城市污水污泥干燥特性及转筒干燥过程研究

论文摘要

城市污水污泥干燥处理作为一种减容化、无害化、资源化的处理方式已被广泛认识,但是如何根据污泥的干燥特性选择合理的干燥工艺、提高干燥效率,一直以来是人们研究的重点。本文是在污泥干燥特性研究的基础上指导转筒干燥过程,通过结合污泥干燥参数对转筒干燥过程编程模拟,优化转筒干燥。德国耐驰STA409PC热重差热联用仪上进行的水分特性实验表明污泥水分中毛细结合水占80%以上,并以微毛细管水为主。微毛细管结构使得污泥内部水分需要在内部气化再以蒸汽的形式扩散出来,从而造成污泥干燥过程出现颗粒外硬内软现象。DHS16-A水分分析仪上进行的干燥实验表明：提高干燥温度至沸点以上时可以显著提高污泥的干燥速率,但继续升温后干燥速率提高幅度减弱；颗粒粒径增大会增大传热传质的阻力导致干燥速率降低,增大干燥应力导致缩容率提高。在大量干燥实验的基础上,得到污泥干燥常扩散模型和简变扩散模型,用来预测不同干燥温度、粒径下污泥含湿量随时间的变化规律：其中,简变扩散模型预测结果与实验结果拟合度更好,相关性系数达0.99。转筒干燥机是一种适合污泥工业干燥的推广机型,但缺少模型指导污泥转筒干燥过程,使其进一步推广受到限制。本文采用计算机模拟方法考察了污泥转筒干燥过程。首先,建立抄板持料撒料模型,使用MATLAB编程模拟了抄板结构、安装角以及污泥颗粒休止角对撒料规律的影响,研究发现：倾尽角主要受到了抄板末段结构的影响,抄板转角为零时抄板末段与转筒壁面的夹角越大,倾尽角越大,并且倾尽角会随休止角的增大而增大；在撒料均匀度方面,普通抄板不能达到撒料量与落料空间成正比的合理撒料状态,但是撒料会随物料休止角的减小趋于合理化；物料自由表面长度与该位置的落料路程成正比时撒料量最合理,物料的自由表面长度可以通过设计抄板结构来控制,在此基础上提出抄板优化模型。接着,本文模拟了转筒干燥机倾斜角、半径、转速对平均停留时间的影响规律,研究发现：这些因素对污泥颗粒停留时间有着相同的影响规律,随着它们的增加,停留时间总体趋势是逐渐减小的,并且减小幅度逐渐变缓。最后,本文将平均停留时间与污泥颗粒干燥动力学模型耦合,结合传热及质量能量平衡方程,建立了污泥颗粒在转筒干燥机内的传热传质模型,模拟得到了污泥颗粒温度、湿度以及空气温度沿转筒轴向的分布结果,结果表明入口风温为650℃的情况下污泥颗粒含湿量逐渐降低,颗粒温度明显出现短暂升温和持续恒温的现象,最终与热风温差保持在140℃左右。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 城市污水污泥概况
• 1.2.1 污泥的定义
• 1.2.2 污泥的分类
• 1.2.3 城市污水污泥的产生
• 1.2.4 城市污水污泥的环境危害和利用价值
• 1.2.5 城市污水污泥干燥的必要性
• 1.3 城市污水污泥干燥研究现状
• 1.3.1 城市污水污泥水分特性研究现状
• 1.3.2 城市污水污泥干燥特性研究现状
• 1.3.3 城市污水污泥干燥工艺
• 1.3.4 转筒干燥技术的发展和前景
• 1.4 本文的研究目的和研究内容
• 2 实验系统与研究方法
• 2.1 试验样品
• 2.2 试验装置
• 2.2.1 TGA/DSC热重差热分析系统
• 2.2.2 水分分析仪试验系统
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 水分特性试验方法
• 2.3.2 干燥特性试验方法
• 2.4 数据分析方法
• 2.4.1 水分特性试验数据分析
• 2.4.2 干燥特性试验数据分析
• 2.4.3 干燥动力学数据分析
• 2.5 小结
• 3 城市污水污泥干燥特性的实验研究
• 3.1 城市污水污泥水分特性的分析
• 3.2 污泥的干燥特性分析
• 3.2.1 干燥温度对干燥特性的影响
• 3.2.2 污泥颗粒粒径对干燥特性的影响
• 3.2.3 污泥颗粒干燥过程的体积变化
• 3.2.4 颗粒粒径对临界含湿量的影响
• 3.3 小结
• 4 转筒干燥机抄板模型及抄板优化
• 4.1 转筒干燥机抄板模型的建立
• 4.2 污泥物性参数
• 4.3 抄板散料过程的计算机模拟
• 4.3.1 安装角对倾尽角的影响
• 4.3.2 抄板类型对倾尽角的影响
• 4.3.3 污泥颗粒休止角对倾尽角的影响
• 4.3.4 不同抄板类型对撒料均匀度的影响
• 4.3.5 物料休止角对撒料均匀度的影响
• 4.4 抄板的结构优化
• 4.5 小结
• 5 污泥颗粒在转筒内的干燥过程模拟
• 5.1 污泥颗粒干燥动力学模型
• 5.1.1 污泥颗粒干燥模型
• 5.1.2 模型拟合结果
• 5.2 转筒内物料的平均停留时间
• 5.2.1 平均停留时间模型
• 5.2.2 平均停留时间模拟
• 5.3 转筒干燥机内传热传质过程模拟
• 5.3.1 污泥颗粒转筒干燥传热传质模型
• 5.3.2 传热传质过程模拟结果
• 5.4 小结
• 6 总结与建议
• 6.1 全文总结
• 6.2 创新点
• 6.3 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文情况
• 学位论文评阅及答辩情况表