的熱量多用于水分的干燥，溫度上升的速率較低，在水分干燥完成后，其溫度迅速上升，在約970 s達(dá)到600 ℃的終溫。Lu[3]等對(duì)高水分木制生物質(zhì)顆粒的熱解實(shí)驗(yàn)研究中，測(cè)量了顆粒表層及中心的溫度變化，同本文模擬計(jì)算得到的變化規(guī)律較為一致，污泥顆粒熱解過(guò)程的完成主要受其內(nèi)部導(dǎo)熱過(guò)程的影響。

表1 計(jì)算模型中選取的主要參數(shù)

表2 熱解計(jì)算設(shè)置的工況

圖1 600 ℃熱解條件下模擬與實(shí)驗(yàn)的污泥顆粒變化結(jié)果

2.3 模擬結(jié)果分析

圖2為計(jì)算工況1～3，即在600 ℃、800 ℃和1 000 ℃的熱解溫度下，半徑10 mm、含水量60 %污泥顆粒的熱解失重、表層及中心的溫度變化情況。由圖中的溫度變化曲線可見(jiàn)，隨著熱解溫度的升高，在熱解的初始階段，熱解環(huán)境對(duì)顆粒表面的加熱強(qiáng)度增加，顆粒表面的升溫速率也隨之增大，顆粒表面溫度的急劇升高，使表層與內(nèi)層間建立的溫度差也升高，顆粒內(nèi)部的溫升和傳熱速率也得到提升，顆粒的中心達(dá)到外界環(huán)境溫度所需的時(shí)間也縮短了，因而達(dá)到完全熱解所需的時(shí)間也相應(yīng)縮短，三種工況下顆粒中心溫度達(dá)到外界環(huán)境溫度所需的時(shí)間分別為970 s、820 s和690 s；圖中的失重曲線與溫度曲線相對(duì)應(yīng)，處在更高的熱解環(huán)境中的顆粒的平均失重速率更高，達(dá)到失重穩(wěn)定點(diǎn)的時(shí)間更短，同時(shí)也能觀察到，對(duì)于半徑10 mm、含水60 %的球形污泥顆粒，即使在1 000 ℃的熱解溫度下，實(shí)現(xiàn)完全熱解的時(shí)間也需要10 min左右。

為了進(jìn)一步了解污泥熱解時(shí)質(zhì)量變化的過(guò)程，圖3為計(jì)算工況2條件下，污泥顆粒的失重曲線與質(zhì)量變化微分曲線，質(zhì)量變化的微分曲線表示污泥顆熱解時(shí)失重的速率，在顆粒剛進(jìn)入熱解環(huán)境時(shí)，顆粒的表層吸收外界的熱量，其溫度從室溫迅速上升，其質(zhì)量變化速率從零迅速上升到一個(gè)峰值，這一過(guò)程耗時(shí)約15 s，此時(shí)，沿顆粒半徑由外向內(nèi)約1.1 mm處溫度達(dá)到100 ℃，即占原有顆粒質(zhì)量30 %的物質(zhì)溫度已超過(guò)100 ℃，此后，因表層溫度的升高、表層水分及部分揮發(fā)分的釋放，外界向顆粒傳遞的熱量減少，顆粒內(nèi)部需要逐漸溫升進(jìn)行水分和揮發(fā)分的釋放，因而質(zhì)量變化速率逐漸降低，變化趨勢(shì)類似拋物線，至約800 s時(shí)顆粒變?yōu)榱?，熱解過(guò)程完成。

圖4為工況4、工況2和工況5，即污泥顆粒半徑分別為5 mm、10 mm和15 mm，熱解溫度為800 ℃時(shí)，計(jì)算的顆粒質(zhì)量與表層、中心溫度的變化情況，因半徑不同，3種顆粒的質(zhì)量比為1∶8∶27，因此質(zhì)量變化以百分比表示，污泥的顆粒越小，熱解所需的時(shí)間越少。從圖中可知，顆粒的粒徑越小，其表層溫度的升溫速率越快，顆粒中心開始熱解的時(shí)間也越短，顆粒中心的溫度達(dá)到600 ℃所需的時(shí)間分別為220 s、570 s和1 020 s，比它們粒徑間的相對(duì)差別更大，即隨粒徑的增加，熱解完成所需的時(shí)間增加更快，其主要原因應(yīng)是顆粒半徑越小，比表面積越大，單位質(zhì)量物質(zhì)的吸熱速率更高。

圖2 不同熱解溫度下顆粒失重與表層、中心溫度

圖3 800 ℃熱解溫度下的熱解失重與質(zhì)量速率

圖4 不同粒徑污泥顆粒的失重與表層、中心溫度

圖5 不同含水量污泥顆粒的失重與表層、中心溫度

圖5為工況6、工況2和工況8，即污泥顆粒的含水量分別為40 %、60 %和80 %，熱解溫度為800 ℃時(shí)，計(jì)算的顆粒質(zhì)量與表層、中心溫度的變化情況，顆粒因含水量不同具有不同的密度，因此質(zhì)量變化以百分比表示，污泥的含水量越低、熱解所需的時(shí)間越短。從圖中可知，顆粒的含水量越少，用于水分蒸發(fā)所需的熱量越少，顆粒表層溫度的升溫速率也越快，顆粒中心開始熱解的時(shí)間也越短，顆粒中心溫度達(dá)到600 ℃時(shí)所需的時(shí)間分別為410 s、570 s和660 s。

3 結(jié)論

本文使用數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)粒徑為厘米級(jí)的污泥顆粒熱解過(guò)程進(jìn)行研究，在模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂捎眯缘幕A(chǔ)上，對(duì)含水污泥顆粒熱解過(guò)程中的質(zhì)量、溫度變化規(guī)律，以及熱解溫度、顆粒粒徑和顆粒含水率等影響因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）含水污泥顆粒內(nèi)的溫度變化不同步，主要受其內(nèi)部導(dǎo)熱過(guò)程的影響，內(nèi)部溫升滯后于外部溫升，影響污泥熱解的完成時(shí)間；在1 000 ℃的熱解溫度下，半徑10 mm、含水60 %的污泥顆粒完成熱解的時(shí)間在10 min量級(jí)；顆粒進(jìn)入熱解環(huán)境后，質(zhì)量變化速率迅速達(dá)到峰值，然后以類似拋物線的變化趨勢(shì)逐漸降低，至熱解完成，速率變?yōu)榱恪?/p>

2）熱解溫度越高、顆粒粒徑越小、顆粒的初始含水量越低，越有利于縮短熱解完成的時(shí)間，提高整體的熱解效率，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)設(shè)定進(jìn)行合理的工藝設(shè)計(jì)。

在模型的建立過(guò)程中，對(duì)參數(shù)和物性的選取進(jìn)行了簡(jiǎn)化，進(jìn)一步研究中可在以下方面進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)：①考慮熱解過(guò)程中水分和揮發(fā)分釋放時(shí)在顆粒內(nèi)部的濃度分布及對(duì)固相的換熱的影響；②提高污泥在不同狀態(tài)下物性計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，如熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等；③對(duì)非球形顆粒的熱解進(jìn)行預(yù)測(cè)。