市政污泥掺混半焦粉成型设备关键参数研究
摘 要：为设计出适合市政污泥掺混半焦粉成型的工业设备，在实验室条件下分别利用压力试验机和对辊成型机进行成型试验，研究成型物料的压缩特性和辊轮转速对市政污泥掺混半焦粉成型效果的影响。结果表明，成型压强为17.5 MPa时，污泥掺混半焦粉成型的压缩比最大，为0.487 8；对辊成型机辊轮转速为8 r/min时，成型时间为0.41 s，成型效果最好；确定了市政污泥掺混半焦粉与辊轮间的摩擦角φ为15.86°，摩擦系数μ为0.28。
关键词：半焦粉；成型设备；辊轮转速；摩擦角
0 引 言
生物质型煤技术是开发利用煤和生物质能的新途径[1-2]，既保证了燃料热值，又充分发挥煤和生物质自身优势，利于克服常规型煤性能的不足。利用污水处理厂的脱水污泥(含水率为80%左右)与煤、生物质或焦炭等助燃物质混合成型，再将成型燃料自然干化或热烘干即可制得生物质型煤燃料[3-6]。这种方法不仅可有效解决污泥处理难题，而且能够满足能源需求和减少对化石燃料的依赖，减少温室气体和SO2排放，达到保护环境的目的。成型燃料制备的关键设备是型煤成型机，其选型以成型原料特性、成型压力及型煤用途等因素为基础。目前已在工业上应用的成型机械包括对辊成型机、冲压式成型机、环式成型机和螺旋式成型机等，其中应用最广泛的是对辊成型机[7]。近年来，我国对辊成型机经过不断研制和改造，各方面性能已有较大进展[8],但现有成型技术在实际应用中也遇到了一些难题：① 成型机对原料性质的适应性不强，很多设备，尤其从国外引进的设备只能适应单一性质的原料，入料性质改变，成型效果变差[9]；② 多采用有黏结剂的低压成型工艺，成型过程中因使用大量黏结剂而使成型成本大为提高[10]；③ 能耗高，有些设备采用热压成型工艺，生产过程中消耗的二次能源甚至高于生物质压块中蕴藏的能量；④ 压辊环模磨损严重，严重制约了成型机的使用寿命。为开展污泥掺混半焦粉成型设备关键参数的研究，林红等[11]首先在实验室利用数显压力试验机进行了单个压球试验。结果表明，以成型原料中半焦粉的量为基准，在污泥(含水80%)添加比例为其20%，黏结剂添加比例为其2%，成型压力35 kN(换算为压强17.50 MPa)条件下，污泥掺混半焦粉成型效果最佳，此时成型物料的水分约为23%。笔者在上述研究的基础上，针对现有对辊成型机实际应用中的优点和不足，进一步探讨污泥掺混半焦粉的成型特性，并利用已有成型公式进行计算，得到了成型机设计的关键参数，为成型机的设计提供了依据。
1 物料理化特性分析
对市政污泥和褐煤半焦粉进行工业分析、元素分析及发热量分析，结果见表1。
由表1可知，市政污泥的水分较高，为74.84%，而褐煤半焦粉的水分只有7.02%,在保证原料总水分的条件下，应尽量提高污泥添加比例，从而加大污泥处理量。市政污泥的发热量在8.50 MJ/kg以上，具有利用价值。半焦粉热值高和水分低的特点，在保证成型物料总水分和热值的前提下，能够增加污泥的添加量和处理量。
表1 市政污泥和半焦粉的工业分析、元素分析及发热量
Table 1 The industry analysis,element analysis and calorific value analysis of civil sludge and semi-coke powder
2 物料压缩特性研究
物料压缩特性是利用物料的相对体积压缩比来衡量，是评价对辊机成型过程性能的主要指标。
物料的压缩过程可分为4个阶段[12]，即松散阶段、过渡阶段、压紧阶段和推移阶段。松散阶段是指在压缩初始时期，物料中的空气和水分在一定程度上被排除，空隙慢慢减小，是以克服物料间空隙为主的压缩成型过程；过渡阶段是大颗粒发生破裂变成小粒子，并填补物料内部空隙的过程；压紧阶段是物料发生塑性变形并基本成型的过程；在推移阶段，物料颗粒的静摩擦力转变为动摩擦力，同时发生应力松弛，使压力急剧下降[13]。
相对体积压缩比是指物料在压缩前后的容积差(即被压缩了的容积)与压缩前的容积之比值[14]，即
式中，V1为物料被压缩之前的体积，cm3；V2为物料被压缩之后的体积，cm3(不考虑膨胀)；ρ1为物料被压缩之前的密度，g/cm3；ρ2为物料被压缩之后的密度，g/cm3(不考虑膨胀)。
实验室的压球试验设备是数显式压力试验机，模具自制，置于压力试验机上下压板之间，压出的型煤为扁球形，球重约60 g，最大直径50 mm。利用市政污泥掺混半焦粉开展一系列压力/压强下的成型试验，研究成型压力/压强与物料相对体积压缩比之间的关系。
试验步骤为：在成型物料的最佳配比(以半焦粉为基准，黏结剂添加比例为其2%、含水80%的污泥添加比例为其20%)条件下，通过将压力试验机设定一系列压力值并换算为压强值进行压球，分别测定成型物料的质量以及压缩前后的体积，从而计算出各种压力/压强下型煤的密度和体积压缩比，并绘制出物料体积压缩比随成型压强的变化关系曲线。试验中的成型压力依次设定为：0、10、20、30、40和50 kN，成型压力作用面积为20.00 cm2，以此作为压力/压强换算的依据。不同成型压力/压强下测得的物料特性见表2。
物料体积压缩比与成型压力之间的关系如图1所示。
由表2可知，物料的体积压缩比呈现先增大后减小的趋势，成型压强为17.50 MPa时达到最大，说明随着成型压强增大，型煤密度先增大后减小。出现这种现象的原因是成型压强太大时会导致型煤出现压溃现象，体积膨胀导致密度变小。所以，成型压强为17.50 MPa时，型煤内部结构最为致密，型煤密度最大，为污泥掺混半焦粉成型的最佳压强，这是成型机成型压力设计的重要依据。
表2 物料压缩特性试验结果
Table 2 Test results of the material compression feature
图1 物料体积压缩比与成型压力之间的关系
Fig.1 Relationship between the material volume compression ratio and molding pressure
3 连续成型过程的计算及分析
进行连续成型试验的设备是市售对辊成型机，最大处理量为1 t/h，可通过辊轮转速实现处理量可调，对辊成型机转速的可调范围为0～17 r/min；辊间压力约为0.2 t/cm，为一定值。成型原料及配比与压球试验相同。连续成型试验主要通过调节对辊轮的转速检验成型效果，其中，成型机转速选取3、5、8、12和17 r/min五个水平，成型效果用湿球落下强度和干球冷压强度2个指标来衡量。不同辊轮转速下型煤的性能测试结果见表3。
由表3可知，随着成型机辊轮转速变大，湿球密度和干球密度均呈减小趋势。湿球落下强度和干球冷压强度随辊轮转速的变化如图2所示。
由图2可知，辊转速为8 r/min时，湿球落下强度和干球冷压强度均出现了峰值，且随着转速增加，两者均呈现先增大后减小的趋势，说明市政污泥掺混半焦粉成型有合适的成型时间，成型时间太长或太短都不利于提高型煤强度，而且成型时间与成型机辊轮转速对应。因此，市政污泥掺混半焦粉的最佳成型时间可由成型机辊轮转速为8 r/min计算得到。
表3 不同辊轮转速下型煤性能测试结果
Table 3 The test results of briquette performance under different roller wheel speeds
图2 辊轮转速对湿球落下强度和干球冷压强度的影响
Fig.2 The influence of roller speed on shatter strength of green pellet and compression strength of dry coal
根据上述最佳工况可以确定湿/干球的密度分别为：ρ2=1.23 g/cm3，ρ3=0.91 g/cm3；通过表2又可得到物料压缩前的密度ρ1=0.63 g/cm3，代入式(1)即可计算物料的最佳相对压缩比ε=0.48。
3.1 最佳成球时间的计算
连续成型试验确定了市政污泥掺混半焦粉的最佳成型时间为辊轮转速8 r/min时对应的成型时间，此时成型效果最佳。根据辊轮转速利用式(2)计算型煤的最佳成型时间
式中，n为成型机辊轮转速，为8 r/min；b为成型机模窝宽度，为5.00 cm；D为成型机辊轮直径，为28.80 cm。
将相关数据代入式(2)可得到物料的最佳成型时间为0.41 s。
3.2 摩擦角的计算
带状材料的压制过程为连续压制，而对辊成型机咬合物料是逐个进行的。由于成型机的每个辊轮面上都是半模窝，每对相对应的模窝在辊面上咬入物料的过程中，由于球模上边沿距离比下边沿大很多，所以模窝上边沿要比模窝下边沿晚到达咬入角的对应点，当模窝下边沿到达咬入角的对应点时，模窝中下部的物料仍然被推向上部，物料还没有被完全咬合。只有当相对应的2只半模窝完全重合组成一副完整的球模时，才能使咬入的松散物料受压成球。
假定模窝底面中心径向线与两辊轮中心连线成角φ(φ为摩擦角)时开始对物料加压(图3)，则在成型过程中压缩比ε满足下式
ε=
=
式中，R为对辊成型机辊轮半径，为14.40 cm；F为对辊模窝开口处面积，为24.63 cm2；VQ为两对应模窝合起来的容积，为52.00 cm3；Δ为两个辊轮的间隙，为0.10 cm。
图3 压缩比计算简图
Fig.3 The calculation diagram of compression ratio
利用最佳成型条件下计算得到的相对体积压缩比值及式(3)，计算得到摩擦角φ为15.86°，摩擦系数μ(tan φ)为0.28。
4 结 论
1)成型压强为17.5 MPa时，污泥掺混半焦粉成型的压缩比最大，为0.487 8；对辊成型机辊轮转速为8 r/min时，成型时间为0.41 s，成型效果最好。成型时间是保证型煤强度的重要因素，是设计成型机辊轮直径和转速的重要依据。
2)确定了市政污泥掺混半焦粉与辊轮间的摩擦角φ为15.86°，摩擦系数μ为0.28。
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Key parameters of briquetting equipment for civil sludge mixed with semi-coke powder
Abstract:In order to design a suitable industrial equipment which could realize large-scale production of civil sludge mixed with semi-coke powder,the briquetting test was conducted using a pressure testing machine and a roll-type forming machine under laboratory conditions.The influence of compression characteristics of material and roller speed on the strength of briquette was investigated.The results showed that when the briquetting pressure was 17.5 MPa,the compression ratio of civil sludge mixed with semi-coal powder molding reached the maximum of 0.487 8.When the roller wheel speed of briquetting machine was 8 r/min,and the rolling time was 0.41 s，the shaping effect was the best.The friction angle between the materialand the roller was 15.86°,frictional factor was 0.28.
Key words:semi-coke powder;briquetting equipment;roller speed;frictional angle
中图分类号：X703
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)02-0014-04
收稿日期：2015-09-15；责任编辑白娅娜
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.02.004
基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA063506)
引用格式：林 红，张旭辉，滕济林,等.市政污泥掺混半焦粉成型设备关键参数研究[J].洁净煤技术，2016，22(2)：14-17,22.
LIN Hong,ZHANG Xuhui,TENG Jilin,et al.Key parameters of briquetting equipment for civil sludge mixed with semi-coke powder[J].Clean Coal Technology，2016，22(2)：14-17,22.
