中囤下程热物理学会 传热传质学 筢I 一届学术台泌编号：0 5 3 3 7 8 污泥干燥过程中裂纹的实验研究 高波彭晓峰王晓东 相变与界面传递现象实验室，清华大学热能工程系北京1 0 0 0 8 4 T e l ：( 0 1 0 ) 6 2 7 8 9 7 5 l ，E m a i l ：醚￡盘! @ 靶创：垫i 卫g 虹垦：￡亟丝：￡堕 摘要；奉文出取臼北京尚碑店污水厂的污泥为研究对象，进行封流干燥过程可视化实验研究，重点删 测过程中污泥泥饼裂纹形成、生长结果表明，污泥干燥有其自身的特点，过程中裂纹的发胜相当复 杂，裂纹问存在相互促进和抑制的竞争关系、内部杂质的存在对裂纹也有很大影响 美键饲：污混，干燥，裂纹 1 引言 ‘ 污泥泛指由水与废水处理中产生的固液澎合物，随着环保法规标准提升和各种污拢 产魁日益增加，相关处理要求也越来越高”】污泥因含水率很高，须首先进行脱水口l 污泥土地弃置和卫生填埋中，热干燥是重要的后处理方式，可火大减少体积和重量，杀 灭致病微生物，有效降低处理成本对焚化而言，热干燥就更必不可少 污泥在干燥中会有较大变形( 收缩或开裂) ，干燥特性比通常多孔介质复杂得多， 仍以实验研究为主p J 。
陈⋯等对污泥热干燥进行观测，发现污泥表面产生的裂纹增大于 燥速率陶口1 等定量分析了裂纹面积与干燥速率的关系，以及不同类型裂纹的影响上 述研究中未涉及裂纹生长与竞争规律本文试图通过可视化实验，着重对裂纹在污泥对 流干燥中的发展做初步研究，为今后污泥干燥的理论分析建模提供实验依据 2 实验 2 ．1 实验装置 实验袈置见图j 采用透明试验段，可用c c D 拍摄和视化观察干燥过程中污泥形 貌变化实验数据采集系统主要由J 曲j 历j P y 多通道数据采集仪和各种传感器组成图像 采集由删? 一5 0 靶x c c D 和^ 缸帕x ，H b a r 图像采集长来完成 表l 湿污泥的工业分析( 按燥分析标准) 水分w I 灰分A l 挥发分V l 固定碳F c d 低付萤执量o ⋯l l8 1 ．6 2 ％f 3 3 ．0 8 ％ 【 5 8 ．7 6 ％ I 8 ．1 6 ％1 2 6 l o ．5k J ，k g I 2 ．2 污泥样品 本文以北京高碑店污水处理厂 消化污饼为研究对象，工业分析结 果见表1 污泥热分析( T G A 和D s c ) 表明，挥发分主要在1 5 0 ～5 0 0 ℃析 出。
本文干燥采用的温度为4 ¨7 0 ℃，可以认为只有水分析出 23 实验J + 况 詈验2 粤罂兰嘉：+ ￡二整冀亍 图，实验装置图 燥特性：( 2 ) 局部裂纹观察：( 3 ) ⋯一～Ⅲ 1 4 1 5 预制刻痕裂纹观察；( 4 ) 预制杂质裂纹观察每次都保持流速、温度和相对湿度稳定 风对天平的影响在每次实验前进行校准实际结果表明，风速在±0 ．5 m ／s 以内时，天平 变化在±o0 5 9 内，且随机波动，产生的误差可以接受并『：况参数见表2 表2 释试验T 7 兕参数 空气流速空气温度 相对湿度泥饼厚度泥饼赢径 工况 ( m ／s ) ( ℃1 ( R H ％) ( m 血) ( m m ) l2 ．8 54 1 ．7 2 5 ．8 ％ 8 ．08 7 21 ．7 56 8 ．52 4 ．6 ％9 ．0 8 7 32 ．3 85 4 ．O2 7 ．2 ％ 5 ．O8 7 42 ．9 55 7 ．02 6 ．O ％ 7 ．08 7 52 ．0 95 3 ．65 0 ．O ％7 ．O8 7 626 65 7 ．75 0 ．O ％ 7 ．08 7 O5 01 0 ⋯№ “m e ( m m ) L l m ■( m i n ’ 图2T 况1 、2 的干燥曲线图3 工况l 、2 的3 分钟平均干燥速率 ( b ) 仁1 1m i n ( d ) t = 5 6m i n ( e ) 产7 8m i n( f ) 卢1 2 0m i n( g ) t = 1 6 2m i n ( h ) t 2 1 9 6m i n 图4 丁况2 的污泥连续变形 3 实验结果与讨论 31 污泥整体干燥特性 图2 、3 分别是工况1 、2 的干燥曲线和干燥速度曲线。
可以看出，与吲定骨架多孔 介质有一定区别：( 1 ) 无明显起始阶段，因高含水蒸发预热时间较短造成；( 2 ) 无明显 恒速和第一、第二减速蒸发段，戍是干燥中急剧变形( 收缩和开裂) 共同作f L } j | 结果污 泥干燥过程中随机形变造成干燥速度曲线的波动图4 是I ‘况2 连续变形照片分裂和 1 4 1 6 (石a一{口luou 13≮a—E 收缩虽然同时发生在污泥干燥过程中，但是其作片J 的相对强弱有所不同 ( a ) t = O m i n( b ) t = 5 r n i n( c ) 仁1 0 m i n ( d ) t = 1 5 m i n ( f ) t = 2 5 m i n( g ) F 3 0 m i n( h ) t = 3 5 m i n 圈5 工况3 裂缝的出现、生长 32 局部裂纹观察 图5 是一I ：况3 变形照片裂缝易出现在：a ．表面不均匀和缺陷处，干燥初期就会显 现山来，然后扩大加深；b ．局部含水率较低的地方，这里毛细水分散失较快，内部应力 r 降或消失，被两侧的应力拉开一旦裂开，蒸发面积增大，邻近地区蒸发将更快，产 生裂缝并扩大但不是每个初始小裂缝都会成长，相邻裂缝之间存在一定竞争机制。
( e ) t = 1 2 m i n ( D 卢1 8 m I n ( 曲t = 2 7 m i n 图7 工况5 刻痕局部裂纹发展 33 预制裂纹观察 J 一况4 、5 在泥饼表面预制了一些刻痕，清晰看出裂纹之间的作用非常复杂，竞争 抑制与相互促进共存一些较大缺陷产生更易干燥的初始小裂缝，成长扩大直至遇到其 它裂缝或边，邻近一些小裂缝却一直维持初始状态不变甚至缩小 幽6 、7 分别为j 况4 、5 的照片白圈标出初始小裂纹始终没有K 人，可解释为大 1 4 1 7 裂纹对其生K 的抑制人裂缝一定程度缓解了附近表层干燥应力，抑制附近裂缝的生K = ， 使周嗣小裂缝火去成长机会红圈标出受刻痕影H 自不断氏大的小裂纹，它们的共同特点 是和预制裂纹产生了相交观察发现，起始阶段与其他裂纹一样缓慢生长，大裂纹边缘 碰到小裂纹的“头”，使其与大裂纹相通，大裂纹对它的抑制作用消失，进入促进其生 K 的阶段初始细微裂纹受大裂纹比较复杂影响，可能与裂纹尺寸和间距有关 3 ．4 预制杂质裂纹观察 I ．况6 在泥饼中加入真径约2 m m 的玻璃珠，模拟杂质对裂纹形成影响，见图8 白圈为玻璃珠所在，距表面深度1 ．5 m m 。
裂纹易在玻璃珠周围形成并长大，此处，污泥 } 勺应力突变和集中，迅速产生裂纹；接触面上热质传递性质变化影响到泥饼形态的变化 ( a ) t _ 0 m i n ( b ) t = 3 m i n( c ) 卢6 m i n( d ) t = 9 m i n ( e ) t = 1 2 m i n( f ) 仁1 8 m i l l( g ) 产2 7 m i n( h ) t = 3 5 m i n 图8 工况6 杂质局韶裂纹发展 4 结束语 本文通过对污泥干燥的可视化实验结果的分析和讨论，得到以下结论： 1 )污泥干燥曲线没有起始段，也没有明显的恒速段和降速段干燥速度波动较大 2 )污泥表面裂缝源于毛细应力不均，易于在有缺陷处和局部含水率较低处产生 3 )初始裂纹之间作用复杂，存在着相互竞争和促进，有一定的规律 4 )污泥成分复杂，杂质对裂纹形成具有很大影响，周围局部几乎起到决定性作用 致谢 本研究由国家自然科学基金重点项目支持( N o ．5 0 1 3 6 0 2 0 ) 参考文献 1 ． 彭晓峰，陶涛，陈剑波，朱敬平，李笃中，国际污泥研究现状初探，自然杂志，第2 4 卷，第4 期，2 0 0 2 年4 月．口1 9 卜1 9 4 2 ． 李爱明，曲艳| 9 l i ，陈满堂，李润东，污水污泥干燥特性的实验研究，燃烧科学与技术，第9 卷， 第5 期，2 0 0 3 年1 0 月，p 4 0 4 —4 0 8 3V a x e k a i rJ ，e ta 1 ．T h e r m a lD r y i n go fR e s i d u a lS 1 u d g e ，w a t e rR e s e a r c h ， 2 0 0 0 ，V 0 1 ．3 4 ， N o ，1 7 ，p 4 3 2 8 —4 3 2 3 4 C h e n ，J ．8 ．．P e n g ．XF ：T a o ，T ．：D ．J ．L e eT h e r m a lD r y i n go f №s t e w a t e rS l u d g ew n h C r a c kF o r m a t i o n ，W a t e rS c i e n c ea n dT e c h n 0 1 0 9 y ． 2 0 0 4 ， V 0 1 ．5 0 ，I s s u e ．9 ，p 1 7 7 —1 8 2 5 ． T a o ．T ．．P e n g ，xF ．L e e ，DJ ．T h e r 皿a lD r y i n go f w a s t e w a t e rS 1 u d g e ：C h a n g ei nD r y i n g ^ r e a0 w i n gT oV o h I m eS h r l n k a g ea n dC r a c kD e v e l O p m e n t ，D r y i n gT e c h n o l o g y ，M a r 2 0 0 5 ，V 0 1 2 3I s s u e3 ， p 6 6 9 —6 8 3 1 4 1 8 。