双轴螺旋桨叶干燥机内污泥含水率数值模拟

朱 雨，董金善，赵 悦，张森源

（南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 211816）

污泥是指在进行污水处理过程中，通过各种分离方法脱水后产生的泥渣。若不经过处理，污泥中往往含有重金属、病原体及致病微生物等有害物质，将会对环境造成污染甚至危害到人体健康。为了便于对污泥进行进一步处理，通常会对污泥进行不同程度的干燥处理［1-2］。干燥处理具有污泥适应性强、操作过程安全稳定等特点。常用的干燥设备有桨叶干燥机、回转干燥机和流化床干燥机等，其中桨叶干燥机应用最为广泛。

很多国内外学者对污泥干燥进行了相关研究。英国的Bradford公司最早设计了回转窑污泥干燥机，应用于干燥污泥［3］。 Cofie O O 等［4］利用干燥床对下水污泥进行固液分离，使可生物降解有机固体废物的堆肥和卫生处理效率及可靠性得到提高。饶宾期等［5］设计了一种用于干燥污泥的太阳能热泵干燥系统，为太阳能热泵在固废处理领域的应用提供理论参考。司欢欢等［6］开发了一种新型尾气自惰式循环污泥干燥闭路系统，采用此闭路循环系统减少了污泥干燥过程废水、废气的排量，提高了热量利用率。Tarek J J等［7］在FLUENT计算流体动力学软件中模拟了聚氯乙烯和湿式PVC污泥的流动模式以及传热和传质过程，确定了气相速度和温度对最终产物的影响。MilhéM等［8］建立了连续污泥桨式干燥机模型，模拟了稳态运行过程中沿干燥机长度方向的温度分布曲线。Hassine N B等［9］对干燥机内传热和传质过程进行了数值模拟，研究了太阳辐射强度和空气温度对空气-多孔介质界面温度、速度和质量传递的时间与空间影响。孟亚峰［10］利用ANSYS有限元分析软件，建立了转筒式污泥干燥机的实体模型和数学模型，结合计算流体力学分析滚筒内污泥流动状态。李斌斌等［11］采用MATLAB软件对污泥干燥动力学过程进行了模拟，结果表明污泥中网络状的絮体结构不利于水分蒸发。胡国呈等［12］采用CFD方法对双转子空心圆盘干燥机内部流场进行了数值模拟，研究了转子转速、蒸汽温度和进料量对干燥效果的影响。秦长江等［13-25］对桨叶式干燥机的性能等进行了研究。

1 双轴螺旋桨叶干燥机物理模型与基本假设

1.1 物理模型

双轴螺旋桨叶干燥机实体模型由上盖、壳体、桨叶轴、支座以及污泥进出口、水蒸气出口和观察口等组成，其结构示意见图1。此设备采用间接式干燥工艺，即在空心桨叶轴和壳体夹套中通入加热蒸汽，通过热传导的形式为污泥干燥提供所需要的热量。与直接式干燥工艺相比，间接式干燥工艺减少了利用载气加热时被出口气体带走的热量，从而提高了热量利用率。

图1 双轴螺旋桨叶干燥机结构示图

由于在干燥过程中壳体内壁面和桨叶轴外壁面的温度几乎不变，因此数值模拟时将壳体内壁面和桨叶轴外壁面视为恒温壁面。观察口的作用是在干燥过程中便于观察干燥机内部工作情况，进行流场模拟时可将其省略。简化后的双轴螺旋桨叶干燥机流场计算模型见图2a。使用FLUENT Meshing网格划分模块对双轴螺旋桨叶干燥机计算模型进行网格划分。由于桨叶轴结构较为复杂，并且作为旋转区域，需要对这部分设置动网格模型，对网格质量要求较高，因此选用四面体非结构网格划分方法对计算模型进行网格划分，划分之后的双轴螺旋桨叶干燥机计算模型网格数量约200 万（图 2b）。

图2 双轴螺旋桨叶干燥机流场计算模型及网格划分

1.2 基本假设

在污泥干燥过程中，污泥通过进料口进入双轴螺旋桨叶干燥机，经过桨叶轴搅拌、推动，使污泥中的水分不断蒸发，同时污泥颗粒被细化，最终达到干燥目的。

对干燥过程进行如下假设：①干燥机的干燥对象由水和绝干污泥2种物质组成。②湿物料由进料口进入干燥机时固液两相均匀分布。③干燥机蒸汽出口的水分全部来自于污泥中水分蒸发形成的水蒸气。

2 双轴螺旋桨叶干燥机模拟理论基础

2.1 湍流模型

由于双轴螺旋桨叶干燥机干燥过程中桨叶轴做旋转运动，模拟时需考虑旋转区域问题，因此选用 RNG k-ε 模型［26］，其湍流能量 k与耗散率 ε 方程如下：

其中

式（1）～式（6）中，ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；αk、αε分 别 为 k、ε 的 有 效 普 朗 特 数 的 倒 数 ，αk=αε=1.39；Gk为由平均速度梯度引起的湍动能产 生 项 ；C1ε、C2ε为 模 型 常 数 ，C1ε=1.42、C2ε=1.68；μ 为动力黏度，μt为湍动黏度，Pa·s；η为量纲一的应变或平均流时间尺度与湍流时间尺度之比；η0为η在剪切流中的典型值，η0=4.377；β 为模型常数，β=0.012。

2.2 动网格模型

干燥机桨叶轴在做旋转运动时，其流体域模型边界随时间不断发生变化，因此选用动网格模型［27］。在FLUENT中，动网格模型求解原理为，求解器根据计算域边界运动后的新位置，自行完成每一时间步的体网格重新划分，其守恒型方程为：

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式中，V为形状和大小变化的控制体体积，m3；φ为通用变量；∂V(t)为控制体体积运动边界；→u为流体速度，为边界网格运动速度，m/s；→A为截面积，m2；Г 为耗散系数；Sφ为标量 φ的源项。

3 双轴螺旋桨叶干燥机污泥干燥数值模拟

3.1 边界条件

干燥机进料口为速度进口，进口速度根据模拟工况的进料速度设定，蒸汽出口和出料口设置为压力出口。干燥机内壁被夹套包围的壁面和桨叶轴外壁面作为加热面，在模拟时设置为恒温壁面，壁面温度根据模拟工况的热源温度设定。

通过查阅相关资料［28］，计算获得的模型中主要涉及的污泥物性参数如下，污泥初始含水率68.03%，污泥进料温度20℃，绝干污泥颗粒直径0.8 mm，绝干污泥的密度为 1 169 kg/m3、比热容1 458 J/（kg·K）、导热系数 0.07 W/（m·K）。

3.2 多相流模型选用

相比于欧拉模型对计算机的高性能要求，mixture混合物模型具有迭代容易收敛、计算结果准确及对计算机的配置要求低等优点，被广泛应用于各相以相同速度运动的多相流求解中。因此，文中的多相流模型采用mixture混合物模型，主相为水蒸气，次相为利用组分运输模型设置的污泥与液态水混合物料，其中液态水设置为次相的第一项。

4 双轴螺旋桨叶干燥机内部污泥含水率模拟结果及讨论

4.1 干燥机内部含水率分布

为研究双轴螺旋桨叶干燥机内部含水率的分布情况，模拟了干燥机在热源温度160℃、桨叶轴转速8 r/min、进料速度30 kg/h工况时的干燥过程。沿干燥机长度x方向，以x=200 mm为起点，每隔100 mm设定1个取样点，得到了各取样点截面的污泥平均含水率分布曲线，见图3。

由图3可知，干燥机中污泥平均含水率沿着干燥机的长度方向不断发生变化，在x为200～500 mm区域，污泥平均含水率加速下降；在x为500～900 mm区域，污泥平均含水率匀速下降；在x为900～1 600 mm区域，污泥平均含水率减速下降。在干燥过程中，干燥机首端与尾部的污泥平均含水率下降幅度较小，中部区域的污泥平均含水率下降幅度较大。污泥由进料口进入干燥机后，先经历一段预热阶段，该阶段的热量主要用来提升污泥自身的温度，因此污泥平均含水率下降幅度较小。随着污泥温度的升高，当达到临界温度时，外部热源传递给污泥的热量全部用来汽化污泥中的水分，由此进入含水率匀速下降阶段。最终，污泥中的水分逐渐减少，平均含水率下降幅度逐渐减小。

图3 双轴螺旋桨叶干燥机各取样点截面污泥平均含水率

干燥机内部计算区域x为400 mm、900 mm及1 500 mm截面的污泥含水率分布云图见图4。由图4a可知，污泥进入干燥机内，搅拌距离短，搅拌不充分，污泥中含水率还较高。由图4b可知，污泥与加热壁面接触区域含水率较低，随着污泥料层变厚，污泥的含水率逐渐增大。随着污泥中的水分不断蒸发，污泥含水率降低，污泥的传热和传质阻力增大，干燥速率也逐渐减小。由图4c可知，在干燥过程中，螺旋桨叶轴对污泥不断搅拌，使其与加热壁面充分接触，此时污泥的含水率分布均匀，证明双轴螺旋桨叶干燥机具有较好的干燥效果。

图4 双轴螺旋桨叶干燥机不同位置截面污泥含水率分布云图

4.2 桨叶轴转速对干燥效果的影响

在不改变其他操作条件的前提下，设置干燥机桨叶轴转速分别为 6、7、8、9、10 r/min 这 5 种工况进行多相流模拟。不同桨叶轴转速下干燥机x=1 500 mm出口截面的污泥含水率分布云图见图5，干燥机出口污泥平均含水率见表1。

图5 不同桨叶轴转速下双轴螺旋桨叶干燥机出口截面污泥含水率分布云图

表1 不同桨叶轴转速下双轴螺旋桨叶干燥机出口污泥平均含水率

由图5可知，不同桨叶轴转速下干燥机出口截面的污泥含水率分布未出现不均匀的情况，证明桨叶轴模拟转速取值合理。

从表1可知，其他操作参数不变情况下，提高干燥机桨叶轴转速，出口污泥的平均含水率略有升高。这主要是因为在双轴螺旋桨叶干燥机干燥过程中，随着桨叶轴转速的提高，污泥在干燥机内停留的时间缩短，但螺旋桨叶轴对污泥的搅拌作用加强，最终导致桨叶轴在高转速条件下的出口污泥平均含水率略高于低转速条件下的出口污泥平均含水率，干燥效果不佳。同时，较高的转速需要较大的电力负荷，成本会提高。因此，在双轴螺旋桨叶干燥机进行干燥时不宜采用较大的转速。但干燥机桨叶轴转速过小会导致污泥停留在干燥机内部，搅拌不充分，与加热面接触的湿物料不能及时更新。此外，桨叶轴对污泥也有推动作用，桨叶轴转速过小会使污泥在干燥机内传输不畅，影响干燥效果。因此，桨叶轴转速的选择对干燥机干燥效率至关重要。

4.3 进料速度对干燥效果的影响

在不改变其他操作条件的前提下，设置干燥机进料速度为 26、28、30、32、34 kg/h 这 5 种工况进行多相流模拟。不同进料速度下干燥机x=1 500 mm出口截面的污泥含水率分布云图见图6，干燥机出口污泥平均含水率见表2。

图6 不同进料速度下双轴螺旋桨叶干燥机出口截面含水率分布云图

表2 不同进料速度下双轴螺旋桨叶干燥机出口污泥平均含水率

由图6可知，当干燥机进料速度增大时，污泥料层厚区的含水率较高。这是由于增大污泥的进料速度使干燥机内部的污泥积压，污泥料层热阻增大，不利于物料层内部传热过程的进行，因此影响干燥效果。

从表2可知，其他操作参数不变时，随着干燥机进料速度的增大，出口污泥平均含水率升高。主要原因是当干燥机进料速度增大时，单位时间内需要被蒸发的水分增加，但由于外部热源的温度不变，用于干燥污泥的输入热量不变，所以单位体积污泥获得的热量减少，即单位体积污泥蒸发水量减少，导致出口污泥平均含水率升高。

5 结语

基于FLUENT计算流体力学模拟软件，对双轴螺旋桨叶干燥机的干燥过程进行多相流数值模拟。以出口污泥平均含水率为指标，研究桨叶轴转速与进料速度对双轴螺旋桨叶干燥机干燥效果的影响。模拟结果分析表明，①在干燥过程中，污泥平均含水率沿着干燥机长度方向变化，规律为先加速下降再匀速下降，最后减速下降。加热壁面与污泥接触区的含水率较低，且随着污泥变厚，污泥含水率逐渐增大。②干燥机桨叶轴转速加快时，出口污泥平均含水率升高。这是由于桨叶轴旋转对污泥起到了输送作用，桨叶轴转速加快使污泥输送加快，污泥在干燥机中停留时间缩短，导致出口污泥平均含水率升高。③出口污泥平均含水率随污泥进料速度的增大而升高。主要原因是当污泥进料速度增大时，单位体积污泥获得的热量减少，并且进料速度增大使干燥机内部污泥积压，污泥料层热阻增大，影响干燥效果，致使出口污泥平均含水率升高。