污泥脫水臥螺離心機(jī)最優(yōu)差轉(zhuǎn)速

                         污泥脫水臥螺離心機(jī)最優(yōu)差轉(zhuǎn)速
                       朱桂華1，任繼良1，張玉柱1，孫欣2
    (1．中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙410083，E-mail:zhuguihuaok@163．com;2．三一重工泵送事業(yè)部研究本院)
    

摘要:利用Solidworks軟件對臥螺離心機(jī)內(nèi)污泥流體進(jìn)行三維建模，結(jié)合CFD軟件fluent選用RNG k～ε湍流模型與多重參考系(MRF)模型，對離心機(jī)內(nèi)固液兩相流進(jìn)行模擬仿真，得到不同差轉(zhuǎn)速下離心機(jī)流道內(nèi)流體的壓力、速度云圖，得出出渣口污泥含水率與差轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，所分析的離心機(jī)最優(yōu)差轉(zhuǎn)速約為50 r/min時，出渣口污泥含水率最低，且該離心機(jī)可以工作的最低差轉(zhuǎn)速約為5．1 r/min。
    關(guān)鍵詞:離心機(jī);差轉(zhuǎn)速;MRF模型;含水率
    中圖分類號:TU992．3;TD433文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
    文章編號:1006-2343(2012)02-109-04
    城市污水處理廠的污水通過物理化學(xué)法及生物法經(jīng)多道池沉降處理后，得到含水率約為97%的污泥(后面稱其為原污泥)，再經(jīng)機(jī)械法脫水后，污泥含水率大多仍高達(dá)70～80%，使得污泥運(yùn)輸、填埋、固化成本高，土地占用面積大，且因污泥返溶、滲出等造成填埋地的二次污染，影響周邊生態(tài)環(huán)境［1］。國家環(huán)保部于2010年11月26日發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥污染防治工作的通知》，要求“污水處理廠以貯存(即不處理處置)為目的將污泥運(yùn)出廠界的，必須將污泥脫水至含水率50%以下”［2］。將污泥含水率降低至50%以下，有非常巨大的意義。以不變固相質(zhì)量為1，對應(yīng)不同含水率的液相質(zhì)量及污泥總質(zhì)量如表1，由表1可知，將含固量為1 t的污泥含水率從97%降低至50%，即將污泥總質(zhì)量從33．3 t降低至2 t，為污泥的后續(xù)處置大大降低成本，也為資源化利用創(chuàng)造了條件。

             
    原污泥常采用臥螺離心機(jī)來進(jìn)行固液分離處理。離心機(jī)是利用兩不互溶介質(zhì)間的密度差、在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力進(jìn)行固液分離的設(shè)備［3］，在混合介質(zhì)的分離方面具有很明顯的優(yōu)點(diǎn):其結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、安裝方便、處理工藝簡單、連續(xù)作業(yè)、分離效果好等［4］。影響臥螺離心機(jī)固液分離效果的因素主要有:分離因素、長/徑比(即轉(zhuǎn)豉總長度與內(nèi)直徑之比)、差轉(zhuǎn)速、處理量、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)鼓半錐角、螺旋葉片的螺旋升角和導(dǎo)程等［5］。王文志［6］從操作參數(shù)和工藝條件等方面分析了影響離心機(jī)分離效果的主要因素;任欣、田園等［7］定性地分析了差轉(zhuǎn)速對煤泥分離效果的影響。但因差轉(zhuǎn)速的變化引起離心機(jī)固液分離效果研究很少見，離心機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，基本是憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)差轉(zhuǎn)速，缺乏科學(xué)依據(jù)，本文則研究不同差轉(zhuǎn)速下原污泥固液分離效果并提出最優(yōu)差轉(zhuǎn)速。
    1·離心機(jī)內(nèi)固液分離CFD仿真
    擬對臥螺離心機(jī)流道內(nèi)的污泥在不同差轉(zhuǎn)速下的流動及固液分離過程進(jìn)行計(jì)算流體動力學(xué)(Computational FluidDynamics，簡稱CFD)仿真。
    1．1離心機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)參數(shù)
    臥螺離心機(jī)主要由轉(zhuǎn)鼓、螺旋推料器、差速器、主輔電機(jī)、機(jī)座、罩殼、減震器等部件組成，如圖1所示。

           
    工作時轉(zhuǎn)鼓、螺旋推料器同時同向高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鼓與螺旋推料器在差速器的作用下形成一定的差轉(zhuǎn)速(數(shù)值可由變頻器程序控制調(diào)節(jié))。原污泥經(jīng)進(jìn)料管的中心孔進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力的作用下，由于固液兩相密度差的緣固，固相顆粒迅速甩向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁并沉積在內(nèi)壁上，與轉(zhuǎn)鼓作相對運(yùn)動的螺旋推料器上的螺旋葉片不斷地將沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固體顆粒刮走并推向出渣口。分離后的清液經(jīng)出液口溢流出轉(zhuǎn)鼓，從而實(shí)現(xiàn)對原污泥的固液連續(xù)分離。
    選用某公司生產(chǎn)的WL250型雙電機(jī)臥螺離心機(jī)進(jìn)行分析，其轉(zhuǎn)鼓參數(shù)與螺旋推料器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別如表2和表3:

             
    1．2計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分
    對實(shí)際流體作如下假設(shè):1)流道內(nèi)流體為連續(xù)且不可壓縮流體;2)不考慮轉(zhuǎn)鼓和螺旋共同作用時在錐段處對污泥的擠壓作用產(chǎn)生的熱影響;3)進(jìn)、出口流體處于恒定流;4)高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁與螺旋葉片頂端的間隙為0，屬于理想推料，并且不考慮磨損。
    針對臥螺離心機(jī)流道內(nèi)的流體，采用solidworks建立三維模型然后導(dǎo)入CFD前處理gambit中，選取流道內(nèi)流體流動區(qū)域作為計(jì)算域并在gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的劃分對于CFD數(shù)值模擬的求解具有關(guān)鍵作用，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響數(shù)值模擬過程的穩(wěn)定性、收斂性、速度與精度［8］。網(wǎng)格類型選為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，總計(jì)347 834個混合型體網(wǎng)格單元數(shù)目，如圖2所示。

            
    1．3 CFD計(jì)算模型與邊界條件
    MRF模型是旋轉(zhuǎn)單元體的穩(wěn)態(tài)近似［9］。本文采取MRF模型進(jìn)行仿真計(jì)算，湍流模型選取RNG k－ε模型，已有不少文獻(xiàn)［10－12］提出RNG k－ε模型模擬兩相分離時仿真與實(shí)際吻合較好。壓力－速度的耦合計(jì)算采用SIMPLE的方法，由于流動具有強(qiáng)旋轉(zhuǎn)特性時，采用QUICK差分格式［13］。
    按照原污泥流量3 m3/h在常態(tài)下折算出臥螺離心機(jī)進(jìn)口流體流速為1．70 m/s，臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速設(shè)定為5 000r/min，選取十組差轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)仿真分析得到出渣口污泥含水率，差轉(zhuǎn)速分別為30 r/min、40 r/min、50 r/min、60 r/min、70r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min、110 r/min、120 r/min。計(jì)算邊界條件:
    (1)離心機(jī)進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件，假設(shè)流體是均勻進(jìn)入且進(jìn)口流速垂直于進(jìn)口管道橫截面，湍流強(qiáng)度為5．17%，水力直徑為進(jìn)口直徑25 mm;
    (2)離心機(jī)出液口、出渣口速度未知，出口邊界條件定義為outflow;
    (3)流道內(nèi)與流體相接觸的壁面都設(shè)定為moving wall(rotational)，所有壁面上流體都滿足速度無滑移條件。某污水處理廠的原污泥固液兩相流體主要參數(shù)如下:固相密度ρs=1 051 kg/m3，動力粘度μs=0．02 Pa·s，顆粒平均粒徑ds=0．01 mm，固相體積分?jǐn)?shù)αs=3%，液相密度ρl=1 000 kg/m3，動力粘度μl=0．001 Pa·s。
    2·實(shí)驗(yàn)研究
    2．1污泥處理實(shí)驗(yàn)裝置
    原污泥通過泥漿泵送入離心機(jī)內(nèi)，用流量計(jì)來測量原污泥進(jìn)料流量;壓力傳感器用來檢測離心機(jī)進(jìn)口壓力，另外采用干燥箱對出渣口污泥進(jìn)行干燥。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

            
    2．2實(shí)驗(yàn)方法
    將轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速調(diào)定為5 000 r/min，在前述的每個差轉(zhuǎn)速下，待其運(yùn)行穩(wěn)定后，在離心機(jī)出渣口處采集相對應(yīng)差轉(zhuǎn)速下的三個污泥樣品，將樣品稱重后，烘干至不含水再稱重并計(jì)算該差轉(zhuǎn)速下的平均含水率。這樣，實(shí)驗(yàn)共得到10個不同差轉(zhuǎn)速下的出渣口污泥含水率。
    3·實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果分析
    3．1 CFD仿真結(jié)果及分析
    選取四組仿真壓力云圖如圖4－7所示。

             
    從圖4至圖7可看出，在離心機(jī)中心管進(jìn)口處壓力低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，有利于原污泥的進(jìn)入。由于轉(zhuǎn)鼓、螺旋推料器旋轉(zhuǎn)共同作用，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁區(qū)域壓力均較大，其主要原因是與流道內(nèi)流體相接觸的所有壁面均采用無滑移條件，轉(zhuǎn)鼓的高速離心作用使固相顆粒緊貼在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上。而在差轉(zhuǎn)速50r/min時轉(zhuǎn)鼓錐段處流體壓力最大，原因在于螺旋葉片刮料使污泥固體顆粒在錐段處產(chǎn)生堆積擠壓形成較大的壓力，迫使液相從高壓向低壓處流動，且該差轉(zhuǎn)速下出渣口污泥含水率最低。
    圖8為理論計(jì)算的出渣口污泥被甩出的速度與差轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。從圖8可以看出差轉(zhuǎn)速在50 r/min～60 r/min間，出渣口污泥被甩出速度最大。根據(jù)能量守恒定律，錐段處壓力能大，在出渣口口徑不變的情況下，污泥被甩出速度最大。

           
    3．2實(shí)驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果對比分析
    前述仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)得到的出渣口污泥含水率對比如圖9所示。

            
    從圖9可以得到:1)仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線趨勢基本吻合，本文分析仿真的方法是合理的;2)仿真與實(shí)驗(yàn)下的差轉(zhuǎn)速均約為50 r/min時，出渣口污泥含水率最低;3)污泥含水率測試結(jié)果普遍大于仿真結(jié)果，原因在于:實(shí)際的臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓與螺旋葉片頂端存在間隙，且轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上開有一定深度與長度的溝槽，污泥固相顆粒在刮送過程中由于離心機(jī)振動、螺旋軸向推力和摩擦力等共同作用下，造成了螺旋葉片的變形，導(dǎo)致離心機(jī)流道內(nèi)實(shí)際工作壓力低于仿真壓力，使得仿真結(jié)果略優(yōu)于實(shí)際固液分離效果。
    圖10為理論計(jì)算的進(jìn)出口流量差(進(jìn)口流量減去出口總流量)與差轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。由圖10可知，差轉(zhuǎn)速小于約5．1 r/min時，污泥進(jìn)口流量大于兩個出口總流量。這提示我們，離心機(jī)存在一個可以工作的最低差轉(zhuǎn)速。低于該差轉(zhuǎn)速時，離心機(jī)將會卡死，不能工作。而差轉(zhuǎn)速大于約5．1 r/min時，進(jìn)口流量總是低于出口總流量，剛好驗(yàn)證了離心機(jī)進(jìn)口存在負(fù)壓，有利于原污泥的進(jìn)入。

             
    4·結(jié)論
    本文討論的離心機(jī)在給定工作參數(shù)下最優(yōu)差轉(zhuǎn)速約為50 r/min。對不同規(guī)格的臥螺離心機(jī)，不同密度和粘度的污泥，采用本文方法，可以得到相應(yīng)的最優(yōu)差轉(zhuǎn)速。
    臥螺離心機(jī)存在一個可以工作的最低差轉(zhuǎn)速，本文分析的離心機(jī)可以工作的最低差轉(zhuǎn)速約為5．1 r/min，低于該差轉(zhuǎn)速時，離心機(jī)將會卡死，不能工作。
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作者簡介:朱桂華(1962－)，男，湖南雙峰人，副教授，博士;主要研究方向:機(jī)電液一體化技術(shù)，建材設(shè)備及環(huán)境工程設(shè)備，已發(fā)表論文40余篇，曾獲建議部華廈建設(shè)科技成果3等獎，專利20多項(xiàng)。