發(fā)布時(shí)間：2020-10-31 20:44

　　 針對(duì)污泥超臨界水氧化系統(tǒng)中存在的固體顆粒沉積及堵塞問(wèn)題,以印染污泥為研究對(duì)象進(jìn)行了其中固體顆粒在系統(tǒng)管線中沉積及輸運(yùn)特性的研究。首先,對(duì)污泥中可溶性無(wú)機(jī)鹽在超臨界水中析出的固體顆粒及不溶性固體的粒徑分布進(jìn)行了分析。然后,通過(guò)流體高速流動(dòng)方法來(lái)解決固體顆粒在系統(tǒng)管線中的堵塞問(wèn)題,分析了Davies公式計(jì)算超臨界水中固體顆粒臨界流速的可行性;并以此為依據(jù)獲得了3741kg/h的印染污泥在25MPa、50℃～550℃條件下的臨界流速和臨界管徑。最后,對(duì)不同管徑管道內(nèi)的不溶性固體顆粒在550℃超臨界水中的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬;結(jié)合臨界管徑及流體壓降的分析得出,本印染污泥系統(tǒng)的超臨界水氧化管式反應(yīng)器的最優(yōu)內(nèi)徑是55mm,進(jìn)一步表明臨界管徑對(duì)超臨界水系統(tǒng)管徑選擇的指導(dǎo)意義。
【部分圖文】：

取1g處理后的可溶性無(wú)機(jī)鹽再次溶解于1L的去離子水中，配置0.1%的無(wú)機(jī)鹽溶液，以此為原始物料，在間歇式超臨界水反應(yīng)釜中進(jìn)行無(wú)機(jī)鹽析出實(shí)驗(yàn)。將間歇式釜密封后升溫升壓，直至達(dá)到420℃、22.3MPa；打開閥門，將反應(yīng)釜中的超臨界水快速泄放出，直至壓力降至大氣壓；釜體冷卻后，取出無(wú)機(jī)鹽，通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)量其粒徑分布，如圖1所示。從超臨界水中析出的可溶性鹽粒徑都分布在5μm～10μm的范圍內(nèi)，顆粒粒徑較小，并且污泥中可溶性無(wú)機(jī)鹽的質(zhì)量濃度也較低，僅為0.1%，所以其對(duì)管道顆粒沉積的影響較小。文獻(xiàn)[9]分別在管式反應(yīng)器中低流速(0.8cm/s～65cm/s)條件下和高流速(45cm/s～196cm/s)條件下研究了鹽的流動(dòng)特性；結(jié)果表明，Na Cl、K2CO3、CaCl2溶液在400℃、含鹽量為10%的條件下，陽(yáng)離子和陰離子幾乎完全從反應(yīng)器出口流體中回收，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中反應(yīng)器未發(fā)現(xiàn)堵塞和壓力波動(dòng)。文獻(xiàn)[10]將2.5%的Na2SO4引入到超臨界水蒸發(fā)壁式反應(yīng)器中，運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)器壓力保持穩(wěn)定，未發(fā)生堵塞現(xiàn)象。本系統(tǒng)中可溶性無(wú)機(jī)鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.1%，因此在后續(xù)的輸運(yùn)特性計(jì)算與分析過(guò)程中，將不考慮可溶性無(wú)機(jī)鹽，僅對(duì)不溶性固體進(jìn)行計(jì)算。另外，在印染污泥進(jìn)入系統(tǒng)之前，通過(guò)污泥研磨泵將不溶性固體顆粒研磨至30μm粒徑。以下的輸運(yùn)特性分析中，針對(duì)30μm的不溶性固體顆粒進(jìn)行計(jì)算。

印染污泥的流量為3471kg/h，不溶性固體顆粒粒徑為30μm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.6%。采用Davies公式計(jì)算50℃～550℃、25MPa水輸送不溶性固體顆粒的臨界流速vc，如圖2(a)所示。需要說(shuō)明的是，計(jì)算過(guò)程中，固體顆粒密度為1.9g/mL;50℃～200℃的污泥動(dòng)力黏度采用的是文獻(xiàn)[15]針對(duì)污泥亞臨界水熱液化的實(shí)驗(yàn)研究中所獲得的污泥動(dòng)力黏度，而通過(guò)相同條件下純水的動(dòng)力黏度來(lái)近似模擬250℃～550℃污泥的黏度�？梢钥闯觯弘S著溫度從50℃增加至550℃，臨界流速增加，在臨界點(diǎn)之前，vc的變化率較小；隨著水溫高于臨界點(diǎn)，vc增加明顯。進(jìn)一步根據(jù)Davies公式計(jì)算不同溫度點(diǎn)的臨界流速，獲得相應(yīng)的臨界管徑如圖2(b)所示。可以得出，25MPa、550℃的SCWO管式反應(yīng)器的臨界內(nèi)徑為58.33mm。因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中不同溫度條件的設(shè)備、管線及SCWO管式反應(yīng)器時(shí)，可以在臨界管徑的基礎(chǔ)上，考慮一定設(shè)計(jì)余量，確定相應(yīng)設(shè)備的管道內(nèi)徑。另外系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中，控制主流體流量范圍，保證系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備管道中主流體流速大于該溫度條件的臨界流速，確保不溶性固體顆�？梢员恢髁黧w帶出而不沉積于管道中。3.3 超臨界管道內(nèi)固體顆粒的流動(dòng)模擬

本次模擬采用的物理模型如圖3(a)所示，為水平放置的90°彎管結(jié)構(gòu)，彎管進(jìn)口、出口直管段長(zhǎng)度為1m，彎頭部分彎曲半徑為4倍管徑。根據(jù)3.2節(jié)的計(jì)算，25MPa、550℃條件下的臨界管徑為58.33mm，因此選擇三種管徑尺寸(45mm、55mm、65mm)進(jìn)行數(shù)值分析。計(jì)算網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺度為0.0015m，網(wǎng)格總量約為40萬(wàn)，既能保證連續(xù)相流體的仿真精度，又可避免因網(wǎng)格尺度過(guò)小引起的DPM模型計(jì)算偏差問(wèn)題，如圖3(b)所示。湍流模型采用RNG k-ε模型，固體顆粒采用DPM離散相模型，在入口面均勻噴入，速度與連續(xù)相相同，主要考慮重力、Saffman升力及壓差梯度力。管壁壁面設(shè)置為顆粒反彈類無(wú)滑移壁面，出口為顆粒逃逸型邊界條件。超臨界水作為連續(xù)相，固體顆粒作為離散相，粒徑為30μm，密度為1.9g/m L。連續(xù)相和離散相的流量分別為0.91kg/s和0.054kg/s。
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