第32卷第5期福州大学学报(自然科学版)V ol.32N o.5 2004年10月Journal of Fuzhou University(Natural Science)Oct.2004文章编号:1000-2243(2004)05-0632-05惰性粒子喷动流化床中冷冻融解氢氧化铝污泥干燥试验研究唐凤翔1,张济宇1,2(1.中国科学院山西煤炭化学研究所,山西 太原 030001;2.福州大学化学化工学院,福建 福州 350002)摘要:在<125mm的惰性粒子喷动流化床内对冷冻融解的氢氧化铝污泥进行了低温干燥实验研究,考察了惰性粒子大小、污泥加料量与惰性粒子质量比、惰性粒子静床高与床径比、表观流化气速与喷动气速之比等因素对污泥湿含量随时间变化快慢的影响.结果表明,在实验研究的范围内,较适宜的工艺条件为:惰性粒子(玻璃珠)粒径为1.43mm,污泥加料量与惰性粒子质量比不大于0.5,惰性粒子床层的高径比为1.4,表观流化气速与喷动气速之比为1∶4.这是由惰性粒子喷动流化床的流动特性及粘性物料的干燥机理决定.关键词:冷冻融解;氢氧化铝污泥;喷动流化床;惰性粒子;干燥中图分类号:T Q028.6文献标识码:ADrying of frozen-tha w ed aluminum hydroxide sludge from aluminum producersin an inert particles spout-fluid bedT ANG Feng-xiang1,ZH ANGJi-yu1,2(1.Institute of C oal Chemistry,Chinese Academy of Sciences,T aiyuan,Shanxi030001,China;2.C ollege ofChemistry and Chemical Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian350002,China)Abstract:The drying characteristics of frozen-thawed aluminum hydroxide sludge(containing65%～70%water)were investigated in a<125mm spout-fluid bed with inert particles using low tem peratureair as hot res ource.E ffects of inert particle diameter,mass ratio of sludge to inert particles,ratio of inertparticles static bed height to bed diameter,ratio of superficial fluidizing velocity to spouting velocity onthe m oisture content change of sludge particles were examined.In the experimental range,the proper op2erating conditions were as follows:the diameter of inert particles was about1.43mm;the ratio of inertparticles static bed height to bed diameter was1.4;the ratio of fluidizing velocity to spouting velocitywas1∶4;the mass ratio of sludge to inert particles was not greater than0.5to keep the bed in a spoutflow regime.This conclusion attributed to the unique flow characteristics of spout-fluid beds with inertparticles and drying mechanism of cohesive particles in this kind of beds.K eyw ords:freeze-thaw;aluminum hydroxide sludge;spout-fluid bed;inert particles;drying研究表明,含水高达85%的铝厂富水氢氧化铝污泥只需冷冻到-5℃,经常温水融解和真空过滤,脱水率能够达到67%,较成功地实现了“冷冻融解—流化干燥”组合工艺回收工业铝厂污泥的第一步[1].更重要的是,污泥经冷冻融解后,从原来的泥团状转化为颗粒状,使得该组合工艺的第二步—充分利用工业铝厂普遍存在的低温废热(80～100℃)对冷冻融解污泥进行流化干燥成为可能.由于第一步污泥的冻结是非深度的,所以冷冻融解后的污泥颗粒仍旧具有一定的粘性,休止角为48.4°,表明流动性较差[2].对于这样的颗粒体系,在干燥过程中颗粒之间的破粘和表面的不断更新显得尤为重要.因此,本文选用惰性粒子喷动流化床来进行冷冻融解污泥的干燥试验研究,拟通过惰性粒子载体相互之间的磨碎碰撞作用达到高效干燥的目的,从而为工业冷冻融解污泥的流化干燥设计和操作提供基本依据.收稿日期:2004-01-02作者简介:唐凤翔(1971-),女,讲师.基金项目:福建省教育厅重点资助项目(K980001)1.压缩机;2、3、7、8、20调节阀;4.缓冲罐;5.压力表;6.干球温度计;9、10.转子流量计;11、12.电加热器;13、14.温度控制器;15.热电偶;16.温湿度仪;17.取样口;18.惰性粒子喷动流化床;19.旋风分离器;21.滤袋图1 喷动流化床干燥实验装置图Fig.1 Schematic diagram of experimental set -up for drying 1 实验部分图1给出了惰性粒子喷动流化床干燥的实验装置和流程.如图1所示,空气经压缩机(1)压缩后进入缓冲罐(4)后,分成2路气体(喷动气和流化气)分别由转子流量计(9)和(10)计量后,并经大加热器(11)和小加热器(12)加热而进入<125mm ×1200mm 的半圆柱底锥式喷动流化床(18),床内装有一定高度的惰性粒子.当冷冻融解污泥通过床顶部的加料口一次性加入床内后,在气流的剧烈扰动下快速分散在惰性粒子的床层内,并随着惰性粒子的循环而循环同时被磨碎和干燥.其中大的聚团颗粒则随着惰性粒子在下面的喷动床层内一起循环直至被磨碎成小颗粒上升到上面的流化床层内流化,从而发生与大的聚团颗粒的分离;部分更细的颗粒则被气流带出流化床层,被旋风分离器(19)和带式除尘器(21)收集下来.鉴于这样的污泥颗粒的流动形态,取样口设在上层流化床层内,出料溢流口也设在上层流化床层内.实验中每隔一定时间从床层侧部取样口(17)取出少量(约0.2g )样品即刻用SC69-02B 型水分快速测定仪(上海第二天平厂制造,准确到0.005g )测定其水含量.离开床层的空气湿度由温湿度计(16)表1 实验参数的操作范围T ab.1 Operation range of experimental parameters操作参数操作范围d p ,in Πmm 1.06～2.41R si 0.13～0.66H ΠD c 1.20～1.60u ga Πm ・s -10～0.45u gs Πm ・s -10.75～0.95R u =u ga :u gs0～2Π3(Center311RS -232型,湿度偏差:±2.5%)连续测定,作为判断质量和热量平衡的依据.表1给出了实验参数惰性粒子大小d p ,in 、惰性粒子床层高径比H ΠD c 、污泥加料量与惰性粒子质量比R si 、表观流化气速u ga 和喷动气速u gs 及二者之比R u 的操作范围.冷冻融解污泥湿料的起始湿含量均在60%～66%之间,干燥空气的床层入口温度为60℃.2 实验结果和讨论惰性粒子喷动流化床的高效干燥依赖于2个前提:正常的喷动流动形态和惰性粒子磨碎分散动量.惰性粒子流化干燥的机理表明,惰性粒子不仅是热载体和被干燥颗粒在床内的循环流动载体,而且也是被干燥聚团颗粒的磨碎分散介质.磨碎分散动量主要取决于两个方面:惰性粒子的平均粒径和速度.动量越大,被干燥聚团颗粒的表面更新速度愈快,颗粒干燥得愈快.因此,凡是影响床内正常流动形态和惰性粒子磨碎分散动量的因素都会最终影响到污泥的干燥速率.2.1 惰性粒子大小的影响图2给出惰性粒子(玻璃珠)粒径d p ,in 对氢氧化铝冷冻融解污泥颗粒在干燥过程中湿含量变化的影响.在一定的操作气速下,若惰性粒子太小,如d p ,in =1.06mm 时,尚不具备足够的碰撞力和磨碎能力使该污泥聚团颗粒粉碎和表明更新达到快速干燥的目的;若惰性粒子太大,如d p ,in =2.41mm ,则实际上需要更大的操作气速来维持这些惰性粒子的喷动流化,从而造成干燥能耗的增加.换言之,在较小的操作气速下,不能给予大惰性粒子充分的动量以达到污泥颗粒表面更新的目的.上述2种情况下,污泥湿含量x 随干燥时间t 的变化较平缓,且达到最终恒定湿含量的时间约30min 左右.若选择适宜的惰性粒子,如d p ,in =1.43mm 的玻璃珠,其污泥湿含量x 随着干燥时间t 的增加而线性减少,在约15min 左・336・第5期唐风翔,等:惰性粒子喷动流化床中冷冻融解氢氧化铝污泥干燥试验研究图2 惰性粒子粒径对污泥颗粒混含量变化的影响Fig.2 E ffect of inert particle diameter on m oisture content change of sludge partciles右即可达到最终湿含量约16%的恒定值.因此在惰性粒子喷动流化床干燥过程中存在着一个适宜的惰性粒子直径.2.2 加料量的影响加料量直接影响到床内颗粒的流动状态.若加料量少,虽然惰性粒子和污泥在床内能实现较好的循环和干燥,但惰性粒子靠相互碰撞来磨碎被干燥污泥的辅助作用得不到充分发挥;若加料量太多,由于污泥的粘性,将惰性粒子包裹在污泥内或粘附在污泥表面,大大削弱了惰性粒子的流动性,从而破坏了惰性粒子有规律的循环,极易导致沟流,因此,为防止床层产生沟流,加料量不能太多.这里用R si即单位重量(g )惰性粒子所能处理的物料量(g )来表示处理能力.实验结果表明(如表2所示),在惰性粒子玻璃珠d p ,in=1.43mm ,静床高H =175mm ,u ga =0.23m Πs ,u gs =0190m Πs 及R u =1Π4时,当R si ≤0.50时,床层不产生沟流.表2 R si 对喷动流化床内流动状态的影响T ab.2 E ffect of R si on the flow characteristics in the spout -fluid bedR si 流动状态0.16惰性粒子循环正常0.33惰性粒子循环正常0.50惰性粒子循环正常0.66沟流2.3 惰性粒子床层高径比的影响在确定了喷动流化床中适宜惰性粒子直径后,该惰性粒子静床高对干燥同样具有很重要的影响,因为惰性粒子静床高实质上反映了作为载体和磨碎介质的惰性粒子在床中填充量的多少.图3给出了操作气速和污泥加料量不变,只改变惰性粒子静床高H 时,氢氧化铝冷冻融解污泥颗粒在干燥过程中湿含量的变化.由图3可以看出,同样也存在一个适宜的惰性粒子静床高值.惰性粒子静床高太低,即R si 较大,单位体积内惰性粒子数少,从而提供的载体表面积和碰撞磨碎动量均较小,难以达到使污泥聚团颗粒表面更新的目的;而惰性粒子静床高太高,即R si 较小,虽然单位体积内惰性粒子数多,但是在同样的操作气速下,高静床高的惰性粒子不能获得充分的动量以磨碎污泥聚团颗粒.因此,惰性粒子静床高,即惰性粒子床层高径比均需要适当的选择.在图3所示的操作条件下,惰性粒子的静床高以175mm 为宜,也即惰性粒子床层的高径比为H ΠD c =1.4时干燥效果最好,其x 随t 线性地很快降低,在约17min 左右即可达到约15%的最终湿含量.2.4 流化气速与喷动气速之比的影响流化气速与喷动气速之比是影响惰性粒子和被干燥污泥颗粒在喷动流化床内流动形态的重要参数.图4给出了流化气速u ga 与喷动气速u gs 之比对氢氧化铝冷冻融解污泥颗粒湿含量变化的影响.在床层表观总气速u gt 不变的条件下,若这个速度比R u =u ga Πu gs 太小,惰性粒子和被干燥颗粒在喷动流化床内不能达到适度的混合,甚至有死区的存在;若这个速度比太大,也会改变惰性粒子和被干燥污泥颗粒在喷动流化床内的喷动流型甚至减少了被干燥颗粒随同惰性粒子在床内的规律循环与扰动强度,不能实现污泥物料磨碎与表面不断更新的目的.因此,流化气速与喷动气速之比应有一个适当的选择才能达到较快的干燥速率,即表观x 随t 更快的线性降低.图4表示当d p ,in =1.43mm 、R si =0.33与R u =1Π4时在约17min 左右即可达到约15%的最终湿含量,即R u =1Π4为较佳的速度比.・436・福州大学学报(自然科学版)第32卷2.5 流化气速与喷动气速的影响在喷动流化床内的原有流型为充气喷动时,若保持喷动气速不变,逐渐增大流化气速会导致床内的流型经由充气喷动、喷动流化、射流流化向节涌转变;若保持流化气速不变,逐渐增大喷动气速会导致床内的流型经由充气喷动向喷动流化转变.惰性粒子喷动流化床干燥时需要借助惰性粒子携带被干燥物料在床内实现有规律的循环和被磨碎,因此在上述流型中只有充气喷动和喷动流化是有利于实现污泥的快速干燥.图5与图6分别给出了流化气速与喷动气速对氢氧化铝融解污泥颗粒湿含量变化的影响.可见,在实验研究的范围内,喷动气速不变,流化气速越大,氢氧化铝融解污泥颗粒的湿度降低得越快;当流化气速不变,喷动气速越大,氢氧化铝融解污泥颗粒的湿度也降低得越快;这是由于单纯地增加流化(喷动)气速,未造成流型发生质的变化,即床内流型还是属于喷动范畴.再者,在2种情况下,无论是提高喷动气速还是提高流化气速,总气速均得到提高,从而提供给氢氧化铝融解污泥颗粒的总热量增加而提高了干燥速率.综上所述,将惰性粒子喷动流化床干燥氢氧化铝冷冻融解污泥的适宜工艺条件一并列于表3.表3 氢氧化铝冷冻融解污泥惰性粒子喷动流化床干燥的适宜工艺条件T ab.3 The proper operation conditions for drying frozen aluminumhydroxide in spout -fluidized beds with inert particlesd p ,in Πmm R si H ΠD c R u1.43≤0.5 1.41:4・536・第5期唐风翔,等:惰性粒子喷动流化床中冷冻融解氢氧化铝污泥干燥试验研究 根据上述的适宜干燥条件和当R si =0.33时,污泥的湿含量从初始值66%降至约15%的干燥时间,得到了惰性粒子喷动流化床设计中的重要参数,即单位时间(h )内单位质量(kg )惰性粒子对水分的蒸发能力为0.82kg.与文献[3]报道的膏状物料在惰性粒子流化床中的蒸发能力0.5～8.0kg 水相比,属于较低范畴,这可能是因为本实验中低温干燥推动力低和干燥后期热量未充分利用造成的.需要指出的是,本研究欲充分利用电解铝厂大量低温废热(80～100℃)作为工业上干燥氢氧化铝冷冻融解污泥的热源.在此前提下,鉴于实验设备喷动流化床透明有机玻璃板面耐热程度的限制,只探讨了常温空气经加热到60℃作为热源时惰性粒子喷动流化床干燥氢氧化铝冷冻融解污泥的流动和干燥情况,因此如果以此获得的低温干燥实验数据作为工业设计的依据,将是保守的估计,因为在工业上,废热温度会更高些,有望会得到更快的干燥速率.3 结语惰性粒子大小、污泥加料量与惰性粒子量之比、惰性粒子床层高径比、流化气速、喷动气速、流化气速与喷动气速之比均是影响冷冻融解污泥在惰性粒子喷动流化床内干燥效果的重要参数.它们均直接或间接地影响到喷动流化床的流动形态和惰性粒子对被干燥污泥聚团颗粒的磨碎能力.在<125mm的惰性粒子喷动流化床内对冷冻融解的氢氧化铝污泥的低温(60℃)干燥实验的结果表明,适宜工艺条件为:惰性粒子玻璃珠<1.43mm ,惰性粒子床层高径比1.4,污泥加料量与惰性粒子量比不大于015,流化气速与喷动气速比1Π4.据此得到工业设计中重要参数—单位时间(h )内单位质量(kg )惰性粒子对水分的蒸发能力为0.82kg.参考文献:[1] 唐凤翔,张济宇.工业铝厂富水氢氧化铝污泥冷冻特性的研究[J ].福州大学学报(自然科学版),2003,31(3):372-375.[2] 金涌,祝京旭,汪展文,等.流态化工程原理[M].北京:清华大学出版社,2001.360-390.[3] 童景山,张克.流态化干燥技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1985.239-251.(接第622页)2)天然软土都具有结构性,通过十字板剪切试验可以看出沿线软土的灵敏度很高,结构性强,抗剪强度低,地基承载力低等特点.大多数软土经过扰动或重塑以后要丧失部分强度,因此,对沿线软土地基处理应采取切实可行的措施,特别是对沿线软土进行路基加固和开挖时应力求避免软土的扰动.3)土体的膨胀性对基坑、边坡及地基土的稳定性有着重要意义.土体因膨胀或收缩导致强度降低、土坡滑移及地基变形,从而引起地基、路基的破坏.通过相关性检验表明,膨胀率同其它物理力学指标的相关关系是显著的.因此,在膨胀土地区修建铁路,必须将其看作一项系统工程,从设计和施工两方面统筹安排,综合把握,确保路基质量.参考文献:[1] DB J 13-07-91,建筑地基基础勘查设计规范[S].[2] 白冰,肖宏彬.软土工程若干理论与应用[M].北京:水电出版社,2002.5-6.[3] 吕海波,汪稔,赵艳林,等.软土结构性的工程效应[J ].土工基础,2003,17(2):12-15.[4] 梁国钱,张民强,俞炯奇,等.浙江沿海地区软土工程特性[J ].中国矿业大学学报,2002,31(5):435-441.[5] 蔡铁威.铁路膨胀土路基的综合整治[J ].西部探矿工程,2003(8):134-135.・636・福州大学学报(自然科学版)第32卷。
