邵志國(guó) 裴明東，3 吳景亞 李興春 郭書(shū)海 李立君 劉光全 許 毓 劉龍杰 任 雯 呂 沖 王 卅

(1.石油石化污染物控制與處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；3.渤海裝備遼河熱采機(jī)械公司；4.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所；5.盤(pán)錦市綠色發(fā)展服務(wù)中心)

0 引 言

含油固體廢物是石油石化行業(yè)油氣開(kāi)采、集輸和加工過(guò)程中產(chǎn)生的一類(lèi)固體廢物，國(guó)家明確定為危險(xiǎn)廢物[1-2]。熱脫附技術(shù)是在絕氧條件下對(duì)物料加熱，將污染物蒸發(fā)脫除的過(guò)程，并對(duì)脫附氣冷凝回收油類(lèi)資源[3]。該技術(shù)對(duì)物料適應(yīng)性強(qiáng)、處理時(shí)間短、脫油效率高，已逐漸成為國(guó)內(nèi)處理含油固廢的主流技術(shù)。常見(jiàn)的熱脫附爐型主要有螺旋推進(jìn)式和回轉(zhuǎn)窯式兩大類(lèi)[4]，其中，螺旋推進(jìn)式爐密封性好、安全性高，通過(guò)螺旋控制物料停留時(shí)間，可連續(xù)進(jìn)出物料，是處理高黏度含油固體廢物的首選爐型[2，5-6]。

關(guān)于螺旋推進(jìn)式脫附爐傳熱理論體系尚不夠完善，主要的傳熱模型有Schlunder模型、顆粒接觸傳熱模型和馬爾可夫傳熱模型等。Schlunder模型[7-8]未考慮非接觸傳熱面與物料的輻射傳熱過(guò)程，適于混合度高且物料完全充滿(mǎn)爐體的傳熱過(guò)程；顆粒接觸傳熱模型[9]針對(duì)立式移動(dòng)床，物料填滿(mǎn)爐床體系采用DEM模型模擬顆粒的運(yùn)動(dòng)；顆粒堆積傳熱模型[10]針對(duì)固定床中多孔介質(zhì)換熱過(guò)程，研究多孔顆粒物料與流體介質(zhì)的傳熱?；舫w[11]根據(jù)馬爾可夫傳熱模型模擬了粉煤等低黏度顆粒傳熱過(guò)程，對(duì)螺旋式脫附爐傳熱的研究意義重大。但含油物料具有一定黏度，在爐內(nèi)輸移速率較低，屬于低填充率和低擾動(dòng)傳熱體系，與上述模型研究的傳熱過(guò)程存在明顯差異。此外，還有部分學(xué)者主要關(guān)注脫附爐內(nèi)熱場(chǎng)分布特性[12-15]，多采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算脫附爐傳熱系數(shù)，指導(dǎo)爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏理論依據(jù)。

本文針對(duì)含油固體物料在螺旋推進(jìn)式脫附爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，基于馬爾可夫傳熱模型，建立適用于低填充率和低擾動(dòng)體系傳熱系數(shù)預(yù)測(cè)模型，旨為螺旋推進(jìn)式脫附爐的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 螺旋推進(jìn)式脫附爐傳熱過(guò)程分析

螺旋推進(jìn)式脫附爐多為外熱式結(jié)構(gòu)[16-18]，采用火焰、高溫?zé)煔饣螂姶鸥袘?yīng)等方式對(duì)爐筒加熱，將熱量(Q0)傳遞給金屬爐壁，物料在螺旋推動(dòng)下由入口移動(dòng)至出口，吸收爐壁傳遞的熱量(Qw-g+Qw-m)，部分用于加熱固相物料升溫，另一部分用于加熱固相中的污染物，爐體外壁與環(huán)境通過(guò)輻射的方式將熱量(Qs)傳遞至環(huán)境中，此部分熱量即為能量損失[19]。熱脫附爐傳熱過(guò)程示意見(jiàn)圖1。

圖1 熱脫附爐傳熱過(guò)程示意

為確保爐內(nèi)足夠的停留時(shí)間，螺旋緩慢推動(dòng)物料前移，與物料無(wú)換熱，熱量主要來(lái)自于未被物料覆蓋的爐壁頂部和被物料覆蓋的爐壁底部，分別稱(chēng)為敞開(kāi)體系傳熱量(Qw-g)和覆蓋體系傳熱量(Qw-m)。由于熱脫附氣從顆粒層揮發(fā)，與物料無(wú)溫差，所以敞開(kāi)體系的傳熱過(guò)程主要是爐壁與物料的輻射傳熱；對(duì)于覆蓋體系傳熱，熱量通過(guò)爐壁傳遞至緊貼爐壁的物料層，再通過(guò)顆粒間的傳熱過(guò)程將熱量向物料層內(nèi)部傳遞，由于物料存在熱阻，物料層的溫度從底部向表層遞減[20]。

1.2 螺旋推進(jìn)式熱脫附爐傳熱系數(shù)模型建立

為建立螺旋推進(jìn)熱脫附爐內(nèi)壁與顆粒間的傳熱模型，本文做出以下假設(shè)：

1)物料顆粒為半徑相同且參數(shù)各向同性剛性小球，顆粒在碰撞過(guò)程中不發(fā)生塑性變形；

2)物料受熱揮發(fā)產(chǎn)生的氣體在顆粒層內(nèi)部處于靜止?fàn)顟B(tài)，只在顆粒層表面進(jìn)行擴(kuò)散，揮發(fā)氣體脫離物料層后在較短時(shí)間內(nèi)被引出爐外；

3)物料具有黏性，在運(yùn)移過(guò)程中物料顆粒與爐壁之間存在流動(dòng)邊界層和溫度邊界層；

4)螺旋低速推進(jìn)物料，物料層呈非凹表面層流式運(yùn)移；

5)爐內(nèi)螺旋軸相對(duì)于爐筒直徑較小，與物料無(wú)熱量傳遞，僅發(fā)揮輸送物料供能的作用。

根據(jù)螺旋推進(jìn)式脫附爐傳熱過(guò)程分析，總傳熱系數(shù)由敞開(kāi)體系傳熱系數(shù)和覆蓋體系傳熱系數(shù)組成見(jiàn)公式(1)。

h=hc+hf

(1)

式中：h為螺旋推進(jìn)脫附爐總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；hc為敞開(kāi)體系總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；hf為覆蓋體系總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

1.2.1 敞開(kāi)體系傳熱系數(shù)

根據(jù)輻射傳熱過(guò)程的假定條件可以將封閉區(qū)域內(nèi)的輻射傳熱簡(jiǎn)化為封閉腔體內(nèi)各灰體表面的輻射換熱，根據(jù)輻射傳熱網(wǎng)絡(luò)法[19-21]，繪制出封閉區(qū)域的輻射傳熱網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 封閉區(qū)域輻射傳熱網(wǎng)絡(luò)

由于氣體溫度、螺旋表面溫度與物料層表面溫度相同，即氣體和螺旋表面與物料層不發(fā)生輻射傳熱，則敞開(kāi)體系傳熱系數(shù)為：

(2)

式中：A為敞開(kāi)體系內(nèi)熱脫附爐傳熱面積，m2；Δt為敞開(kāi)體系內(nèi)熱脫附爐傳熱溫差，℃；EB、EG分別為金屬爐壁和物料的輻射能力，W/m2；εB、εG、εQ分別為金屬爐壁、物料、爐內(nèi)氣體的黑度；AB、AG分別為金屬爐壁和物料的輻射傳熱面積，m2；XB·G為金屬爐壁對(duì)物料表面的輻射換熱角系數(shù)。

1.2.2 覆蓋體系傳熱系數(shù)

覆蓋體系傳熱系數(shù)由爐體表面與緊貼爐壁的物料顆粒之間的傳熱系數(shù)和物料顆粒層內(nèi)部傳熱系數(shù)組成，其傳熱系數(shù)為：

(3)

式中：hf為覆蓋體系總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；hf1為爐體表面與緊貼爐壁的物料顆粒之間的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；hf2為物料顆粒層內(nèi)部的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

1)爐體表面與爐壁物料顆粒之間傳熱系數(shù)

爐體表面與緊貼爐壁的物料顆粒之間的傳熱系數(shù)：

(4)

式中：hb1為爐壁與氣膜層之間的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；hb2為氣膜層與顆粒表面的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；hb3為爐壁與顆粒間的輻射傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

①爐壁與氣膜層之間的傳熱過(guò)程

緊貼爐壁的物料顆粒層內(nèi)部處于靜止?fàn)顟B(tài)，爐壁與氣膜層之間的傳熱過(guò)程以導(dǎo)熱過(guò)程為主，氣爐壁與氣膜層之間的傳熱系數(shù)[22]為：

(5)

式中：λQ為氣膜層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；rp為物料顆粒半徑，m。

②氣膜層與顆粒表面的傳熱過(guò)程

緊貼爐壁的物料層與爐壁之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，氣體在顆粒層內(nèi)部處于靜止?fàn)顟B(tài)。則緊貼爐壁的物料顆粒與氣膜層之間也保持靜止?fàn)顟B(tài)，即氣膜層與緊貼爐壁的物料顆粒表面的傳熱過(guò)程以熱傳導(dǎo)為主。根據(jù)顆粒碰撞理論，取氣膜層厚度為0.2rp[23-25]，根據(jù)球殼導(dǎo)熱計(jì)算方法，氣膜層與物料顆粒表面的傳熱系數(shù)為：

hb2=24×π×λQ×rp

(6)

③爐壁與顆粒之間的輻射傳熱

爐壁與顆粒之間的輻射傳熱可以視為爐壁與近壁面顆粒之間形成的封閉腔體的輻射傳熱，輻射傳熱的傳熱系數(shù)為：

(7)

(8)

式中：εs為系統(tǒng)發(fā)射率；σ為玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；TS為金屬爐壁內(nèi)壁面溫度，K；T0為近壁面層物料溫度，K；εB、εG分別為金屬爐壁和物料的黑度。

2)物料顆粒間的傳熱系數(shù)

顆粒之間傳熱系數(shù)：

hf2=hk1+hk2+hk3

(9)

式中：hk1為顆粒之間接觸傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；hk2為顆粒接觸面附近氣膜之間傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；hk3為顆粒與氣相之間傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

①顆粒之間接觸傳熱

顆粒之間接觸傳熱可以通過(guò)Watson傳熱模型進(jìn)行計(jì)算[7]：

(10)

式中：Fn為顆粒之間接觸力，N；Eeq為有效楊氏模量，Pa。

②顆粒接觸面附近氣膜傳熱

顆粒接觸面附近氣膜傳熱系數(shù)為：

hk2=0.195×π×λQ

(11)

③物料顆粒與氣相之間的對(duì)流傳熱

由于物料顆粒被氣膜層包圍，其傳熱過(guò)程可視為氣體與浸沒(méi)球形表面之間的對(duì)流傳熱，其傳熱系數(shù)可以根據(jù)氣流外掠球體表面的傳熱系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算[21，25]：

(12)

式中：Re為氣體流動(dòng)雷諾數(shù)，無(wú)量綱；Pr為氣體普朗特?cái)?shù)，無(wú)量綱；η∞、ηW為氣體主流溫度和顆粒表面溫度下氣體的動(dòng)力黏度，Pa·s。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

螺旋推進(jìn)式脫附傳熱系數(shù)模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置由進(jìn)料與排料單元、脫附爐筒、尾氣過(guò)濾和冷凝單元及在線檢測(cè)單元組成，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱脫附過(guò)程中系統(tǒng)的壓力、含氧量、氣體流量等參數(shù)變化。處理規(guī)模為1 kg/h，最高加熱溫度600℃，升溫速率10℃/min，通過(guò)螺旋轉(zhuǎn)速控制物料停留時(shí)間。爐體結(jié)構(gòu)：Φ×L=90×550 mm，轉(zhuǎn)速為1～12 r/min。

實(shí)料采用油污土壤顆粒，土壤取自中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院園區(qū)淺層土，土壤粒徑小于5 mm，挑揀去除動(dòng)植物殘骸和石塊；原油取自大港油田，將原油、蒸餾水與土壤按不同比例配制成3種類(lèi)型的含油污染土壤待用，性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 物料特性

2 結(jié)果與討論

2.1 傳熱系數(shù)模擬與驗(yàn)證

采用配制的石油污染土壤顆粒開(kāi)展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)電加熱器加熱功率、脫附爐筒和物料溫度變化情況，改變脫附爐中物料填充率和運(yùn)移速率，分別測(cè)試填充率為15%，25%和螺旋轉(zhuǎn)速為2，5和8 r/min條件下的熱脫附傳熱系數(shù)，根據(jù)式(13)計(jì)算脫附爐筒的傳熱系數(shù)，并與模型計(jì)算值進(jìn)行比較(氣膜層雷諾數(shù)Re和普朗特?cái)?shù)Pr采用水蒸汽的參數(shù))，如圖3所示。

圖3 熱脫附傳熱系數(shù)模擬驗(yàn)證

(13)

式中：K為脫附爐筒傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Q為電加熱器加熱功率，W；A為脫附爐筒傳熱面積，m2；Δt為爐筒與物料之間的傳熱溫差，℃；驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)脫附溫度300℃、停留時(shí)間為40 min。

本模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值吻合度較高，1#物料模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值的最大誤差6.20%，最小誤差0.68%，誤差平均值為3.23%；2#物料模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值的最大誤差10.95%，最小誤差2.138%，誤差平均值為7.01%；3#物料模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值的最大誤差17.06%，最小誤差7.79%，誤差平均值為12.29%。模型整體平均預(yù)測(cè)誤差7.51%，低于10%，可以滿(mǎn)足熱脫附爐爐內(nèi)傳熱系數(shù)計(jì)算要求[22，26-28]。

2.2 填充率對(duì)傳熱系數(shù)的影響

為了進(jìn)一步解析螺旋推進(jìn)式脫附爐傳熱性能的影響因素，本文基于已建立的預(yù)測(cè)模型，改變物料層厚度，分別計(jì)算填充料從5%～45%時(shí)的傳熱系數(shù)，考察填充率對(duì)螺旋推進(jìn)式脫附爐傳熱性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 物料填充率對(duì)傳熱系數(shù)的影響

螺旋推進(jìn)式脫附爐總傳熱系數(shù)隨著物料填充率的增加呈先增大后減小趨勢(shì)，在填充率為15%時(shí)，爐內(nèi)傳熱系數(shù)達(dá)到最大值24.02 W/(m2·℃)。螺旋推進(jìn)式圓筒換熱體系傳熱能力主要依靠覆蓋體系傳熱過(guò)程，供能占比為73%以上，在填充率50%以?xún)?nèi)，覆蓋體系傳熱能力變化不大。敞開(kāi)體系傳熱系數(shù)隨填充率增加先增大后減小，是影響總傳熱性能變化的主要因素。這主要是因?yàn)楦采w體系傳熱過(guò)程與物料覆蓋爐體表面積有關(guān)，敞開(kāi)體系傳熱過(guò)程與物料表層面積有關(guān)[22]，對(duì)于物料層弓形斷面，由于厚度增加引起的弧形一側(cè)增加的面積遠(yuǎn)大于弦側(cè)增加的面積，即覆蓋體系面積增幅較大，彌補(bǔ)了由于料層厚度增加引起的物料傳熱能力下降趨勢(shì)，因此對(duì)覆蓋體系的傳熱性能影響不大。而物料表面積增幅不能抵消傳熱能力下降趨勢(shì)，敞開(kāi)體系傳熱性能略有下降，進(jìn)而使得整體傳熱系數(shù)略有降低。

2.3 螺旋軸外徑/爐筒內(nèi)徑比對(duì)傳熱系數(shù)的影響

改變脫附爐螺旋軸與爐筒內(nèi)徑比例，分別計(jì)算螺旋軸外徑/爐筒內(nèi)徑比從0.11～0.81時(shí)的傳熱系數(shù)，考察爐體結(jié)構(gòu)對(duì)其傳熱性能的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 螺旋軸外徑/爐筒內(nèi)徑比值對(duì)傳熱系數(shù)的影響

螺旋推進(jìn)式脫附爐的傳熱系數(shù)隨著螺旋軸外徑/爐筒內(nèi)徑比值的增大而降低，從26.88 W/(m2·℃)降至17.72 W/(m2·℃)。其中，覆蓋體系傳熱系數(shù)變化不明顯，而敞開(kāi)體系傳熱系數(shù)大幅降低，當(dāng)螺旋軸外徑/爐筒內(nèi)徑比值由0.11增至0.81時(shí)，覆蓋體系傳熱占比由65.85%升高至98.81%。這主要是由于敞開(kāi)體系傳熱系數(shù)受螺旋外徑影響較大，隨著螺旋外徑的增大，輻射傳熱角系數(shù)迅速降低，爐筒對(duì)物料層表面的輻射傳熱量相應(yīng)降低[11，21，29]。

2.4 螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)傳熱系數(shù)的影響

改變脫附爐轉(zhuǎn)速，分別計(jì)算螺旋轉(zhuǎn)速2～10 r/min時(shí)的傳熱系數(shù)，考察擾動(dòng)強(qiáng)度對(duì)螺旋推進(jìn)式脫附爐傳熱性能的影響，結(jié)果如圖6所示。

傳熱系數(shù)隨螺旋轉(zhuǎn)速的增大而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速由2 r/min增至10 r/min時(shí)，傳熱系數(shù)由24.04 W/(m2·℃)增至26.47 W/(m2·℃)。覆蓋體系傳熱仍是主要的傳熱過(guò)程，供能占比均為73%以上，且變化趨勢(shì)與總傳熱系數(shù)相同，螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)敞開(kāi)體系的傳熱系數(shù)影響較小。這是因?yàn)槁菪D(zhuǎn)速增大，對(duì)物料擾動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)，物料層被螺旋葉片揚(yáng)起鋪展開(kāi)[17，30]，增加了與爐壁的接觸面積，降低了料層厚度，提高了覆蓋體系的傳熱性能。

3 結(jié) 論

1)分析含油固體物料在低填充率、低擾動(dòng)螺旋推進(jìn)式脫附爐內(nèi)的傳熱過(guò)程，建立了傳熱系數(shù)預(yù)測(cè)模型。

2)在本文試驗(yàn)操作參數(shù)范圍內(nèi)，模型預(yù)測(cè)值的平均相對(duì)誤差為7.51%，可用于指導(dǎo)螺旋推進(jìn)式脫附爐的設(shè)計(jì)。模型精度的提高有賴(lài)于對(duì)物料及脫附氣熱力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)定。

3)對(duì)于低填充率、低擾動(dòng)螺旋推進(jìn)式脫附爐，覆蓋體系傳熱是熱量主要傳遞途徑，在本文試驗(yàn)操作參數(shù)范圍內(nèi)，供能占比為65%以上，降低填充率、減小螺旋直徑和增大攪拌強(qiáng)度有助于提高整體傳熱性能。