本發(fā)明涉及污泥熱化學(xué)處置領(lǐng)域，更具體地，涉及一種適用于污泥陰燃溫度及陰燃速度預(yù)測的通用計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、隨著我國城市化、工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，市政污水和工業(yè)污水處理率逐年提高，污泥作為污水的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量也逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年至2022年，中國的污泥產(chǎn)量從1377萬噸迅速攀升至4738萬噸，其中市政污泥占88％，工業(yè)污泥占12％。目前，污泥的主要處置方法主要是土地利用和焚燒。其中，土地利用常常由于污泥復(fù)雜性質(zhì)(如有機(jī)質(zhì)、重金屬)等原因受到諸多限制，而焚燒作為高溫處置方法，面對(duì)高含水污泥時(shí)往往需要額外添加大量高熱值燃料，同時(shí)設(shè)備和工藝的復(fù)雜性也限制了其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

2、近年來，自維持陰燃技術(shù)由于其在處置高含水有機(jī)固廢方面的潛力而備受關(guān)注?？傮w而言，陰燃過程可以通過激發(fā)燃料自身能量實(shí)現(xiàn)自維持運(yùn)行，在處置高含水率污泥方面具有天然的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)焚燒技術(shù)不同，自維持陰燃技術(shù)無需預(yù)干化工藝，且運(yùn)行階段無需添加額外高熱值燃料，可以極大降低建設(shè)和運(yùn)行成本。陰燃作為發(fā)生在多孔介質(zhì)空間內(nèi)的表面氧化反應(yīng)，其內(nèi)部涉及復(fù)雜氣氛條件下的傳熱和傳質(zhì)過程，其發(fā)生反應(yīng)時(shí)的陰燃溫度及陰燃速度往往可以說明該條件下的陰燃狀態(tài)，其受到多種參數(shù)的影響，這對(duì)于陰燃設(shè)備工藝的開發(fā)和應(yīng)用至關(guān)重要。然而，目前尚沒有統(tǒng)一描述陰燃傳播過程和分析陰燃特性隨關(guān)鍵參數(shù)變化的理論模型，同時(shí)，對(duì)于不同來源的污泥，其燃料性質(zhì)往往天差地別，如何保證陰燃模型對(duì)不同來源污泥的適應(yīng)性是推進(jìn)污泥陰燃大規(guī)模高效應(yīng)用的前提。因此，有必要建立通用的陰燃機(jī)理模型并基于此實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥陰燃溫度及陰燃速度的預(yù)測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種適用于污泥陰燃溫度及陰燃速度預(yù)測的通用計(jì)算方法，從污泥陰燃過程中的傳熱傳質(zhì)原理出發(fā)，結(jié)合不同污泥樣品特性參數(shù)和反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)多源高濕污泥陰燃溫度及陰燃速度的精準(zhǔn)預(yù)測。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、一種通用計(jì)算方法，用于預(yù)測污泥陰燃溫度和陰燃速度，包括如下步驟：

4、獲取污泥樣品特性參數(shù)和確定污泥陰燃過程的反應(yīng)條件；

5、基于所述污泥樣品特性參數(shù)和所述反應(yīng)條件，通過等溫陰燃失重方法獲取污泥本征陰燃動(dòng)力學(xué)參數(shù)；

6、依據(jù)所述污泥本征陰燃動(dòng)力學(xué)參數(shù)，通過大活化能漸近法求解污泥陰燃過程的傳熱傳質(zhì)守恒方程，從而構(gòu)建污泥陰燃通用模型；

7、基于所述污泥陰燃通用模型，預(yù)測不同空氣流速下的污泥陰燃溫度和陰燃速度。

8、如上所述的通用計(jì)算方法，進(jìn)一步地，所述污泥樣品特性參數(shù)包括：

9、干污泥樣品工業(yè)分析數(shù)據(jù)；

10、干污泥樣品元素分析數(shù)據(jù)；

11、干污泥樣品比熱容；

12、干污泥樣品真密度；

13、干污泥樣品顆粒粒徑；以及，

14、干污泥樣品熱值和混合燃料孔隙率。

15、如上所述的通用計(jì)算方法，進(jìn)一步地，所述反應(yīng)條件包括：

16、空氣氧濃度；

17、空氣比熱容；

18、空氣密度；

19、空氣溫度；

20、陰燃反應(yīng)器直徑；

21、陰燃反應(yīng)器高度；以及，

22、陰燃反應(yīng)器導(dǎo)熱系數(shù)。

23、如上所述的通用計(jì)算方法，進(jìn)一步地，所述工業(yè)分析數(shù)據(jù)包括：

24、所述干污泥樣品的揮發(fā)分含量；

25、灰分含量；以及，

26、固定碳含量。

27、如上所述的通用計(jì)算方法，進(jìn)一步地，

28、所述元素分析數(shù)據(jù)包括：

29、所述干污泥樣品的碳元素；

30、氫元素；

31、氮元素；

32、硫元素；以及，

33、氧元素。

34、如上所述的通用計(jì)算方法，進(jìn)一步地，利用最終污泥，經(jīng)過干燥、破碎和篩分步驟后，得到所述污泥樣品。

35、如上所述的通用計(jì)算方法，進(jìn)一步地，所述污泥本征陰燃動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括：

36、陰燃反應(yīng)活化能；以及，

37、陰燃反應(yīng)指前因子

38、如上所述的通用計(jì)算方法，進(jìn)一步地，所述通過等溫陰燃失重方法獲取污泥本征陰燃動(dòng)力學(xué)參數(shù)，具體包括：

39、進(jìn)行陰燃實(shí)驗(yàn)，獲取不同空氣流速下陰燃溫度和對(duì)應(yīng)的陰燃失重規(guī)律；

40、所述陰燃失重規(guī)律由稱重天平監(jiān)測，在等溫陰燃過程發(fā)生的質(zhì)量損失通過阿倫尼烏斯方程分析，陰燃反應(yīng)性與溫度的關(guān)系表示為：

41、

42、式中，α為陰燃反應(yīng)的無量綱轉(zhuǎn)化率，a、e、t、t分別為陰燃過程的指前因子、活化能、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，r為理想氣體常數(shù)，r＝8.314j·mol-1·k-1，f(α)為反應(yīng)機(jī)理函數(shù)，f(α)＝(1-α)n，其中n為反應(yīng)級(jí)數(shù)；

43、對(duì)上式進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算，得到：

44、

45、通過繪制ln(dα/dt)和1/t擬合直線，通過該擬合直線斜率和截距計(jì)算得到污泥本征陰燃動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

46、如上所述的通用計(jì)算方法，進(jìn)一步地，所述通過大活化能漸近法求解污泥陰燃過程的傳熱傳質(zhì)守恒方程，從而構(gòu)建污泥陰燃通用模型，具體包括：

47、使用單步氧化過程代表陰燃反應(yīng)：

48、1g?fuel+no?o2→na?ash+ngp?gas?products+q

49、式中，no、na、ngp分別為單步反應(yīng)中氧氣、灰分和氣體產(chǎn)物的質(zhì)量加權(quán)化學(xué)計(jì)量系數(shù)；

50、單步反應(yīng)的反應(yīng)速率以阿倫尼烏斯方程的形式寫成：

51、

52、式中，a為化學(xué)反應(yīng)的指前因子，e為該反應(yīng)的活化能，r為理想氣體通用常數(shù)，ρg、ρs分別為氣流密度和固相燃料密度，為氣流中氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，tf為污泥陰燃溫度；

53、設(shè)定多孔介質(zhì)空間內(nèi)的陰燃視為伴有化學(xué)反應(yīng)的氣固兩相流過程，根據(jù)局部熱平衡理論，氣相和固相采用同一溫度表示，該過程的質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程簡化為如下形式：

54、

55、式中，cg、ρg分別為氣體比熱容和密度，cf為燃料比熱容，ρs同時(shí)考慮了固相燃料和灰分，yo0為氣體氧濃度，vg為氣流速率，as為球形顆粒的形狀因子，φ為孔隙率，λeff為有效導(dǎo)熱系數(shù)，no為單步反應(yīng)中氧的質(zhì)量加權(quán)化學(xué)計(jì)量系數(shù)，q為燃料熱值，d為氧氣擴(kuò)散系數(shù)，us為陰燃速率；

56、設(shè)定固定床中陰燃波是穩(wěn)定傳播的，使用大活化能漸近法對(duì)上述方程進(jìn)行簡化，得到污泥陰燃模型：

57、

58、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于：本發(fā)明采用等溫陰燃失重方法獲得了污泥本征陰燃動(dòng)力學(xué)參數(shù)，該方法可以兼顧不同來源污泥的反應(yīng)特性，有效消除所述污泥本征陰燃動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合過程中存在的動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)；本發(fā)明對(duì)污泥陰燃中的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行機(jī)理分析，并基于大活化能漸近法近似求解了陰燃過程守恒方程，得到了污泥陰燃通用機(jī)理模型；本發(fā)明基于建立的陰燃通用機(jī)理模型，可以對(duì)不同燃料特性和工況條件下的陰燃過程開展敏感度分析，同時(shí)能夠?qū)Σ煌諝饬魉傧挛勰嚓幦紲囟燃瓣幦妓俣冗M(jìn)行快速有效預(yù)測，這為污泥陰燃技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。