煤氣化細(xì)渣陶瓷膜真空脫水試驗(yàn)與數(shù)值模擬

郭凡輝，武建軍，張海軍，郭旸，劉虎，張一昕

（1 中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇徐州 221116；2 中國礦業(yè)大學(xué)國家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心，江蘇徐州 221116）

煤炭是我國重要的能源資源，2025 年之前仍然占據(jù)能源消耗的50%左右，煤炭氣化是煤炭清潔轉(zhuǎn)化的重要源頭，是我國能源安全的重要保障，同時(shí)每年產(chǎn)生氣化細(xì)渣數(shù)量超過3000 萬噸。值得注意的是，煤炭氣化存在能耗大、生產(chǎn)成本高等問題，煤炭氣化工藝的節(jié)能減排和過程優(yōu)化具有重要意義。氣化細(xì)渣黑水主要由殘?zhí)?、?鋁和水組成，其具有含碳量高、顆粒細(xì)小、孔隙發(fā)達(dá)、具有親水位點(diǎn)以及碳灰嵌布結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，導(dǎo)致其脫水困難且資源化利用效率低。煤氣化灰渣的規(guī)模化安全處置及分級分質(zhì)高值化利用受到了廣泛重視，氣化細(xì)渣的高效脫水是其資源化、高值化利用的重要前提。目前，氣化細(xì)渣的脫水目前主要采用真空水平皮帶過濾機(jī)，但存在脫水能耗高、效率低和濾布壽命短等問題，所得濾餅水分仍高達(dá)50%～70%，目前處置方式主要是堆存與填埋，為煤氣化企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。

氣化細(xì)渣黑水的高效脫水是目前亟需解決的科學(xué)問題，細(xì)顆粒礦物脫水學(xué)者們開展了大量基礎(chǔ)研究。董憲姝等證實(shí)了復(fù)合力場在強(qiáng)化細(xì)粒精煤脫水方面的可行性，采用電化學(xué)脫水方法將細(xì)粒煤濾餅水分多降低1.6%以上。張一昕等分析了氣化細(xì)渣及其泡沫浮選所得碳、灰產(chǎn)物的持水能力，以期指導(dǎo)氣化細(xì)渣高效脫水。Huttunen 等研究結(jié)果表明，中試規(guī)模水平帶式過濾機(jī)的脫水能耗優(yōu)勢明顯，通過對比真空過濾能耗和濾餅熱干燥能耗發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)條件下（0.2～0.5bar，1bar=0.1MPa），真空過濾所需的能耗優(yōu)勢明顯。黃文鋒等將帶式真空過濾機(jī)應(yīng)用于選煤廠的浮選精煤脫水工藝，在真空度0.05～0.06MPa 下將精煤水分降低至20%以下，但是濾布存在易損耗、易跑偏以及濾液濁度大等生產(chǎn)實(shí)際問題。饒?zhí)礻氐葘φ婵账綖V布機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，理論上能夠?qū)⒚簹饣?xì)渣濾餅水分降低至46%左右，但其本質(zhì)是真空水平濾布機(jī)的改造，需要評估其運(yùn)行穩(wěn)定性且仍然存在脫水能耗高和維修困難等問題。數(shù)值模擬在科學(xué)研究中廣泛使用，一方面能夠驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)也能夠預(yù)測某條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。曾琦從實(shí)驗(yàn)和仿真兩個(gè)方面對真空條件下廢棄鉆井液脫水機(jī)理進(jìn)行了研究，并采用多孔介質(zhì)模型在Fluent中建立了真空抽吸的物理模型，驗(yàn)證了模擬具有一定的可行性，為真空脫水提供一種分析預(yù)測方法。朱志楠利用流體力學(xué)軟件Fluent和離散元軟件EDEM建立了生物質(zhì)脫水過程的三維仿真模型，并結(jié)合工程實(shí)際對脫水機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文采用陶瓷膜真空脫水系統(tǒng)研究了氣化細(xì)渣的脫水效果和濾液特征，并通過Fluent模擬分析了陶瓷膜真空脫水系統(tǒng)用于氣化細(xì)渣脫水過程的影響機(jī)制，研究結(jié)果對提高氣化細(xì)渣脫水效率和節(jié)能降耗具有指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1 材料來源與脫水實(shí)驗(yàn)

本文采用神華寧煤煤制油氣化廠氣化細(xì)渣為原料，氣化細(xì)渣黑水濃度15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），黑水中的抽濾時(shí)間設(shè)置為5s、10s、15s、20s、25s，以獲得不同厚度的氣化細(xì)渣濾餅，濾餅在空氣中的抽濾時(shí)間控制在25s 以內(nèi)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)脫水真空度在0.078～0.095MPa，采用江蘇博同環(huán)?？萍加邢薰咎沾赡V板（M20 型號）和真空泵完成脫水試驗(yàn)，如圖1所示。對濾液進(jìn)行分析測試，懸浮物含量和濁度分別通過GB 11901—1989 和GB 13200—1991測試所得，pH通過pH計(jì)測試。如表1所示，氣化細(xì)渣陶瓷膜真空脫水過程所得濾液三項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了我國的工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)（GB/T 19923—2005），證實(shí)了濾液的潔凈度高特性，這與陶瓷濾膜較小的孔徑特征密切相關(guān)，脫水系統(tǒng)澄清的濾液能夠回用于工廠水系統(tǒng)，具有良好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 神寧爐氣化細(xì)渣黑水真空脫水裝置圖

表1 氣化細(xì)渣黑水經(jīng)陶瓷膜真空過濾所得濾液的指標(biāo)

1.2 陶瓷膜濾板基本參數(shù)特征、模型選擇及邊界條件

如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)人員經(jīng)過剪裁獲得10cm×10cm 濾板且包括棕剛玉濾膜（基材）和白剛玉濾膜（涂層）兩部分。表2提供了濾板的基材和涂層兩部分濾膜基本信息，計(jì)算可知平均孔隙率為34.71%。選擇合理的研究對象是完成Fluent模擬計(jì)算的基礎(chǔ)，本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)際物理過程，以過濾板（灰色：左三、右三）、過濾板腔體（淺藍(lán)色：中間）、氣化細(xì)渣濾餅（黑色：左二、右二）及濾餅外流體（藍(lán)色：水或空氣，左一、右一）四部分為研究對象建立了流場模型和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如圖3所示。由于氣化細(xì)渣濾餅較薄，該模型忽略了流體通過氣化細(xì)渣濾餅側(cè)面的流動(dòng)過程。

圖3 模擬真空脫水過程的物理模型和網(wǎng)格劃分模型

表2 濾膜基本物性參數(shù)

圖2 氣化細(xì)渣黑水真空脫水濾膜及模型構(gòu)建

在Fluent模擬中過濾板和氣化細(xì)渣濾餅都可通過多孔介質(zhì)模型進(jìn)行處理，多孔介質(zhì)模型不是實(shí)際的多孔隙通道結(jié)構(gòu)，而是通過添加動(dòng)量源項(xiàng)模擬計(jì)算多孔介質(zhì)區(qū)域?qū)α黧w的流動(dòng)阻力，該源項(xiàng)表達(dá)如(1)所示。

式中，1/為黏性阻力系數(shù)，m；為慣性阻力系數(shù)，m。

以空過濾板以及一定厚度濾餅吸水過程中排水口的質(zhì)量流率為依據(jù)進(jìn)行慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)的確定，并在此阻力系數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行真空脫水過程的模擬。相比于空濾板吸水過程和濾餅吸水過程，真空脫水可簡化為在真空度作用下空氣置換氣化細(xì)渣濾餅孔隙中的水，該過程涉及空氣和水兩種流體。在進(jìn)行該過程數(shù)值模擬時(shí)需選用兩相流模型，本文選用適用性較強(qiáng)的歐拉模型。入口邊界條件均選用壓力入口且數(shù)值為大氣壓力，出口邊界條件為壓力出口且數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值一致，壁面邊界條件均為無滑移壁面。過濾板和氣化細(xì)渣濾餅采用多孔介質(zhì)模型，數(shù)值模擬的模型選擇情況如表3所示。

表3 濾膜的多孔介質(zhì)模型選擇

1.3 真空力場作用下濾板與氣化細(xì)渣濾餅阻力系數(shù)確定

在空過濾板吸水實(shí)驗(yàn)中，真空度約為0.08MPa，出口水流量約為35.08g/s，參考Fluent help可得式(2)。

式中，Δ為壓差；為介質(zhì)密度；為介質(zhì)流經(jīng)多孔介質(zhì)的速度；為多孔介質(zhì)區(qū)域厚度。計(jì)算可得= 7.29 × 10m，以出口水流量為依據(jù)，調(diào)節(jié)得過濾板黏性阻力系數(shù)為1/= 1.85 × 10m，按照基板和圖層體積比例加權(quán)計(jì)算求得過濾板孔隙率為34.71%，可得陶瓷濾膜阻力系數(shù)如表4所示。為求得氣化細(xì)渣濾餅阻力系數(shù)，以吸附一定厚度氣化細(xì)渣濾餅的過濾板在清水中吸水過程作為分析目標(biāo)，并以過濾板出口水質(zhì)量流率為依據(jù)進(jìn)行氣化細(xì)渣濾餅阻力系數(shù)確定。通過實(shí)驗(yàn)測得氣化細(xì)渣濾餅孔隙率為60%，若得到氣化細(xì)渣濾餅中顆粒的當(dāng)量直徑，可根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)Ergun公式求得黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)。Ergun公式表達(dá)式如式(3)、式(4)。

表4 濾膜阻力系數(shù)及出口水流量對比

氣化細(xì)渣濾餅的顆粒粒徑不均勻、形狀不規(guī)則、顆粒表面孔隙發(fā)達(dá)且較為粗糙，因此通過激光粒度分布儀測試得到的粒徑分布結(jié)果無法作為本次模擬過程輸入項(xiàng)。因此，以不同氣化細(xì)渣濾餅厚度條件下出口質(zhì)量流率為依據(jù)，通過試值法確定氣化細(xì)渣顆粒的平均當(dāng)量直徑。如圖4 所示，當(dāng)=1.3μm時(shí)可得到水量模擬值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合且最大誤差為10%。氣化細(xì)渣顆?？傻刃橛闪綖?.3μm均勻球形顆粒組成且孔隙率為60%的氣化細(xì)渣濾餅，對應(yīng)得到黏性阻力系數(shù)4.99×10m和慣性阻力系數(shù)6.57×10m。如圖5 所示，為6.25mm 氣化細(xì)渣濾餅厚度條件下吸水過程壓力場分布的模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)壓降主要位于氣化細(xì)渣濾餅處，在實(shí)際脫水過程時(shí)濾餅厚度將影響水分運(yùn)移難易程度和脫水時(shí)間。

圖4 不同厚度氣化細(xì)渣濾餅條件下濾膜出口水流量對比

圖5 厚度6.25mm氣化細(xì)渣濾餅吸水過程的壓力場分布

2 結(jié)果與討論

2.1 氣化細(xì)渣陶瓷膜真空高效脫水規(guī)律分析與數(shù)值模擬

2.1.1 氣化細(xì)渣陶瓷膜真空高效脫水規(guī)律分析

一系列脫水實(shí)驗(yàn)選用神華寧煤煤制油氣化廠氣化細(xì)渣樣品為原料，氣化細(xì)渣黑水質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在15%以模擬工廠黑水濃度，表5提供了不同厚度氣化細(xì)渣濾餅脫水過程中濾餅含水量隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析結(jié)果表明，氣化細(xì)渣濾餅厚度增加導(dǎo)致水分運(yùn)移路徑增長，使得有效脫水時(shí)間增加，且對于厚度值較大的濾餅而言，脫水時(shí)間對脫水效果的影響更加明顯，例如濾餅厚度3.0mm時(shí)，脫水時(shí)間從5s 增加到24s 時(shí)濾餅水分僅降低不足1%，說明大部分“通道水”在5s 內(nèi)脫除，然而當(dāng)濾餅厚度為6.25mm 時(shí)，濾餅水分從5s 增加到24s 時(shí)水分降低5%以上；濾餅脫水過程的脫水速率值呈現(xiàn)非線性降低趨勢且濾餅水分極限值為40%，這與氣化細(xì)渣物化性質(zhì)有關(guān)；陶瓷膜真空脫水系統(tǒng)的真空度能夠達(dá)到0.08MPa以上，為水分運(yùn)移過程提供驅(qū)動(dòng)力，氣化細(xì)渣濾餅中“通道水”能夠在25s左右被有效脫除。

表5 不同厚度氣化細(xì)渣濾餅含水量隨時(shí)間變化

2.1.2 氣化細(xì)渣陶瓷膜真空高效脫水過程數(shù)值模擬通過上述內(nèi)容確定了過濾板和氣化細(xì)渣濾餅的阻力系數(shù)，以此為依據(jù)對新型真空高效脫水過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬過程對真空脫水實(shí)驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。氣化細(xì)渣中的多孔殘?zhí)款w粒和球狀灰顆粒經(jīng)堆垛、鑲嵌形成獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使得氣化細(xì)渣濕物料中存在一定量的“倉室”結(jié)構(gòu)，在形成的氣化細(xì)渣濾餅中會存在一定量的封閉通道為水分提供棲存空間，在真空作用下不易運(yùn)移。由于多孔介質(zhì)模型只是通過加入動(dòng)量源項(xiàng)進(jìn)行了流體阻力的模擬，不存在實(shí)際孔隙劃分且不能進(jìn)行流體阻擋。因此，以真空脫水過程氣化細(xì)渣濾餅含水量不再變化的值為依據(jù)，將氣化細(xì)渣濾餅中的水分劃分為“通道水”和“倉室水”兩部分，僅對“通道水”脫除過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬過程中“多孔介質(zhì)孔隙率”參數(shù)也只需設(shè)置為氣化細(xì)渣濾餅“通道水”所占孔隙，“通道水”所占孔隙率求解過程如式(5)、式(6)。

式中，為質(zhì)量；為密度；為孔隙率；為“倉室水”含量；為濾餅體積；下角標(biāo)c、t、w、p分別代表“倉室”、“通道”、水、氣化細(xì)渣顆粒，可得式(7)。

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)24s時(shí)氣化細(xì)渣濾餅水分基本恒定不變，說明真空脫水過程已經(jīng)完成，假設(shè)24s時(shí)“通道水”已全部被空氣置換，那么24s時(shí)的氣化細(xì)渣濾餅水分含量即為“倉室水”含量。圖6所示為脫水過程“倉室水”含量變化數(shù)值模擬。對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，為濾餅厚度，mm；為“倉室水”含量，%，得到關(guān)系式=0.3055-1.5799+3.6068，擬合度達(dá)到0.9459，模擬結(jié)果可信。

圖6 脫水過程“倉室水”含量變化數(shù)值模擬

通過實(shí)驗(yàn)測試可知?dú)饣?xì)渣濾餅堆密度=1100kg/m，孔隙率= 0.4。脫水過程濾餅中“通道水”含量變化的數(shù)值模擬如圖7 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在同一濃度氣化細(xì)渣黑水真空過濾過程中，隨著過濾時(shí)間的延長，氣化細(xì)渣殘?zhí)款w粒和灰顆粒在真空力場作用下富集到濾板上使得氣化細(xì)渣濾餅逐漸增厚，但由于氣化細(xì)渣殘?zhí)款w粒密度比灰顆粒密度小，因此密度較小且多孔的氣化細(xì)渣殘?zhí)吭谡婵兆饔孟赂菀赘患跒V板上使得氣化細(xì)渣濾餅“倉室”增多，因此“倉室水”比例增高并而“通道水”比例相應(yīng)降低，使得脫水過程更為困難。

圖7 脫水過程濾餅中“通道水”含量變化的數(shù)值模擬

圖8為真空力場作用下氣化細(xì)渣濾餅的含水量隨脫水時(shí)間變化的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)值對比，變化趨勢一致，即脫水速率隨時(shí)間逐漸變緩，數(shù)值上與實(shí)驗(yàn)值相近且最大誤差小于5%，再一次證實(shí)了模擬的可靠性。如圖9 所示，由氣化細(xì)渣濾餅厚度6.25mm 時(shí)不同時(shí)刻氣化細(xì)渣濾餅中“通道水”含量分布可以發(fā)現(xiàn)，隨著脫水時(shí)間的延長“通道水”含量逐漸降低，在24s 時(shí)“通道水”含量幾乎為零，此時(shí)真空力場脫水過程基本完成，該模擬結(jié)果能夠有效指導(dǎo)實(shí)際脫水過程。

圖8 細(xì)渣濾餅含水量隨時(shí)間變化的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)值對比

圖9 氣化細(xì)渣濾餅中“通道水”含量在真空力場作用下隨時(shí)間的變化

2.2 氣化細(xì)渣陶瓷膜真空脫水過程的影響機(jī)制研究

以氣化細(xì)渣濾餅厚度為6.25mm脫水過程為例，以脫水真空度為0.094MPa 且“倉室水”含量占濾餅總體積的37.68%的條件為基準(zhǔn)，對比了真空度、氣化細(xì)渣濾餅厚度、“倉室水”含量、氣化細(xì)渣顆粒等效當(dāng)量直徑等真空脫水過程變量對脫水效果的影響規(guī)律。

2.2.1 脫水真空度對氣化細(xì)渣脫水過程的影響

在脫水真空度的研究中發(fā)現(xiàn)，在真空力場作用下水分逐漸脫離氣化細(xì)渣顆粒且真空度的數(shù)值大小決定了氣化細(xì)渣-水體系的分離能力。圖10研究了不同真空度條件下氣化細(xì)渣濾餅中“通道水”含量隨時(shí)間的變化，可以發(fā)現(xiàn)隨著真空過濾時(shí)間的增加，“通道水”含量逐漸降低且脫除速率逐漸減小。真空度在0.08MPa以上且真空過濾時(shí)間25s時(shí)，95%以上的“通道水”能夠被脫除，當(dāng)真空度低于0.04MPa 時(shí)，在25s 時(shí)仍有20%以上的“通道水”無法被有效地脫除。因此，真空度的大小對能否有效去除“通道水”具有重要影響。真空水平濾布過濾機(jī)真空度0.04～0.07MPa，使用過程中濾布易磨損、變形使得真空度降低，極大削弱了脫水效果，而新型真空高效脫水系統(tǒng)采用陶瓷膜作為過濾介質(zhì)，壽命長且耐磨好，真空度高達(dá)0.078～0.094MPa，極大地改善了脫水效果。從圖11 可以看出，在氣化細(xì)渣濾餅水分隨著脫水時(shí)間的增加而逐漸降低，真空度0.08MPa以上時(shí)氣化細(xì)渣濾餅水分能夠在25s以內(nèi)降低至47%以下，當(dāng)達(dá)到真空度0.094MPa且真空過濾時(shí)間30s時(shí)氣化細(xì)渣濾餅水分降低至極限，這意味著延長脫水時(shí)間將無法進(jìn)一步降低氣化細(xì)渣濾餅水分。得到的啟示是，真空力場作用于寧煤煤制油氣化廠氣化細(xì)渣黑水時(shí)，該能量場脫水能力是有限的，未來若進(jìn)一步脫除剩余水分，需要引入其他形式更高強(qiáng)度的脫水能量才能實(shí)現(xiàn)氣化細(xì)渣水分的有效脫除。

圖10 脫水真空度對氣化細(xì)渣濾餅中“通道水”脫除速率的影響規(guī)律

圖11 脫水真空度對氣化細(xì)渣濾餅水分含量的影響規(guī)律

2.2.2 濾餅厚度對氣化細(xì)渣脫水過程的影響

在氣化細(xì)渣濾餅厚度的研究中發(fā)現(xiàn)，在只考慮氣化細(xì)渣濾餅厚度差異時(shí)討論了相同脫水時(shí)間內(nèi)氣化細(xì)渣濾餅厚度對濾餅中“通道水”脫除速率和濾餅水分含量的影響。如圖12 所示，隨著氣化細(xì)渣濾餅厚度的增加，“通道水”脫除速率明顯降低，這是由于“通道水”運(yùn)移路徑增長，需要更長的時(shí)間才能從氣化細(xì)渣濾餅體系中脫離，當(dāng)氣化細(xì)渣濾餅厚度小于6.25mm時(shí)，30s的脫水時(shí)間內(nèi)基本能夠完成通道水的有效脫除。如圖13 所示，氣化細(xì)渣濾餅中水分含量隨著脫水時(shí)間的延長而不斷降低，氣化細(xì)渣濾餅水分在真空力場作用下分為迅速脫水階段、緩慢脫水階段和脫水結(jié)束三個(gè)階段且氣化細(xì)渣濾餅厚度影響三個(gè)階段的時(shí)段。一般而言，真空濾布過濾機(jī)濾餅厚度10～20mm，由于氣化細(xì)渣濾餅厚度太大導(dǎo)致脫水過程水分運(yùn)移路徑過長，使得脫水過程無法在有效的時(shí)間內(nèi)完成，限制了脫水效率，雖然延長過濾機(jī)濾布長度能夠降低氣化細(xì)渣濾餅水分，但更大的占地面積將帶來新的成本挑戰(zhàn)。

圖12 氣化細(xì)渣濾餅厚度對濾餅中“通道水”脫除速率的影響

圖13 氣化細(xì)渣濾餅厚度對濾餅中水含量脫除速率的影響

與真空水平濾布機(jī)相比，本文提出的陶瓷膜真空脫水系統(tǒng)是一種高效脫水方式。首先，新型真空高效脫水系統(tǒng)的過濾陶瓷膜設(shè)計(jì)在豎直方向上是一種內(nèi)部中空且能夠雙面過濾的結(jié)構(gòu)，在水平方向上占地面積小，此外氣化細(xì)渣濾餅厚度可通過主軸轉(zhuǎn)速和氣化細(xì)渣黑水濃度調(diào)節(jié)，在保證脫水效果和處理量的前提下可將氣化細(xì)渣濾餅厚度控制在7mm以下，確保氣化細(xì)渣濾餅中的“通道水”在30s內(nèi)有效脫除，脫水效率高、效果顯著。

2.2.3 “通道水”比例對氣化細(xì)渣脫水過程的影響

在“倉室水”比例對脫水過程影響的研究中，以氣化細(xì)渣濾餅厚度6.25mm 為例，研究了不同“倉室水”與“通道水”比例條件下氣化細(xì)渣濾餅水分含量的變化規(guī)律。如圖14 所示，氣化細(xì)渣濾餅中水分含量均隨著真空過濾時(shí)間的增長而降低，隨著“倉室水”比例的降低，氣化細(xì)渣濾餅單位時(shí)間內(nèi)水分脫除速率增大，例如“倉室水”與“通道水”比值為1∶5時(shí)，30s真空力場作用后氣化細(xì)渣濾餅中水分可降低至24%左右，而“倉室水”與“通道水”比值為5∶1 時(shí)，30s 真空力場作用后氣化細(xì)渣濾餅中水分高達(dá)52%?！皞}室水”與氣化細(xì)渣中殘?zhí)康目紫督Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，當(dāng)氣化細(xì)渣孔隙豐富時(shí)水分棲存于孔內(nèi)，很難在真空力場作用下脫離氣化細(xì)渣顆粒體系，因此“倉室水”比例或者說氣化細(xì)渣殘?zhí)靠捉Y(jié)構(gòu)性質(zhì)將是判斷氣化細(xì)渣脫水難易程度的重要參考因素，氣化細(xì)渣/殘?zhí)勘砻嫘蚊?、孔徑分布、分形維數(shù)以及燒失量（殘?zhí)亢浚?biāo)定方法將為脫水前評估“倉室水”與“通道水”比例提供參考。

圖14 “倉室水”含量對氣化細(xì)渣濾餅脫水的影響

2.2.4 顆粒等效當(dāng)量直徑對氣化細(xì)渣脫水過程的影響

在等效當(dāng)量直徑對脫水過程影響的研究中，圖15 討論了氣化細(xì)渣顆粒等效當(dāng)量直徑對氣化細(xì)渣濾餅水分脫除過程的影響，這里的等效當(dāng)量直徑是指達(dá)到與復(fù)雜物理空間結(jié)構(gòu)的氣化細(xì)渣同等脫水效果的均勻圓球顆粒濾餅所對應(yīng)的圓球顆粒直徑。在研究的所有氣化細(xì)渣等效當(dāng)量直徑條件下，氣化細(xì)渣濾餅水分隨著脫水時(shí)間的增加而逐漸降低，當(dāng)氣化細(xì)渣顆粒等效當(dāng)量直徑高于1.3μm時(shí)，氣化細(xì)渣濾餅水分含量可在25s左右達(dá)到最低值，當(dāng)氣化細(xì)渣等效當(dāng)量直徑達(dá)到1.7μm以上時(shí)，氣化細(xì)渣濾餅水分將在20s左右達(dá)到最低值。因此，在實(shí)際脫水過程中，考慮根據(jù)氣化細(xì)渣顆粒的等效當(dāng)量直徑分類、調(diào)整、配伍和優(yōu)化，繼而提高脫水效率。如圖16 所示，在濾餅厚度為6.25mm、真空度為0.094MPa、“倉室水”含量占濾餅總體積的37.68%情況下，當(dāng)真空過濾時(shí)間為25s時(shí)，氣化細(xì)渣顆粒當(dāng)量直徑與“通道水”含量呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系且擬合度達(dá)到0.9962，該函數(shù)關(guān)系可用于判斷氣化細(xì)渣的有效脫水時(shí)間。

圖15 顆粒等效當(dāng)量直徑對脫水的影響

圖16 顆粒等效當(dāng)量直徑對25s時(shí)“通道水”含量的影響

3 結(jié)論

本文研究了煤氣化細(xì)渣陶瓷膜真空脫水過程，并對濾液進(jìn)行了水質(zhì)檢測，通過Fluent對陶瓷膜真空脫水系統(tǒng)進(jìn)行了模型構(gòu)建，對脫水過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了陶瓷膜真空脫水過程的影響因素，得到主要結(jié)論如下。

（1）針對目前煤氣化細(xì)渣脫水能耗高、效果差的工業(yè)問題，本文首次提出了以陶瓷膜作為煤氣化細(xì)渣脫水介質(zhì)的高效脫水方法，并采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法驗(yàn)證了煤氣化細(xì)渣陶瓷膜真空脫水過程的可行性。

（2）陶瓷膜真空脫水系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)氣化細(xì)渣的高效脫水，所得濾液潔凈度高，其中懸浮含量6～16mg/L 和濁度小于2.95NTU 均達(dá)到了工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)，陶瓷膜真空脫水系統(tǒng)有利于濾液的回收利用。

（3）陶瓷膜真空脫水過程的脫水速率呈現(xiàn)非線性降低趨勢且濾餅水分在約24s達(dá)到脫水極限且濾餅水分高于40%，繼續(xù)增加脫水時(shí)間無法進(jìn)一步有效脫除水分，需根據(jù)物料脫水特性確定有效的脫水方案。

（4）Fluent數(shù)值模擬選用了歐拉模型并確定了陶瓷膜濾板和氣化細(xì)渣濾餅的阻力系數(shù)，脫水過程的實(shí)驗(yàn)值與模擬結(jié)果誤差小于5%，證實(shí)了模型可靠性。

（5）模擬過程分析了氣化細(xì)渣脫水過程中壓力場和水分含量分布云圖的演變規(guī)律，結(jié)果表明，增加陶瓷膜脫水系統(tǒng)真空度、降低氣化細(xì)渣濾餅厚度、提高“通道水”比例和氣化細(xì)渣顆粒等效當(dāng)量直徑是影響其高效脫水的重要因素，研究結(jié)果對預(yù)測和優(yōu)化氣化細(xì)渣真空脫水條件提供理論和技術(shù)支撐。