超临界水氧化体系中固体颗粒在管道内沉积及输运特性研究
发布时间：2020-10-31 20:44
针对污泥超临界水氧化系统中存在的固体颗粒沉积及堵塞问题,以印染污泥为研究对象进行了其中固体颗粒在系统管线中沉积及输运特性的研究。首先,对污泥中可溶性无机盐在超临界水中析出的固体颗粒及不溶性固体的粒径分布进行了分析。然后,通过流体高速流动方法来解决固体颗粒在系统管线中的堵塞问题,分析了Davies公式计算超临界水中固体颗粒临界流速的可行性;并以此为依据获得了3741kg/h的印染污泥在25MPa、50℃～550℃条件下的临界流速和临界管径。最后,对不同管径管道内的不溶性固体颗粒在550℃超临界水中的流动特性进行了数值模拟;结合临界管径及流体压降的分析得出,本印染污泥系统的超临界水氧化管式反应器的最优内径是55mm,进一步表明临界管径对超临界水系统管径选择的指导意义。
【部分图文】：
取1g处理后的可溶性无机盐再次溶解于1L的去离子水中，配置0.1%的无机盐溶液，以此为原始物料，在间歇式超临界水反应釜中进行无机盐析出实验。将间歇式釜密封后升温升压，直至达到420℃、22.3MPa；打开阀门，将反应釜中的超临界水快速泄放出，直至压力降至大气压；釜体冷却后，取出无机盐，通过扫描电子显微镜(SEM)测量其粒径分布，如图1所示。从超临界水中析出的可溶性盐粒径都分布在5μm～10μm的范围内，颗粒粒径较小，并且污泥中可溶性无机盐的质量浓度也较低，仅为0.1%，所以其对管道颗粒沉积的影响较小。文献[9]分别在管式反应器中低流速(0.8cm/s～65cm/s)条件下和高流速(45cm/s～196cm/s)条件下研究了盐的流动特性；结果表明，Na Cl、K2CO3、CaCl2溶液在400℃、含盐量为10%的条件下，阳离子和阴离子几乎完全从反应器出口流体中回收，实验过程中反应器未发现堵塞和压力波动。文献[10]将2.5%的Na2SO4引入到超临界水蒸发壁式反应器中，运行过程中反应器压力保持稳定，未发生堵塞现象。本系统中可溶性无机盐的质量分数仅为0.1%，因此在后续的输运特性计算与分析过程中，将不考虑可溶性无机盐，仅对不溶性固体进行计算。另外，在印染污泥进入系统之前，通过污泥研磨泵将不溶性固体颗粒研磨至30μm粒径。以下的输运特性分析中，针对30μm的不溶性固体颗粒进行计算。
印染污泥的流量为3471kg/h，不溶性固体颗粒粒径为30μm，质量分数为5.6%。采用Davies公式计算50℃～550℃、25MPa水输送不溶性固体颗粒的临界流速vc，如图2(a)所示。需要说明的是，计算过程中，固体颗粒密度为1.9g/mL;50℃～200℃的污泥动力黏度采用的是文献[15]针对污泥亚临界水热液化的实验研究中所获得的污泥动力黏度，而通过相同条件下纯水的动力黏度来近似模拟250℃～550℃污泥的黏度。可以看出：随着温度从50℃增加至550℃，临界流速增加，在临界点之前，vc的变化率较小；随着水温高于临界点，vc增加明显。进一步根据Davies公式计算不同温度点的临界流速，获得相应的临界管径如图2(b)所示。可以得出，25MPa、550℃的SCWO管式反应器的临界内径为58.33mm。因此在设计系统中不同温度条件的设备、管线及SCWO管式反应器时，可以在临界管径的基础上，考虑一定设计余量，确定相应设备的管道内径。另外系统正常运行过程中，控制主流体流量范围，保证系统中各个设备管道中主流体流速大于该温度条件的临界流速，确保不溶性固体颗粒可以被主流体带出而不沉积于管道中。3.3 超临界管道内固体颗粒的流动模拟
本次模拟采用的物理模型如图3(a)所示，为水平放置的90°弯管结构，弯管进口、出口直管段长度为1m，弯头部分弯曲半径为4倍管径。根据3.2节的计算，25MPa、550℃条件下的临界管径为58.33mm，因此选择三种管径尺寸(45mm、55mm、65mm)进行数值分析。计算网格采用结构化网格，最小网格尺度为0.0015m，网格总量约为40万，既能保证连续相流体的仿真精度，又可避免因网格尺度过小引起的DPM模型计算偏差问题，如图3(b)所示。湍流模型采用RNG k-ε模型，固体颗粒采用DPM离散相模型，在入口面均匀喷入，速度与连续相相同，主要考虑重力、Saffman升力及压差梯度力。管壁壁面设置为颗粒反弹类无滑移壁面，出口为颗粒逃逸型边界条件。超临界水作为连续相，固体颗粒作为离散相，粒径为30μm，密度为1.9g/m L。连续相和离散相的流量分别为0.91kg/s和0.054kg/s。
【相似文献】
本文编号：2864486
【部分图文】：
取1g处理后的可溶性无机盐再次溶解于1L的去离子水中，配置0.1%的无机盐溶液，以此为原始物料，在间歇式超临界水反应釜中进行无机盐析出实验。将间歇式釜密封后升温升压，直至达到420℃、22.3MPa；打开阀门，将反应釜中的超临界水快速泄放出，直至压力降至大气压；釜体冷却后，取出无机盐，通过扫描电子显微镜(SEM)测量其粒径分布，如图1所示。从超临界水中析出的可溶性盐粒径都分布在5μm～10μm的范围内，颗粒粒径较小，并且污泥中可溶性无机盐的质量浓度也较低，仅为0.1%，所以其对管道颗粒沉积的影响较小。文献[9]分别在管式反应器中低流速(0.8cm/s～65cm/s)条件下和高流速(45cm/s～196cm/s)条件下研究了盐的流动特性；结果表明，Na Cl、K2CO3、CaCl2溶液在400℃、含盐量为10%的条件下，阳离子和阴离子几乎完全从反应器出口流体中回收，实验过程中反应器未发现堵塞和压力波动。文献[10]将2.5%的Na2SO4引入到超临界水蒸发壁式反应器中，运行过程中反应器压力保持稳定，未发生堵塞现象。本系统中可溶性无机盐的质量分数仅为0.1%，因此在后续的输运特性计算与分析过程中，将不考虑可溶性无机盐，仅对不溶性固体进行计算。另外，在印染污泥进入系统之前，通过污泥研磨泵将不溶性固体颗粒研磨至30μm粒径。以下的输运特性分析中，针对30μm的不溶性固体颗粒进行计算。
印染污泥的流量为3471kg/h，不溶性固体颗粒粒径为30μm，质量分数为5.6%。采用Davies公式计算50℃～550℃、25MPa水输送不溶性固体颗粒的临界流速vc，如图2(a)所示。需要说明的是，计算过程中，固体颗粒密度为1.9g/mL;50℃～200℃的污泥动力黏度采用的是文献[15]针对污泥亚临界水热液化的实验研究中所获得的污泥动力黏度，而通过相同条件下纯水的动力黏度来近似模拟250℃～550℃污泥的黏度。可以看出：随着温度从50℃增加至550℃，临界流速增加，在临界点之前，vc的变化率较小；随着水温高于临界点，vc增加明显。进一步根据Davies公式计算不同温度点的临界流速，获得相应的临界管径如图2(b)所示。可以得出，25MPa、550℃的SCWO管式反应器的临界内径为58.33mm。因此在设计系统中不同温度条件的设备、管线及SCWO管式反应器时，可以在临界管径的基础上，考虑一定设计余量，确定相应设备的管道内径。另外系统正常运行过程中，控制主流体流量范围，保证系统中各个设备管道中主流体流速大于该温度条件的临界流速，确保不溶性固体颗粒可以被主流体带出而不沉积于管道中。3.3 超临界管道内固体颗粒的流动模拟
本次模拟采用的物理模型如图3(a)所示，为水平放置的90°弯管结构，弯管进口、出口直管段长度为1m，弯头部分弯曲半径为4倍管径。根据3.2节的计算，25MPa、550℃条件下的临界管径为58.33mm，因此选择三种管径尺寸(45mm、55mm、65mm)进行数值分析。计算网格采用结构化网格，最小网格尺度为0.0015m，网格总量约为40万，既能保证连续相流体的仿真精度，又可避免因网格尺度过小引起的DPM模型计算偏差问题，如图3(b)所示。湍流模型采用RNG k-ε模型，固体颗粒采用DPM离散相模型，在入口面均匀喷入，速度与连续相相同，主要考虑重力、Saffman升力及压差梯度力。管壁壁面设置为颗粒反弹类无滑移壁面，出口为颗粒逃逸型边界条件。超临界水作为连续相，固体颗粒作为离散相，粒径为30μm，密度为1.9g/m L。连续相和离散相的流量分别为0.91kg/s和0.054kg/s。
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 李志健,李娜;超临界水氧化技术处理造纸污泥的近况[J];纸和造纸;2005年05期
2 毕淑英;谢益民;;超临界水氧化技术处理造纸工业废水的应用研究综述[J];中华纸业;2019年02期
3 王齐;吕永康;张荣;毕继诚;;超临界水氧化处理棉纺织品印染废水[J];环境工程学报;2012年11期
4 唐家黎;;水氧化法降解高浓度食品废水中COD的实验研究[J];资源节约与环保;2014年03期
5 张拓;王树众;任萌萌;王来升;孙盼盼;;超临界水氧化技术深度处理印染废水及污泥[J];印染;2016年16期
6 廖传华;李永生;朱跃钊;;制浆黑液超临界水氧化过程的动力学研究[J];中华纸业;2010年05期
7 何春兰;陈世奇;赵博;周纯洁;朱万玲;谭春斌;刘晓玲;;食品废弃物的水热处理研究[J];重庆中草药研究;2018年02期
8 ;《印染》2016年1～24期(总第529～552期)目次[J];印染;2016年24期
9 李海霞;王仁群;;废纸造纸废水的超临界水氧化实验研究[J];九江职业技术学院学报;2016年04期
10 潘明华;;超临界水氧化处理铬鞣段废水实验研究[J];环境科学与技术;2014年S2期
相关博士学位论文 前1条
1 王齐;超临界水氧化处理印染废水实验研究[D];太原理工大学;2013年
本文编号：2864486
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huanjinggongchenglunwen/2864486.html
