隔膜壓濾機(jī)污泥脫水工作流程優(yōu)化

朱桂華，高明泉，馬凱，唐嘯，朱天宏，徐洪威

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隔膜壓濾機(jī)污泥脫水工作流程優(yōu)化

朱桂華，高明泉，馬凱，唐嘯，朱天宏，徐洪威

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙，410083)

針對隔膜壓濾機(jī)各工作流程階段污泥的過濾性能，運(yùn)用Fluent軟件數(shù)值模擬隔膜壓濾機(jī)壓濾過程，研究污泥二相流在隔膜壓濾機(jī)深度脫水過程中濾液總量隨時(shí)間變化的規(guī)律，并采用最小二乘法擬合其關(guān)系曲線。通過仿真分析，提出隔膜壓濾機(jī)鼓膜階段的虛擬濾液量法的概念，并以此推導(dǎo)鼓膜階段實(shí)際濾液總量3與壓濾時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式，描述兩者的影響關(guān)系，進(jìn)而得到隔膜壓濾機(jī)工作效率的計(jì)算公式；利用該公式對某污泥處理廠隔膜壓濾機(jī)各工作階段時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。研究結(jié)果表明：對于規(guī)格一定的隔膜壓濾機(jī)，其壓濾階段時(shí)間是壓濾機(jī)工作效率的決定因素；利用本文方法計(jì)算的某污泥處理廠隔膜壓濾機(jī)各工作階段時(shí)間，污泥處理工作總效率提高37.7%，為隔膜壓濾機(jī)進(jìn)行污泥脫水找到了最佳作業(yè)流程時(shí)間，大大提高了作業(yè)效率。

隔膜壓濾機(jī)；最小二乘法；最佳壓濾時(shí)間；比過濾速度

隔膜壓濾機(jī)的核心構(gòu)件過濾板組由一組兩側(cè)內(nèi)凹的普通濾板與一組兩側(cè)附有隔膜的隔膜板交替組合而成[1?2]。濾板的凹槽部分與隔膜板結(jié)合形成濾室。濾室附有濾布，污泥二相流在進(jìn)料泵壓力作用下，通過濾布達(dá)到固液二相分離的目的[2]。由于其耐高壓，密封性好，卸料方便，濾餅含水率低，隔膜壓濾機(jī)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煤炭和污泥處理等領(lǐng)域[3]。目前，國內(nèi)污泥處理廠對隔膜壓濾機(jī)各工作流程時(shí)間設(shè)定主要憑借經(jīng)驗(yàn)，具有粗放性和隨意性的弊病，導(dǎo)致壓濾機(jī)工作周期長、效率低。而國內(nèi)外對于隔膜壓濾機(jī)污泥脫水性能的理論研究大多局限于依據(jù)達(dá)西定理，對進(jìn)料壓濾階段的過濾特性規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型，但對過濾特性變化復(fù)雜的鼓膜壓榨階段研究較少。劉鵬等[4]對過濾過程中濾餅比阻的測量方法以及對濾餅恒壓過濾的影響因素進(jìn)行了研究，但該方法并不適用于隔膜壓濾機(jī)的鼓膜壓榨階段；趙揚(yáng)等[5]通過對不同鼓膜壓榨起始點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，表明不同起始壓榨點(diǎn)對過濾有較大影響，但該方法基于大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)規(guī)律，并未建立鼓膜壓榨階段濾液量隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型，沒有提出一種理論計(jì)算方法；STICKLAND等[6]對固定濾室的板框壓濾機(jī)進(jìn)行了過濾研究，濾液量與時(shí)間的斜率起初增大，隨后相應(yīng)的斜坡壓力和濾室阻力增大，最后濾餅壓力恒定，形成濾餅。該研究也未涉及隔膜壓濾機(jī)的鼓膜壓榨階段。為此，本文作者利用Fluent軟件模擬壓濾機(jī)壓濾階段，依據(jù)所得結(jié)果，通過數(shù)學(xué)擬合的方法建立壓濾機(jī)各個(gè)工作過程的數(shù)學(xué)模型。提出“虛擬濾液量法”，描述過濾變化較復(fù)雜的鼓膜階段濾液量隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化隔膜壓濾機(jī)各工作階段時(shí)間、提高壓濾機(jī)工作效率的目的。

1 隔膜壓濾機(jī)工作流程及原理

隔膜壓濾機(jī)工作周期分為進(jìn)料階段、壓濾階段、鼓膜階段、反吹階段、卸料階段以及為下一次工作周期進(jìn)行清洗濾布、壓緊濾板等工作的準(zhǔn)備階段。

隔膜壓濾機(jī)工作周期時(shí)間軸如圖1所示。反吹、卸料和準(zhǔn)備階段時(shí)間一定，為方便計(jì)算將其整合，稱為0。

進(jìn)料階段時(shí)間1從污泥泵送至壓濾機(jī)開始，至充滿整個(gè)濾室為止，該階段時(shí)間也為定值。

壓濾階段時(shí)間2從0點(diǎn)開始，至2停止，以額定壓力2繼續(xù)入料，并壓濾污泥。

鼓膜階段時(shí)間3，壓濾機(jī)停止進(jìn)料，隔膜板兩側(cè)隔膜以額定壓力3(3＞2)注入水或空氣使隔膜腔膨脹，壓縮濾室內(nèi)泥餅體積，使泥餅進(jìn)一步過濾，至3結(jié)束。

圖1 隔膜壓濾機(jī)工作周期時(shí)間軸

由于壓濾階段和鼓膜階段的過濾速度隨著時(shí)間的增加而逐漸降低，壓濾機(jī)工作后期處理污泥的效率也開始下降。因此，可以通過優(yōu)化壓濾時(shí)間2和鼓膜時(shí)間3，提高隔膜壓濾機(jī)的工作效率。

2 基于Fluent仿真壓濾機(jī)工作過程

本次仿真的目的是通過模擬壓濾機(jī)壓濾過程，記錄各時(shí)間點(diǎn)的濾液量，找到壓濾階段濾液量與時(shí)間的變化關(guān)系、比過濾速度[2, 7?8]與時(shí)間的變化關(guān)系以及過濾壓力與污泥極限過濾量的變化關(guān)系，從而為預(yù)測壓濾機(jī)其他工作階段的數(shù)學(xué)模型提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.1 濾室模型的建立

Fluent前處理采用Gambit軟件，建立壓濾機(jī)單個(gè)濾室的幾何模型，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計(jì)算方法選取“標(biāo)準(zhǔn)?模型”，離散格式選用“QUICK”，壓力插值方法選用“PRESTO！”，壓力—速度耦合方法采用“PISO”。

其主要參數(shù)如下：濾室直徑為300 mm；固相顆粒直徑為0.01 mm；濾室厚度為10 mm；額定過濾壓力為0.2~3.0 MPa；固相密度為1 051 kg/m3；過濾時(shí)間為30 min；孔隙率為20%；二相流含水率為95%；慣性阻力系數(shù)為3.5×107；黏度阻力系數(shù)為1.2×1015；動(dòng)力黏度為0.02 Pa?s。

2.2 仿真結(jié)果

在0.2~1.4 MPa過濾壓力條件下，4組濾液總量與時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出：濾液總量隨時(shí)間逐漸增大，并趨近于某一極限值；壓力越大，濾液速度越快，最終的極限過濾量也越大。

p/MPa：1—0.2；2—0.6；3—1.0；4—1.4。

圖3所示為過濾壓力為1.4 MPa時(shí)，多孔介質(zhì)外側(cè)橫截面液相流速云圖。圖4所示為比過濾速度與時(shí)間關(guān)系曲線。從圖4可看出：比過濾速度會在起始處激增至某一值，繼續(xù)上升一小段時(shí)間，達(dá)到最大值后隨時(shí)間的增加而逐漸降低；比過濾速度短暫上升的主要原因是污泥微粒在壓濾初期黏結(jié)，微粒直徑增大，導(dǎo)致泥層比表面積減小，孔隙率增大。Kozeny-Carmen方程為[9]：

式中：為固相密度；為Kozeny-Carman常數(shù)；為孔隙率；為比表面積。由式(1)可以看出：比阻與比表面積平方成正比，與孔隙率呈負(fù)相關(guān)。而比阻與泥餅的過濾性能成反比，因此，比過濾速度初期短暫上升，然后，隨著比阻增大逐漸下降。

/min：(a) 0；(b) 2；(c) 15；(d) 30

圖3 多孔介質(zhì)橫截面液相流速云圖

Fig. 3 Cloud maps of fluid velocity on porous intersecting surface

圖4 比過濾速度q與時(shí)間t的關(guān)系

3 二相流過濾數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 傳統(tǒng)過濾計(jì)算方法

根據(jù)達(dá)西定理，計(jì)算某一時(shí)刻比過濾速度方程如下[10]：

式中：為濾液黏滯性系數(shù)；為比過濾速度；為過濾壓力；為滲透系數(shù)；為過濾面積；為濾室厚度。則過濾量。根據(jù)121(1為濾布阻抗，2為泥餅阻抗，為過濾比阻，為單位過濾介質(zhì)截泥量)，可推導(dǎo)出[10?11]

(3)

傳統(tǒng)測量比阻方法通常認(rèn)為泥餅不可壓縮，測量d/d?的曲線斜率[12]。通過推導(dǎo)得到比阻是關(guān)于的正比例函數(shù)[6, 13]，進(jìn)而求得泥餅比阻。但該方法視泥餅不可壓縮，比阻不隨時(shí)間變化而改變，這顯然與壓濾機(jī)濾室內(nèi)污泥二相流的過濾情形不吻合。此外，隔膜壓濾機(jī)工作流程較多，壓濾階段為定壓入料過濾，而鼓膜階段濾室體積隨時(shí)間不斷變化，造成比阻變化復(fù)雜，難以利用式(3)表述?的變化關(guān)系。

3.2 基于仿真結(jié)果計(jì)算方法

通過仿真記錄污泥濾液總量()與時(shí)間的變化曲線以及比過濾速度與時(shí)間的變化曲線，擬合計(jì)算得到?函數(shù)表達(dá)式。

3.2.1 進(jìn)料階段

在進(jìn)料階段，過濾量近似為0 L。污泥以一定流量進(jìn)料最終達(dá)到1，即為濾室體積。

3.2.2 壓濾階段

由圖2可知：在壓濾階段，濾液總量2隨時(shí)間不斷上升。由其導(dǎo)數(shù)(圖4)可知：首先會有短期上升，然后逐漸降低，并最終趨近于0 L。因此，指數(shù)形式比較符合濾液總量隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以通過最小二乘法擬合壓濾階段的()?曲線。設(shè)

對仿真的0.2~3.0 MPa條件下8組2?曲線通過最小二乘法擬合，所得結(jié)果如表1所示。

由表1得過濾壓力p與參數(shù)2曲線如圖5所示。

極限過濾量2隨壓力增大而增大，但上升速度由快到慢，并趨于定值，達(dá)到該定值后，再加大壓力并不能使泥餅進(jìn)一步過濾[14]。

表1 壓濾階段V2(t)?t函數(shù)參數(shù)

圖5 壓力p2與極限過濾量a2的關(guān)系

而參數(shù)2在一定污泥特性和壓濾機(jī)工作參數(shù)下幾乎不隨過濾壓力發(fā)生變化。

3.2.3 鼓膜階段

假設(shè)以鼓膜階段壓力3繼續(xù)進(jìn)料壓濾，其極限濾液量3=2(其中，為鼓膜極限濾液量與壓濾極限濾液量比例系數(shù))。但是鼓膜階段停止進(jìn)料，隔膜板以一定壓力對泥餅壓縮，通過減小濾室體積達(dá)到過濾目的，極限濾液量必然小于3，故3并不是鼓膜階段的極限濾液量。本文稱3為鼓膜階段虛擬極限濾液量，3’為鼓膜階段虛擬濾液量，其值只是數(shù)學(xué)意義上的假設(shè)，并不是真實(shí)的濾液量，如圖6所示。

由于過濾面積沒有發(fā)生變化，故鼓膜開始瞬時(shí)的比過濾速度仍滿足32的關(guān)系。由式(4)近似認(rèn)為有

其中：為常數(shù)，表示壓濾結(jié)束后以鼓膜壓力繼續(xù)進(jìn)料所產(chǎn)生的濾液量。

若從2時(shí)刻停止壓濾，則開始鼓膜。將2和2代入上式可得：

(5)

3.2.4 壓濾機(jī)反吹、卸料及清洗準(zhǔn)備階段

鼓膜結(jié)束后，還需要進(jìn)行反吹過程將管道內(nèi)殘留的泥漿和濾液清理干凈。然后，進(jìn)入卸料過程以及為下一周期工作的準(zhǔn)備階段。該階段時(shí)間基本為定值。

3.2.5 壓濾機(jī)工作階段時(shí)間點(diǎn)的優(yōu)化

如圖1所示，非過濾總和時(shí)間010，壓濾機(jī)過濾時(shí)間233，則壓濾機(jī)的工作周期03，其中壓濾時(shí)間2=2，鼓膜時(shí)間33?2。假設(shè)原污泥含水率為0，在3時(shí)，鼓膜過程泥餅最終含水率達(dá)到f，為污泥脫水標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)進(jìn)料總體積為，則有

(6)

將式(4)和(5)代入式(6)，有

在達(dá)到含水率f標(biāo)準(zhǔn)的前提下，可以通過數(shù)學(xué)模型優(yōu)化2和3，求解壓濾機(jī)最大生產(chǎn)效率max：

生產(chǎn)速率與壓濾時(shí)間2的關(guān)系式為

(8)

式中：為總進(jìn)料量；1為濾室體積；0為非過濾階段總和時(shí)間；3為壓濾機(jī)單周期工作時(shí)間；0為原污泥含水率；f為期望過濾總量；2為極限過濾量(a＞0)；2為壓濾階段過濾參數(shù)(2＜0)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于鼓膜階段隔膜的膨脹形變量并不是任意大，若泥餅沒有達(dá)到一定厚度，則隔膜板的壓力不能充分作用在泥餅上，這就限制了該方法計(jì)算最佳壓濾時(shí)間的適用范圍。

基于上述問題，應(yīng)根據(jù)實(shí)際中隔膜壓濾機(jī)隔膜板的隔膜膨脹性能，設(shè)定最小進(jìn)料量min。當(dāng)理論計(jì)算的壓濾時(shí)間2對應(yīng)的進(jìn)料總量＞min時(shí)，通過上述方法所計(jì)算的2即為最佳壓濾時(shí)間，3即為最佳鼓膜時(shí)間。當(dāng)理論計(jì)算的壓濾時(shí)間2對應(yīng)的進(jìn)料總量＜min時(shí)，達(dá)到min的時(shí)間2′即為最佳壓濾時(shí)間。

4 污泥處理廠壓濾機(jī)工作周期優(yōu)化

4.1 壓濾機(jī)工作參數(shù)

某污泥處理廠日處理含水率為95%的污泥 500 m3，設(shè)計(jì)采用4臺XAGZ200/1250?30u型號隔膜壓濾機(jī)同時(shí)24 h工作，實(shí)際不能完成工作任務(wù)。目前，該廠壓濾機(jī)工作周期=210 min。其中準(zhǔn)備時(shí)間為 20 min，進(jìn)料時(shí)間為10 min，壓濾時(shí)間為120 min，鼓膜時(shí)間為30 min，反吹時(shí)間為10 min，卸料時(shí)間為 20 min。

XAGZ200/1250?30u隔膜壓濾機(jī)參數(shù)如下：面積為200 m2；濾室數(shù)為80個(gè)；濾板外徑為1 250 mm× 1 250 mm；濾室厚度為30 mm；中心進(jìn)料，額定過濾壓力為0.8 MPa，額定壓榨壓力為1.6 MPa。記錄壓濾機(jī)工作過程濾液量，如表2所示。

表2 壓濾階段濾液總量與時(shí)間關(guān)系

壓濾過程結(jié)束時(shí)，濾液總量為14.36 m3。鼓膜階段結(jié)束時(shí)濾液總量為15.17 m3，最終泥餅含水率為60.4%。壓濾機(jī)污泥處理速率=0.083 m3/min。

4.2 壓濾機(jī)各工作階段時(shí)間優(yōu)化

首先用數(shù)學(xué)模型描述壓濾階段的V()?函數(shù)，用最小二乘法建立時(shí)間與壓濾階段過濾總量V()的經(jīng)驗(yàn)公式。

為使擬合精確，記錄點(diǎn)個(gè)數(shù)要盡量多，求得=2.877，=?25.46。故得2=17.76，2=?25.46。

由于壓濾階段和鼓膜階段的參數(shù)23，故3/23′/2(3(3))2(3)，解得=1.29。其他參數(shù)值為：濾室體積1=3 m3，非過濾時(shí)間總和01=60 min，濾餅最終含水率f=60.4%。壓濾機(jī)工作速率方程參數(shù)如下：2為17.76，2為?25.46，0為95%，f為60.4%，0為60 min，為1.29，1為3 m3。將這些參數(shù)代入式(7)和式(8)，利用Matlab軟件得到工作效率與壓濾時(shí)間2的關(guān)系如圖7所示。

圖7 工作效率u與壓濾時(shí)間t2關(guān)的關(guān)系

求得：2=42.7 min，3=51.9 min。則壓濾時(shí)間2=2=42.7 min，鼓膜時(shí)間3=3?2=9.2 min，處理污泥總量=17.36 m3，=0.1 143 m3/min。優(yōu)化前后各參數(shù)比較見表3。

對壓濾時(shí)間2和鼓膜時(shí)間3進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，該污泥處理廠單臺壓濾機(jī)污泥處理速率提高37.7%。

按照原壓濾機(jī)工作流程時(shí)間設(shè)定，每臺壓濾機(jī)每天可工作6個(gè)周期，4臺壓濾機(jī)每天處理量約 416.64 m3，不能完成當(dāng)日生產(chǎn)任務(wù)。優(yōu)化后壓濾機(jī)工作周期約2 h，每日作業(yè)12個(gè)周期，日產(chǎn)能力可達(dá)613.44 m3。該廠按本文提出的周期實(shí)際作業(yè)，在完成任務(wù)的同時(shí)，輪流讓其中1臺機(jī)休息待機(jī)，不但滿足污泥處理廠的產(chǎn)量要求，而且可以使壓濾機(jī)得到更多的停歇和檢修時(shí)間，有利于延長壓濾機(jī)的使用壽命。

表3 優(yōu)化前后各參數(shù)比較

5 結(jié)論

1) 基于Fluent模擬得到壓濾機(jī)壓濾階段不同壓力下濾液總量與時(shí)間的關(guān)系，運(yùn)用最小二乘法擬合該曲線的函數(shù)表達(dá)式，得到濾液總量與壓力的變化關(guān)系。

2) 提出了鼓膜階段虛擬濾液總量3′的概念，即假設(shè)以鼓膜壓力3繼續(xù)進(jìn)料，不改變?yōu)V室容積條件下的濾液總量。以此推導(dǎo)得到鼓膜階段實(shí)際濾液總量3隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并得到壓濾機(jī)工作效率與壓濾時(shí)間t的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

3) 對某污泥處理廠隔膜壓濾機(jī)各工作階段時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，其污泥處理效率提高37.7%。

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(編輯 陳燦華)

Optimization and research of membrane filter press procedure on dehydration of sludge

ZHU Guihua, GAO Mingquan, MA Kai, TANG Xiao, ZHU Tianhong, XU Hongwei

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to study filterability of membrane filter press in each work stage, the filter processes were simulated to find the regulation between the filter volume and the work time by software Fluent. And the algorithm was fitted by the least square method. According to the simulation results, a conception named virtual filter volume that can describe the regulation between the filter volume and work time in the stage of inflating membrane was put forward by mathematical method. Then the efficiency formula of filter press was derived. The results show that pressure filter time is the key factor to the efficiency formula of filter press, and the work efficiency of a certain sludge treatment plant is increased by 37.7% using this mathematical method. The optimum work cycle time of filter press is obtained, and its work efficiency is improved greatly.

membrane filter press; the least square method; optimal filtering time; specific filter velocity

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.02.003

X703.3

A

1672?7207(2017)02?0289?06

2016?02?10；

2016?04?22

湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2014SK2020)(Project(2014SK2020) supported by the Key Project of Science and Technology of Hunan Province)

朱桂華，博士研究生，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事環(huán)保裝備研究；E-mail：zhuguihuaok@163.com