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        臥式薄層干化機(jī)內(nèi)壁磨損失效形式及機(jī)理研究

        2022-05-18 06:14:00黃飛達(dá)范洪遠(yuǎn)
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年15期
        關(guān)鍵詞:化機(jī)內(nèi)壁定子

        黃飛達(dá) 汪 敏 范洪遠(yuǎn)

        (1、四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610011 2、成都市排水有限責(zé)任公司,四川 成都 610041)

        1 概述

        污泥是污水處理過程中的副產(chǎn)物,富含大量有機(jī)質(zhì),而干化機(jī)可將污泥干化后再焚燒,是現(xiàn)階段污泥無害化處置的一種有效手段[1],我國在近十幾年相繼建成污泥處置廠數(shù)十座[2]。單臺(tái)臥式薄層干化機(jī)設(shè)計(jì)使用年限為30 年。由于該型干化機(jī)在工作時(shí)其定子內(nèi)壁(以下簡稱內(nèi)壁)與污泥直接接觸且無法更換,因此干化機(jī)壽命的長短直接取決于內(nèi)壁磨損程度。本文基于成都某公司于2013 年投入使用的兩臺(tái)正在運(yùn)營的進(jìn)口某型臥式薄層干化機(jī)(以下簡稱干化機(jī))的相關(guān)情況展開研究。

        該型干化機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子以及驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成[3]總體外觀見圖1。定子內(nèi)壁內(nèi)徑2m、長12m,外附加熱夾套以便熱交換。內(nèi)壁出廠時(shí)最小厚度為27mm,約由22mm 厚的鍋爐鋼P(yáng)265GH 和5mm 厚的耐磨層NAXTRA700 復(fù)合而成,其成分分別見表1、表2;轉(zhuǎn)子與電機(jī)主軸相連,運(yùn)行轉(zhuǎn)速約為98r/min,表面設(shè)有652 枚按一定規(guī)律布置的葉片,葉片頂端距內(nèi)壁7~10mm。工作時(shí),濕污泥從定子下方進(jìn)料口進(jìn)入干化機(jī)內(nèi)腔,被轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片均勻的涂抹在定子內(nèi)壁,與夾套內(nèi)的水蒸氣進(jìn)行熱量交換[4]。在此過程中,污泥不斷失水逐漸脫離內(nèi)壁,被葉片順序帶到出料口以備焚燒。

        圖1 干化機(jī)總體外觀

        表1 P265GH 的化學(xué)成分

        表2 化學(xué)成分

        2 實(shí)驗(yàn)方法

        2.1 干化機(jī)內(nèi)壁磨損測量

        為了解干化機(jī)內(nèi)壁磨損情況,停產(chǎn)時(shí)抽出轉(zhuǎn)子并清空污泥后采用超聲波測厚的方式對(duì)干化機(jī)內(nèi)壁(定子)進(jìn)行取樣測量。采用打點(diǎn)取樣法取樣,所選樣點(diǎn)均位于定子內(nèi)壁周向0°、90°、180°、270°方向上沿軸向延伸的4 條直線上,每隔約0.5m 選取一個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行厚度測量和數(shù)據(jù)記錄。將干化機(jī)內(nèi)壁抽象成一個(gè)圓柱形筒體,取點(diǎn)示意圖如圖2 所示,取樣現(xiàn)場如圖3 所示。

        圖2 干化機(jī)取樣點(diǎn)的選取示意圖

        圖3 干化機(jī)內(nèi)部取樣現(xiàn)場圖片

        2.2 干化機(jī)內(nèi)壁腐蝕試驗(yàn)

        干化機(jī)因加熱夾套內(nèi)充有熱蒸汽,故屬于壓力容器,無法對(duì)干化機(jī)內(nèi)壁進(jìn)行切割取樣。因此分別采集干化機(jī)出料口污泥、干化機(jī)內(nèi)壁表面刀片刮收集的黑色粉末用于EDS 和XRD 分析試驗(yàn)以便研究干化機(jī)內(nèi)壁腐蝕情況。污泥樣品于2022 年2 月取自處于維修期間的干化機(jī)出料管道,黑色粉末樣品于2020 年11 月取自干化機(jī)內(nèi)壁中間偏上位置。表5 為EDS 的試驗(yàn)結(jié)果,圖7 為X 射線衍射圖譜。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        3.1 測量結(jié)果

        圖4 是由2015、2017、2019 年三次在0°、90°、180°、270°四個(gè)方向測量的干化機(jī)內(nèi)壁相對(duì)厚度取平均值制得(單位:mm)。圖5 是由2015、2017、2019 年三次測量數(shù)據(jù)按每2m 為一個(gè)區(qū)間,對(duì)區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)平均后制得(單位:mm)。2019 年已在專家指導(dǎo)下對(duì)干化機(jī)部分區(qū)域進(jìn)行修復(fù),故無近兩年厚度測量數(shù)據(jù)。

        3.2 試驗(yàn)結(jié)果

        出料口的污泥EDS 和XRD 試驗(yàn)結(jié)果分別見表3、圖6。圖6 干化機(jī)內(nèi)壁刮取物中FeS2的四個(gè)較強(qiáng)衍射峰(非最強(qiáng)峰)與標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS No.74-1015)所示峰基本重合的四個(gè)峰,衍射峰從小到大所對(duì)應(yīng)的晶面依次均為(220)、(130)、(310)、(122)。圖7 中其他較強(qiáng)峰經(jīng)與SiO2(JCPDS No.79-1910)比照后確定均為SiO2的衍射峰。

        圖6 干化機(jī)內(nèi)壁刮取物X 射線衍射圖譜

        表3 干化機(jī)內(nèi)壁表面刮取物主要成分

        干化機(jī)內(nèi)壁刮取粉末EDS 和XRD 分析試驗(yàn)分別見表4、圖7。其中C33H17N3O7為含有3 個(gè)硝基的苯并[K]熒蒽與9-芴酮的化合物,其最高峰與衍射圖譜的最高峰幾乎完全對(duì)照,三個(gè)峰與標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS No.15-1118)所示峰基本重合。樣品中其他有機(jī)還包括大量有機(jī)物及純碳,無機(jī)物峰值最為明顯、對(duì)照最好的是CaO、SiO2二者按任意配比形成的的Si、Ca 水化物,其存在條件為180℃以下(干化機(jī)加熱蒸汽溫度約135℃),常溫為凝膠態(tài),常見于水泥。

        圖7 干化機(jī)出料口污泥X 射線衍射圖譜

        表4 測得干污泥的主要組成成分

        4 干化機(jī)內(nèi)壁測量分析

        干化機(jī)內(nèi)壁腐蝕磨損影響因素主要有位置、時(shí)間、溫度、磨料及腐蝕介質(zhì)。通過上述圖標(biāo),結(jié)合影響因素對(duì)干化機(jī)內(nèi)壁的磨損會(huì)有以下三點(diǎn)發(fā)現(xiàn)及分析:

        4.1 隨使用時(shí)間延長磨損加速

        圖4 可以直觀地看出,干化機(jī)內(nèi)壁在2017-2019 年間所有樣點(diǎn)的厚度平均減少量(1.75mm)明顯大于2015-2017 年的損耗厚度(0.99mm),說明干化機(jī)內(nèi)壁的磨損速度在加快。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因主要為干化機(jī)內(nèi)壁表面的耐磨層(NAXTRA700)厚度約為5mm 的高碳鋼,當(dāng)某位置實(shí)測厚度小于22mm 則意味著高碳鋼被磨損耗盡(如圖3),而其內(nèi)部硬度和耐磨性較差的鍋爐鋼(P265GH,為中碳鋼)就會(huì)暴露。在磨料不變的情況下,硬度降低將導(dǎo)致干化機(jī)內(nèi)壁局部耐磨性變差,磨損速度加快。

        圖4 各角度相對(duì)厚度減少比照

        4.2 沿定子長度(污泥運(yùn)動(dòng))方向的磨損

        圖5 按軸向?qū)Ρ瓤梢钥闯?,干化機(jī)內(nèi)壁從進(jìn)料口至出料口方向,總體磨損量總體不斷增加,造成此現(xiàn)象的原因是:水有一定的流動(dòng)性和潤滑性,污泥在進(jìn)料口時(shí)含水率較高且溫度較低,隨著葉片對(duì)污泥的不斷推進(jìn)和定子夾套對(duì)污泥的不斷加熱,污泥的水分不斷散失,部分類似紡錘狀的污泥表面水分散失速度較快,表面硬度增加,前進(jìn)過程中會(huì)與干化機(jī)內(nèi)壁的磨損不斷增強(qiáng)。干化機(jī)出口端污泥平均含水率在65%~70%左右,但由于污泥與干化機(jī)內(nèi)壁是通過熱交換的方式進(jìn)行烘干,使得污泥表面的含水率會(huì)低于其內(nèi)部的含水率,局部外表含水率會(huì)低于60%。當(dāng)含水率降至60%時(shí),污泥內(nèi)部雖然是稀泥,但表面容易結(jié)塊,使得污泥表面較為堅(jiān)硬[5]。由于干化機(jī)葉片在運(yùn)行中可能會(huì)產(chǎn)生一定的松動(dòng)且干化機(jī)內(nèi)壁厚度并非全部一致,所以當(dāng)個(gè)別污泥塊體積較大或個(gè)別位置葉片與干化機(jī)內(nèi)壁邊距較小時(shí),污泥所受葉片的壓應(yīng)力增加,使污泥在移動(dòng)的過程中與干化機(jī)內(nèi)壁的摩擦應(yīng)力會(huì)顯著增加,并在污泥的堅(jiān)硬外殼被壓碎后還會(huì)發(fā)生粘壁和板結(jié)現(xiàn)象[5],使干化機(jī)內(nèi)壁的磨損加劇。同時(shí),由于加熱作用,干化機(jī)進(jìn)口端到出口端的溫度由20℃逐漸上升至105℃,溫度的上升促進(jìn)了磨損的加劇。

        圖5 各長度區(qū)間相對(duì)厚度減少比照

        4.3 沿定子周向磨損

        圖4 按周向位置對(duì)比可以看出,干化機(jī)內(nèi)壁在180°方向(底部)磨損量最小。在干化機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,污泥由于受到重力的作用,主要占據(jù)干化機(jī)底部分位置。干化機(jī)底部主要受到污泥的腐蝕和磨損。由于底部污泥含水量大,污泥中的磨粒對(duì)內(nèi)壁的磨損減小,磨損更多表現(xiàn)為含泥水流對(duì)內(nèi)壁的沖蝕。且由于水封作用,底部內(nèi)壁基本不受腐蝕性氣體作用,最終導(dǎo)致干化機(jī)內(nèi)壁在180°方向上磨損量最小。未被污泥覆蓋的上半部分則主要受到水汽和污泥在加熱過程中產(chǎn)生的氣體和氣流的作用。因?yàn)楦苫瘷C(jī)屬于壓力容器,所以在運(yùn)行期間,其內(nèi)部的氣體成分暫未進(jìn)行檢測。干化機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,理論上對(duì)干化機(jī)同一周向上的內(nèi)壁產(chǎn)生的磨料磨損相同。存在干化機(jī)未被污泥覆蓋的上半部分磨損程度較下半部分更大的現(xiàn)象,則說明干化機(jī)運(yùn)行時(shí)其內(nèi)部的氣體造成腐蝕磨損和氣流沖刷作用對(duì)定子內(nèi)壁的損傷更大。

        4.4 干化機(jī)腐蝕磨損機(jī)理

        在污泥接收倉(干化機(jī)進(jìn)料來源的儲(chǔ)存緩沖倉)所在的非完全密閉空間內(nèi),H2S 的監(jiān)測儀表顯示濃度為約為0-0.25mg/m3,其他相關(guān)文獻(xiàn)也提及干化機(jī)在對(duì)污泥干化的過程中會(huì)產(chǎn)生H2S[6]。腐蝕性氣體的存在為FeS2的產(chǎn)生提供了腐蝕劑(3.2中敘述已確定該物質(zhì)的存在)。FeS2是一種疏松多孔的物質(zhì),它的存在有利于水和腐蝕性物質(zhì)在干化機(jī)內(nèi)壁的貯藏和接觸,從而加速污泥對(duì)干化機(jī)內(nèi)壁的腐蝕速度。腐蝕與磨損的耦合加劇磨損,磨損產(chǎn)生新鮮表面加速腐蝕,這種機(jī)理多發(fā)生在有腐蝕性介質(zhì)的工況條件下。根據(jù)干化機(jī)的實(shí)際工況,腐蝕磨損并不是單一存在的,還伴隨污泥相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的切削磨損,被切削下來的材料,與車床、刨床的切屑十分相似,只是體積較小。綜上所述,在干化機(jī)運(yùn)行過程中,其內(nèi)壁的主要磨損形式是腐蝕與磨損交織,對(duì)干化機(jī)內(nèi)壁起到了雙重破壞。

        5 結(jié)論

        5.1 干化機(jī)內(nèi)壁磨損主要為污泥的腐蝕和磨損的耦合作用。

        5.2 干化機(jī)內(nèi)壁的磨損具有從進(jìn)料端至出料端磨損逐漸增強(qiáng)、內(nèi)壁底部以外部分比底部磨損更嚴(yán)重以及耐磨層耗盡后磨損速度會(huì)加快的特點(diǎn)。

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