臥式螺旋沉降離心機(jī)污泥脫水模擬研究
技術(shù)支持
1 前言
臥螺沉降離心機(jī)作為一種高效的固液分離設(shè)備被廣泛地應(yīng)用于石油、建筑、化工等行業(yè)，利用固液兩相的密度差及離心作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)固體與液體的分離。在離心脫水過(guò)程中，臥螺離心機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)以及物料性質(zhì)都會(huì)對(duì)脫水效果造成影響。由于離心分離過(guò)程的復(fù)雜性、懸浮液特性的易變性、特別是固相顆粒的形狀和粒徑分布的多態(tài)性，給理論和試驗(yàn)研究造成了極大的困難。對(duì)于物料性質(zhì)來(lái)說(shuō)，污泥的調(diào)質(zhì)將會(huì)對(duì)后續(xù)的脫水工藝與設(shè)備產(chǎn)生較大影響，是污泥濃縮和脫水重要的前處理過(guò)程，其方法主要包括化學(xué)法、加熱法、淘洗法、冷凍法和加骨粒法等，新型調(diào)質(zhì)技術(shù)主要有超聲、微波、熱水解、磁場(chǎng)、電滲透、生物絮凝等。
為進(jìn)一步提高脫水效果，降低污泥的含水量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究。大量理論和試驗(yàn)研究結(jié)果表明，可以從提高分離因數(shù)、增加機(jī)械擠壓和延長(zhǎng)停留時(shí)間三個(gè)方面來(lái)改善脫水性能。但試驗(yàn)研究因不能任意改變離心機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，不能同時(shí)針對(duì)多個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行，不能系統(tǒng)考慮調(diào)質(zhì)技術(shù)使用前后污泥脫水效率的變化而具有一定的局限性。
近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的發(fā)展為臥螺離心機(jī)流場(chǎng)的研究開(kāi)辟了新的方向。我國(guó)化工和機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)者已利用CFD軟件模擬了離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流速與壓力場(chǎng)的變化。
本研究結(jié)合污泥調(diào)質(zhì)技術(shù)對(duì)臥螺離心機(jī)進(jìn)行CFD模擬，旨在研究臥螺離心機(jī)的長(zhǎng)徑比、螺旋及污泥黏度對(duì)分離性能的影響，同時(shí)考察不同粒徑的物料在不同轉(zhuǎn)速下的分離效率。
2 數(shù)值模擬方法
2.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分
臥螺離心機(jī)中轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器以一定的轉(zhuǎn)差運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)懸浮液的分離和沉渣的排出。模擬所用臥螺離心機(jī)的主要尺寸如下所述，轉(zhuǎn)鼓圓柱段外直徑=420mm，圓錐段長(zhǎng)度=325mm，錐角=8°，液層深度=45mm，進(jìn)料管外直徑=60mm，進(jìn)料管長(zhǎng)度=1200mm。
目前Gambit尚無(wú)法直接建立對(duì)應(yīng)的幾何模型，因此在模擬中首先將各部分簡(jiǎn)化，即不考慮螺旋的作用建立三維模型，然后讀入Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用T-Grid方法創(chuàng)建非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。
考慮螺旋的情況下，先通過(guò)NX6.0建立螺旋輸送器的模型，用螺旋輸送器切轉(zhuǎn)鼓實(shí)體即可得到液流區(qū)域，然后將模型轉(zhuǎn)換為CAD圖形，讀入Fluent進(jìn)行模擬計(jì)算。
2.2 邊界條件和求解策略
計(jì)算所用液體密度為1015kg/m3，液體黏度為1.003×10-3Pa·s。進(jìn)料管入口設(shè)為速度入口邊界，指定入口處的液流速度為0.5m/s。臥螺離心機(jī)出口為溢流出口，設(shè)定出口為Outflow邊界條件。轉(zhuǎn)鼓外壁設(shè)定為無(wú)滑移固壁邊界條件，自由液面處壁面設(shè)定為滑移切應(yīng)力為0，給定臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度設(shè)為30～50rad/s，轉(zhuǎn)差設(shè)置為2～5rad/s。
應(yīng)用控制容積積分法離散控制方程組，各方程對(duì)流項(xiàng)的離散采用精度較高的QUICK差分格式，壓力與速度的耦合次采用SIMPLE算法。臥螺離心機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)為較為復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)占優(yōu)流動(dòng)，因此選取精度較高的RSM湍流模型封閉控制方程組。模擬固體顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)選取DPM模型，考慮螺旋輸送器時(shí)選取滑移模型。
3 結(jié)果與分析
3.1 整體流場(chǎng)
選取離心機(jī)長(zhǎng)徑比為4、轉(zhuǎn)鼓角速度為50rad/s，做z=500mm和y=0mm兩處截面的靜壓分布?？梢钥闯鲮o壓沿徑向從中心向外逐漸增加，自由液面處?kù)o壓小，在轉(zhuǎn)鼓壁面處達(dá)到極值。由于入口與溢流口都與大氣相連，所以此兩處的靜壓接近于零值。
選取離心機(jī)長(zhǎng)徑比為4，入口速度升為0.5m/s，做z=900mm和y=0mm兩處截面的流場(chǎng)速度分布?？梢钥闯隽黧w以一定的速度進(jìn)入臥螺離心機(jī)，由于分料作用在分料口速度降低，然后隨高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓的帶動(dòng)進(jìn)入分離場(chǎng)，在接近轉(zhuǎn)鼓處速度開(kāi)始升高，當(dāng)流體到達(dá)分離場(chǎng)中部時(shí)流場(chǎng)中心位置處的速度梯度小；流體接近溢流口出，流場(chǎng)中心近壁面的速度降低但速度梯度增大，由此可知此時(shí)固液仍可進(jìn)行分離過(guò)程，這表明增加轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度的重要性。如果轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度不足，將嚴(yán)重影響分離過(guò)程的進(jìn)行，甚至不能完成分離過(guò)程。因此，大長(zhǎng)徑比有利于離心機(jī)的固-液分離。
3.2 長(zhǎng)徑比對(duì)臥螺離心機(jī)流場(chǎng)的影響
3.2.1 長(zhǎng)徑比對(duì)流場(chǎng)壓力分布的影響
根據(jù)長(zhǎng)徑比分別為2.5、3.0、3.5、4.0時(shí)，z=300mm處?kù)o壓力沿半徑方向上的分布情況可以看出，不同長(zhǎng)徑比下靜壓沿徑向的分布規(guī)律基本一致，即靜壓力沿徑向從中心向外逐漸增加，基本呈線性分布，自由液面處?kù)o壓小，在轉(zhuǎn)鼓壁面處達(dá)到極值，說(shuō)明增加液環(huán)層的厚度靜壓力值會(huì)顯著增大。當(dāng)長(zhǎng)徑比從2.5增大到3.5時(shí)，同一徑向位置處的靜壓隨著長(zhǎng)徑比的增大而減小，說(shuō)明此時(shí)增大長(zhǎng)徑比可以減小阻力損失。但是進(jìn)一步增大長(zhǎng)徑比，即長(zhǎng)徑比由3.5增大到4.0時(shí)，同一徑向位置處的靜壓隨著長(zhǎng)徑比的增大而迅速增大，說(shuō)明此時(shí)增大長(zhǎng)徑比將增加阻力損失。
根據(jù)長(zhǎng)徑比不同時(shí)，截面平均壓力沿軸向分布的變化情況可以看出，同一長(zhǎng)徑比下截面平均壓力沿軸向的變化不大，但是同一軸向位置處截面平均壓力隨長(zhǎng)徑比的變化較大，隨長(zhǎng)徑比壓力的變化與徑向分布規(guī)律類似。
3.2.2 長(zhǎng)徑比對(duì)切向速度分布的影響
臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液流的流動(dòng)方向可以分為軸向、切向和徑向三個(gè)方向，其中軸向速度和切向速度可以表征離心機(jī)分離過(guò)程的效果。軸向速度是表征臥螺離心機(jī)生產(chǎn)能力的一個(gè)物理參量，軸向流速越大，表示生產(chǎn)能力越強(qiáng)，但軸向速度過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致脫水效果下降，致使沉渣含濕率上升。
臥螺離心機(jī)的工作原理使分離液中的固體顆粒在離心力的作用下沿徑向向外運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生分離。切向速度是分離液中固-液發(fā)生分離的關(guān)鍵，在研究臥螺離心機(jī)時(shí)一般采用旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)液層一起旋轉(zhuǎn)，但液體的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)并不一致，存在滯后現(xiàn)象。
在液層深度、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和入口流速不變的情況下，長(zhǎng)徑比變化對(duì)切向速度影響不大，說(shuō)明長(zhǎng)徑比對(duì)切向速度滯后系數(shù)的影響不明顯。然而，長(zhǎng)徑比增大會(huì)使分離空間增大，從而促進(jìn)固-液分離，因此增大長(zhǎng)徑比有利于提高臥螺離心機(jī)的分離性能。與靜壓分布的研究相結(jié)合，繼續(xù)增大長(zhǎng)徑比會(huì)使阻力損失顯著升高，因此選擇長(zhǎng)徑比時(shí)應(yīng)綜合考慮分離性能和阻力損失兩方面的因素。
3.3 黏度對(duì)臥螺離心機(jī)流場(chǎng)的影響
3.3.1 黏度對(duì)壓力分布的影響
黏度升高對(duì)自由液面附近的靜壓力基本沒(méi)有影響，在轉(zhuǎn)鼓近壁面附近，靜壓力隨黏度的升高而有一定的升高，本文考察的范圍內(nèi)黏度對(duì)阻力損失的影響不大。
3.3.2 黏度對(duì)切向速度分布的影響
因切向速度是影響分離效果的重要因素，研究不同黏度對(duì)切向速度的影響是必要的。在黏度變化相對(duì)較小時(shí)切向速度變化也較小，隨著黏度的增大切向速度逐漸降低，因此流體的黏度對(duì)切向速度有一定影響。當(dāng)黏度大時(shí)切向速度相應(yīng)較小，而較低的切向速度對(duì)于分離過(guò)程是不利的，因此降低流體黏度更有利于固-液分離。
3.4 污泥調(diào)質(zhì)對(duì)脫水特性的影響
目前已有多種調(diào)質(zhì)技術(shù)，使用調(diào)質(zhì)技術(shù)如熱水解、超聲與微波等可以使污泥的特性如黏度與粒度等發(fā)生改變。下面將對(duì)有螺旋和無(wú)螺旋兩種情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合污泥的調(diào)質(zhì)分析懸浮液黏度、顆粒的粒徑分布及離心機(jī)中螺旋對(duì)分離效率的影響。
3.4.1 懸浮液黏度對(duì)脫水特性的影響
懸浮液的黏度主要取決于液相的黏度和懸浮液的濃度，通過(guò)理論分析和單相流場(chǎng)模擬可知，黏度對(duì)離心機(jī)分離效率有影響?，F(xiàn)選取本課題組污泥調(diào)質(zhì)特性研究測(cè)得的污泥黏度作為模擬數(shù)據(jù)，分析調(diào)質(zhì)技術(shù)對(duì)污泥脫水效率的影響。
研究中通過(guò)DPM模型，對(duì)不同長(zhǎng)徑比下轉(zhuǎn)鼓角速度為50rad/s、入口速度為0.5m/s時(shí)臥螺離心機(jī)內(nèi)的固-液分離過(guò)程進(jìn)行模擬。在無(wú)螺旋情況下，隨著黏度的增大，離心機(jī)分離效率略有降低，由于黏度變化值較小，所以分離效率的變化幅度不是很明顯；相同黏度下，分離效率隨著長(zhǎng)徑比的增大而增大，說(shuō)明大長(zhǎng)徑比有利于固-液分離，上述結(jié)果與單相流場(chǎng)的模擬結(jié)果以及理論分析結(jié)果相符合。而在有螺旋情況下，隨著黏度的增大，離心機(jī)分離效率有增有減，這是由于黏度的變化幅度不大，而且在螺旋的作用下流場(chǎng)內(nèi)湍流變化明顯，與層流理論不相符合。但在相同黏度下，分離效率隨長(zhǎng)徑比增大而增大，說(shuō)明即使在有螺旋的情況下大長(zhǎng)徑比離心機(jī)也利于固-液分離。有螺旋與無(wú)螺旋這兩種情況相比，由于螺旋的推進(jìn)作用有促使顆粒向離心機(jī)圓錐段運(yùn)動(dòng)，其次螺旋還可阻擋部分回流的固體顆粒，因此離心機(jī)中的螺旋設(shè)計(jì)促進(jìn)了固-液兩相的有效分離。
3.4.2 粒徑分布對(duì)脫水效果的影響
粒徑分布是影響固-液分離的重要因素之一，相同體積分?jǐn)?shù)下不同粒徑分布的污泥其脫水效率也有所不同。為了研究固-液分離時(shí)的粒徑分布及離心機(jī)中螺旋對(duì)分離效率的影響，指導(dǎo)污泥的調(diào)質(zhì)改性方向，采用DPM模型、滑移網(wǎng)格對(duì)不同粒徑下固體顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，從長(zhǎng)徑比為4.0、入口速度為0.5m/s時(shí)各轉(zhuǎn)速條件下顆粒的分離效率出發(fā)，對(duì)于懸浮液中不同的固相粒度分布得出不同的分離效率。
隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增加，分離效率隨之增大。而懸浮液中顆粒粒徑越大，其分離效率越高，反之越低。這是由于轉(zhuǎn)速越大、顆粒粒徑越大，顆粒所受離心力越大，越有利于固-液分離。根據(jù)粒徑分布來(lái)選擇合適的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速并選用有螺旋設(shè)計(jì)的機(jī)型，在降低離心機(jī)能耗的同時(shí)，也能保持臥螺離心機(jī)分離效率維持在較合理的水平。
4 結(jié)論
本文采用流體力學(xué)軟件FLUENT，將離心機(jī)三大基本方程與CFD仿真軟件有效結(jié)合，分析了理論和試驗(yàn)中尚難以處理的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的臥螺離心機(jī)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)。研究了流場(chǎng)速度和壓力分布的變化規(guī)律，并有針對(duì)性地得到了部分操作參數(shù)對(duì)分離場(chǎng)的影響規(guī)律。
（1）在單相無(wú)螺旋流場(chǎng)中，隨著長(zhǎng)徑比的增大，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁處壓力值先變小后增大，因此就本研究的研究范圍來(lái)看，大長(zhǎng)徑比有利于固-液分離，但過(guò)大會(huì)使阻力損失顯著升高，長(zhǎng)徑比為3.5為較佳選擇。
（2）黏度的增加不利于離心機(jī)分離效率提高，在本文考察范圍內(nèi)由于污泥黏度較低且變化不大對(duì)分離效果總體影響不大。相同黏度下，分離效率隨長(zhǎng)徑比增大而增大，說(shuō)明大長(zhǎng)徑比利于固-液分離。
（3）離心機(jī)中螺旋的設(shè)計(jì)使得流場(chǎng)內(nèi)層流理論發(fā)生變化，模擬結(jié)果表明離心機(jī)的螺旋設(shè)計(jì)使分離效率明顯優(yōu)于無(wú)螺旋情況，因此螺旋的存在有利于固-液分離。
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