左永飛 宋 樂(lè)

(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(zhì)，它里面包括有機(jī)殘片、無(wú)機(jī)無(wú)顆粒、膠體、細(xì)菌以及細(xì)菌菌體等，是一種成分極其復(fù)雜的非均質(zhì)體，同時(shí)污泥中含有大量的病原體、有機(jī)污染物、重金屬元素，也含有豐富的N，P，K等營(yíng)養(yǎng)元素。污泥的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，含水率很高，因此極易腐臭，若處理不當(dāng)將容易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染。所以對(duì)污水處理廠產(chǎn)生的大量污泥進(jìn)行處理是現(xiàn)代城市亟待解決的一個(gè)問(wèn)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?yàn)檎加猛恋剌^多和容易產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的城市污泥處理要求。而對(duì)污泥進(jìn)行熱解氣化處理，可以充分利用污泥含有大量可燃性物質(zhì)的特點(diǎn)，將污泥中有機(jī)質(zhì)充分處理?；谀澄鬯幚韽S的污泥，經(jīng)過(guò)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(guò)固定床氣化，將污泥中的有機(jī)質(zhì)、細(xì)菌等經(jīng)過(guò)高溫氣化，剩余無(wú)毒無(wú)害的灰渣再進(jìn)行填埋或作為建筑材料，解決污泥中臭氣，細(xì)菌等污染環(huán)境的問(wèn)題。

1 布?xì)庋芯磕Ｐ徒?/h2>

1.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

依據(jù)實(shí)際的污泥氣化爐爐體裝配圖尺寸建立1∶1分析模型，結(jié)合實(shí)際氣化過(guò)程氣流分布只與氣化爐內(nèi)壁結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此氣化爐模型將水夾套外壁簡(jiǎn)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(guān)閉的狀態(tài)。加料套筒與內(nèi)壁簡(jiǎn)化成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)省略掉爐箅內(nèi)部與計(jì)算分析無(wú)關(guān)的傳動(dòng)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(nèi)部的流動(dòng)要穿過(guò)由物料床層構(gòu)成的多孔介質(zhì)，因此在建模過(guò)程中，建立了物料堆的整體模型，并設(shè)置為多孔介質(zhì)。按照灰層，燃燒層，還原層，干餾層，干燥層的順序?qū)⑽锪隙炎韵露戏譃?段。

多孔介質(zhì)的設(shè)定參數(shù)以及床層高度、溫度分別見(jiàn)表1，表2。

網(wǎng)格劃分采用基于正交網(wǎng)格技術(shù)演化出來(lái)的八面體網(wǎng)格技術(shù)，初始網(wǎng)格級(jí)別選擇5級(jí)，最小縫隙尺寸依照爐箅間隙尺寸設(shè)置，細(xì)化級(jí)別1級(jí)。為了保證計(jì)算的精確性,在靠近爐壁的區(qū)域以及爐箅出氣口區(qū)域設(shè)置局部網(wǎng)格細(xì)分以保證小結(jié)構(gòu)處以及圓弧處計(jì)算的準(zhǔn)確性。裝配后的整體分析模型與網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

表1 多孔介質(zhì)的設(shè)定參數(shù)

表2 床層高度分布

1.2 分析參數(shù)設(shè)置

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行操作數(shù)據(jù)，確定了以下基本分析參數(shù)，如表3所示。

1.3 爐箅布?xì)夥绞竭x擇

依據(jù)污泥氣化爐總裝圖中氣化爐各層爐箅的布?xì)獗壤菦Q定爐內(nèi)氣化劑分布規(guī)律的最重要因素，各層爐箅的布?xì)獗壤Q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(gè)分析對(duì)比組，其中對(duì)比組1是基準(zhǔn)分析組，最小間隙按照原設(shè)計(jì)的間隙確定，對(duì)比組2，組3；對(duì)比組4，組5；對(duì)比組6，組7；對(duì)比組8，組9；對(duì)比組10，組11。分別在對(duì)比組1的基礎(chǔ)上將其中一層爐箅的最小間隙增大與減少，這樣構(gòu)成了一個(gè)完整的單因素研究體系，用于探明各層爐箅布?xì)獗壤龑?duì)整體布?xì)饬康挠绊?，具體見(jiàn)表4。

表3 分析參數(shù)

表4 11種布?xì)夥绞礁鲗拥牟細(xì)獗壤?/p>

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

2 研究結(jié)果與討論

計(jì)算得到了11個(gè)對(duì)比組的爐內(nèi)氣流分布數(shù)據(jù)，在此分別討論各層間隙大小對(duì)爐內(nèi)氣化劑分布的影響。為了使數(shù)據(jù)結(jié)果更加直觀和有指導(dǎo)意義，選取了以下幾個(gè)參考位置作為數(shù)據(jù)比較點(diǎn)。

1)氣化爐縱向截面氣流速度分布圖見(jiàn)圖3左圖；

2)爐箅錐形表面速度—直徑位置見(jiàn)圖3 A位置；

3)爐箅頂端上方100 mm平面，速度—直徑位置見(jiàn)圖3 B位置。

2.1 各層布?xì)鈫我蛩胤治?/h3>

2.1.1首層布?xì)鈱?duì)爐內(nèi)氣化劑分布的影響

對(duì)爐箅錐形面附近(A位置)氣流速度分布情況進(jìn)行數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)5個(gè)環(huán)狀間隙存在5個(gè)流動(dòng)峰值區(qū)域，各間隙對(duì)應(yīng)的峰值流速存在較大差異。

根據(jù)對(duì)比可以看出，隨著首層間隙增大，首層對(duì)應(yīng)的流速峰值高度顯著增高，并且峰值區(qū)域的寬度顯著增寬；與此同時(shí)其他層流速峰值隨之略微降低。

在調(diào)整布?xì)獾木鶆蛐詴r(shí)，增加首層布?xì)鈱?duì)整個(gè)氣化是有利的，優(yōu)化時(shí)考慮增加首層布?xì)饬俊?/p>

2.1.2第二層布?xì)鈱?duì)爐內(nèi)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(jiàn)圖5，根據(jù)對(duì)比可以看出，隨著第二層間隙大小增大，第二層對(duì)應(yīng)的流速峰值高度顯著增高，并且峰值區(qū)域的寬度顯著增寬；首層對(duì)應(yīng)的流速峰值略微增高，與此同時(shí)其他層流速峰值隨之略微降低。在調(diào)整布?xì)獾木鶆蛐詴r(shí)，特別是增加頂部布?xì)?，減少中心死區(qū)時(shí)，考慮增加第二次的布?xì)饬俊?/p>

在調(diào)整布?xì)獾木鶆蛐詴r(shí)，特別是增加頂部布?xì)?，減少中心死區(qū)時(shí)，考慮增加第二次的布?xì)饬俊?/p>

2.1.3第三層布?xì)鈱?duì)爐內(nèi)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(jiàn)圖6。根據(jù)對(duì)比可以看出，隨著第三層間隙大小增大，第三層對(duì)應(yīng)的流速峰值高度顯著增高，并且峰值區(qū)域的寬度顯著增寬；首層對(duì)應(yīng)的流速峰值略微增高，第二層流速基本不變，與此同時(shí)其他層流速峰值隨之略微降低。

對(duì)于整個(gè)爐箅子整體均勻性調(diào)整時(shí)，可以適當(dāng)降低第三層的布?xì)饬浚黾拥谝粚雍偷诙硬細(xì)狻?/p>

2.1.4第四層布?xì)鈱?duì)爐內(nèi)氣化劑分布的影響

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，見(jiàn)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(jù)對(duì)比可以看出，隨著第四層間隙大小增大，第四層對(duì)應(yīng)的流速峰值高度顯著增高，并且峰值區(qū)域的寬度顯著增寬；第三層，第五層對(duì)應(yīng)的流速峰值略微減小，第一，第二層流速基本不變。對(duì)于整個(gè)爐箅子整體均勻性調(diào)整時(shí)，可以適當(dāng)降低第四層的布?xì)饬?，?duì)第一層和第二層布?xì)獠皇苡绊憽?/p>

2.1.5第五層布?xì)鈱?duì)爐內(nèi)氣化劑分布的影響

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，見(jiàn)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(jù)對(duì)比可以看出，隨著第五層間隙大小增大，第五層對(duì)應(yīng)的流速峰值高度顯著增高，并且峰值區(qū)域的寬度顯著增寬；第三，第四層對(duì)應(yīng)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?xì)庹w優(yōu)化

根據(jù)以上單因素分析獲得的結(jié)果，對(duì)爐箅布?xì)馇闆r展開(kāi)優(yōu)化研究。首先根據(jù)各層單因素布?xì)夥植嫉慕Y(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)爐箅表面附近的錐形面(A位置)氣體流速的幾個(gè)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(guān)系，這個(gè)關(guān)系作為后續(xù)優(yōu)化的基本準(zhǔn)則，具體為：

增加首層的布?xì)饬?；增加第二層的布?xì)饬浚唤档偷谌龑拥牟細(xì)饬?；降低第四層的布?xì)饬亢徒档偷谖鍖拥牟細(xì)饬俊?/p>

目標(biāo)為各層間隙氣體流速基本一致，外層流速稍微高一點(diǎn)為較優(yōu)結(jié)果，按照此目標(biāo)先進(jìn)性理論計(jì)算各層布?xì)饬亢蜌饣瘎┝魉?，設(shè)定布?xì)饬魉僭?.0 m/s～1.5 m/s之間，依據(jù)上述原則對(duì)爐箅間隙做調(diào)整設(shè)置了以下對(duì)比組(具體見(jiàn)表5)，其中對(duì)比組1是基準(zhǔn)分析組，最小間隙按照原設(shè)計(jì)的間隙確定，優(yōu)化按照上述原則，逐步微小調(diào)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(diǎn)為較優(yōu)結(jié)果。

表5 幾種優(yōu)化方案的布?xì)獗壤?/p>

對(duì)比組各層最小縫隙寬度/mm對(duì)比組113,22,26,28.5,27優(yōu)化119,22,20,24,28優(yōu)化219,23,19,24.5,26優(yōu)化320,24,19,24.5,26優(yōu)化421,24.5,18,24,25.5

2.2.1優(yōu)化1優(yōu)化效果研究

由圖9爐箅出氣口處錐面氣流分布對(duì)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(jìn)后第五層氣流速度峰值明顯過(guò)高。

2.2.2優(yōu)化2優(yōu)化效果研究

由圖10爐箅出氣口處錐面氣流分布對(duì)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(yōu)化3優(yōu)化效果研究

由圖11爐箅出氣口處錐面氣流分布對(duì)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(shí)第一層氣速較低的情況也得到改進(jìn)，改進(jìn)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(yōu)化4優(yōu)化效果研究

由圖12爐箅出氣口處錐面氣流分布對(duì)比，可以看出改進(jìn)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(duì)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(duì)軸心處氣流低速區(qū)改善作用有限。

通過(guò)優(yōu)化獲得較優(yōu)的布?xì)饨Y(jié)果為：優(yōu)化4的布?xì)猓鲗娱g隙分別為：21 mm，24.5 mm，18 mm，24 mm和25.5 mm。

2.3 布?xì)馑绤^(qū)消除優(yōu)化分析

根據(jù)單因素分析結(jié)果可知通過(guò)調(diào)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(qū)，且不論如何改變各層間隙，對(duì)軸線附近的氣流低速區(qū)域的影響極其有限。分析原因可以發(fā)現(xiàn)，軸心處布?xì)饬可僦饕驗(yàn)闋t箅頂層爐箅的直徑較大影響氣流向中心位置擴(kuò)散，為此在優(yōu)化4的基礎(chǔ)上設(shè)置優(yōu)化5與優(yōu)化6分別在將首層爐箅半徑縮小30 mm(由原來(lái)的230 mm到200 mm)和45 mm(由原來(lái)的230 mm到185 mm)。研究獲得了縱向截面氣流分區(qū)情況，見(jiàn)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(qū)域范圍顯著縮小。

由圖15爐箅出氣口處錐面氣流分布對(duì)比，可以看出優(yōu)化組5改進(jìn)后各氣速峰值幾乎均勻，保持了良好的分布效果，對(duì)比組6由于直徑縮小較多對(duì)爐箅出氣間隙的流阻造成了一定影響，導(dǎo)致首層對(duì)應(yīng)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(duì)比，可以看出軸心附近氣流速度明顯增加，低速區(qū)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(wèn)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(shè)計(jì)的直徑460 mm改為優(yōu)化后直徑400 mm。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬建立1∶1尺寸的氣化爐及污泥模型，然后對(duì)污泥氣化爐內(nèi)部氣化劑的流動(dòng)分布情況進(jìn)行了模擬分析，最終得到了氣化爐內(nèi)部的氣流分布模型，模擬發(fā)現(xiàn)爐箅布?xì)獠痪鶆蛑饕w現(xiàn)在各層爐箅子布?xì)鈬?yán)重不均勻和氣化爐中心布?xì)獠蛔?個(gè)方面，這和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果相吻合。然后通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析污泥氣化爐箅布?xì)夂蜖t箅結(jié)構(gòu)優(yōu)化獲得：

1)通過(guò)改變各層爐箅間隙大小，研究了爐箅間隙大小對(duì)爐箅上方布?xì)饩鶆蛐缘挠绊?，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加爐箅間隙大小對(duì)該層間隙附近灰層中的氣流速度有直接影響，通過(guò)調(diào)整各層爐箅間隙，發(fā)現(xiàn)設(shè)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(wèn)題，對(duì)首層爐箅直徑做了優(yōu)化，將其縮小至400 mm以及370 mm分別進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，縮小首層爐箅直徑，軸向位置氣流速度較低的問(wèn)題得到顯著改善，最優(yōu)選擇為400 mm。

3)數(shù)值模擬結(jié)果在工業(yè)裝置上進(jìn)行應(yīng)用，運(yùn)行效果良好，氣化爐能長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，說(shuō)明計(jì)算機(jī)仿真模擬分析方法不僅可以診斷污泥氣化爐爐箅子布?xì)獯嬖趩?wèn)題，還可以優(yōu)化爐箅子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并指導(dǎo)實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)。