污泥流化床干燥技术的基本概念

（1）流化现象

在一个干燥设备中，将颗粒物料堆放在分布板上，气体由设备下部通入床层，当气流速度增大到某种程度时，固体颗粒在床层内就会出现沸腾状态，这种床层就称为流化床，而采用这种方法完成的干燥过程称为流化床干燥。根据床层的几何尺寸、固体颗粒物料特性以及气流速度等因素的不同，流化可存在三种阶段。

1）第一阶段——固定床

当流体速度较低时，在床层中的固体颗粒虽与流体相接触，但颗粒间的相对位置不发生变化，这时固体颗粒的状态称为固定床。若对流体通过床层的总压力损失ΔP测定，对流体空塔速度v0（v0为体积流量除以空床横截面积）在双对数坐标纸上进行标绘，则ΔP和v0之间的关系如图1所示的AB段那样，ΔP随v0上升，成一倾斜直线的关系。

2）第二阶段——流化床

当处于固定床阶段的流体流速继续增加，达到B点并超过B点以后，各固体颗粒之间就会产生位置移动，若流体速度还继续增加，而床层的压力损失保持不变，固体颗粒在床层中就会发生不规则运动，此时床层就处于流态化，即为流化床。固体颗粒运动的剧烈程度随着流体流速的增加而增加，在流速的一定范围内，固体颗粒仍停留在床层内而不被流体所带走。如图2所示它是不定型的，能随着容器的形状而改变，具有液体的流动性。在固体颗粒物料的特性、床层的几何尺寸和流速一定时，则该系统有确定的性质，如密度、导热性、比热容和黏度。而随流速的增大，床层的高度和空隙率也随之增大，但流体通过床层的压力损失ΔP的大小却与床层中固体颗粒的质量保持相当，基本上不随流速的增大而发生变化，这时在床层中能保持一个能见到的固体颗粒界面。

固体颗粒在床层中开始蠕动，刚刚出现流化的一点（即图2中的B点）称为临界流化点。而B点是ΔP和v0关系的转折点，若再提高流速，其压力损失基本上保持一定值ΔPmf，直到C点。

若从流化状态开始降低流体流速，直到D点，床层就会转变为固定床。D点和B点的差别甚小，这是由于经过流态化后，固体颗粒重新排列而较为疏松。若继续降低流体流速，则遵循DE线的关系而变化。故通常把对应于D点的流速称为临界流速vmf。从工程上应用方便起见，可认为D点同B点是重合的。而DC是相当宽的流速范围，在这一范围内，固体颗粒在床层总是保持着流化状态，当然，流体与固体颗粒运动的剧烈程度是随流速的大小而不同。流化床与固定床阶段相比，床层明显地膨胀。常以空隙率ε表示床层膨胀程度。

3）第三阶段——气流输送

在流化床内，若流速超过了图2中的C点，即流体流速大于固体颗粒的沉降速度v，此时固体颗粒就会被气流带出容器，而不能继续停留在容器内，这就是第三阶段——气流输送。从分布板上方直到流体出口处，整个容器充满着固体颗粒，它们相互间的碰撞和摩擦较小，而是以一个向上的净速度运动。床层也失去了界面，而床层的迅速下降，ε增大，床层内的固体颗粒密度降低，此状态也称为稀相流化床。

（2）散式流态化和聚式流态化

1）散式流态化

较理想的流态化表现为固体颗粒在床层内均匀分散、平稳沸腾。此类流态化在液-固系统中常见，在气-固系统中，当流速超过临界流速vmf或接近沉降速度vt时，同样也会出现散式流态化。图2为散式流化床。

2）聚式流态化

固体颗粒不以单个的形式出现，而以颗粒团形式出现，识别不出颗粒的平均自由行程，此为聚式流化床。这时流体常以气泡的形式通过床层并上升，气泡在上升过程中慢慢长大、合并或有少数破裂现象，最后到达床层界面时会发生破裂，床层压力损失波动，从外观上看床层好像沸腾的液体。当在气泡中夹带有少量固体颗粒时，称为气泡相，气泡相中平均含有0.2%～1%的固体颗粒。而当气泡周围存在大量固体颗粒时，则称为乳化相。

气泡相和乳化相组成不均匀的聚式流化床（图3）。一般，固体颗粒和流体密度相差较大的流化系统多趋于聚式流态化；反之，固体颗粒和流体密度相差较小的流化系统多趋于散式流态化。在流化床干燥机中，由于干燥介质的流体密度较小（如热空气、烟道气、惰性气体），其固体颗粒密度和流体密度相差较大，故在流化床干燥中所遇到的流化状态大都是聚式流态化。

（3）聚式流化床中常见的几种不正常现象

1）沟流

在流体通入固定床层时，由于各种原因导致流体在床层中分布不均匀，在床层的局部地方产生了短路，使相当多的流体通过短路流过床层，此时即使通过床层的气流速度大于临界速度，床层却也不会发生流化，见图4。在流化床干燥机中若产生沟流，会使干燥介质与被干燥的污泥接触不良，从而降低干燥效率。若要使其发生流化，流体流速就必须比临界速度大很多，才能使料层“开锁”。此“开锁”点即为图5中的K点，此时床层开始沸腾流化，床层压力突然下降，即由K点降到C点。此后压力损失可能随着流速的增加而出现回升，但达不到理论的压力损失值。

产生沟流的原因一般有：a.物料潮湿，易结块，在床层中料层厚薄不均匀，从而在床层薄、结块少的局部产生沟槽；b.料层颗粒度的分布不均，其中细小颗粒含量过高，且流体流速较低；c.由于气体分布板设计不合理或孔板上的开孔数较少，故气体分布不均匀。

欲消除沟流现象，一般必须增加流速或改善分布板设计，而且污泥不能太湿，必要时可在床层内加设搅拌装置。在工艺操作上，可以采用先送气后加料的方式。

2）腾涌

在流化床内固体颗粒大小分布不均匀、气体通过分布板不均匀、流化床的高度与直径比值较大等因素，会使床层内的气泡汇合长大，直至气泡直径大到接近于床层内径时，由于气速较大，固体颗粒在床内就会形成活塞状向上运动，当气泡在密相界面上破裂时，颗粒会被向上抛出很高，小颗粒被气流所夹带，然后较大的颗粒纷纷落下，如此往复循环，就会使固体颗粒与干燥介质流体接触不良，干燥效率降低，这种现象即称为腾涌，见图6。

在流化床干燥中，腾涌会使床层受到较大的冲击，从而损坏床内构件。而且腾涌常会使污泥固体颗粒加剧磨损，大量的污泥细粉被气流带出，需要避免腾涌现象的产生。而要避免腾涌现象，可将流化床干燥机的高度适当地加高，直径适当地加大，并且使H/L<1，必要时可在床层内加设挡板或挡网等内部构件，以破坏腾涌的产生。

（4）流化质量

在气-固两相的流化床干燥机中如图 7所示，流化质量的好坏可从以下几个方面进行鉴别。

① 流化质量好时，床层压力损失波动一般小于±3%。若压力损失波动超过±10%，则是不正常流化。

② 流化质量好时，床层温度（轴向、径向）分布均匀，温差一般小于2℃。

③ 用听音棒沿热电偶保护管听床层内流体及固体颗粒流动的声音或用仪器测定起泡频率，频率高者说明气泡小，流化均匀。当流化很差时，设备和支架会出现明显的振动。

在通常情况下，当流化床中流体空床流速超过临界流速不太大时，床层内可产生较为剧烈的搅动，此时气、固两相就可以进行良好的接触，故流化速度一般不宜过大。此外，为了改善流化质量，还可通过选取较宽的固体颗粒粒度范围和较低的床层来实现。

（5）流化床干燥特点

① 温度分布均匀，由于流化床内温度均一避免了局部过热，并能自由调节，故可得到均匀的干燥产品。

② 传递效果好，由于与物料的接触面积大同时物料不停搅拌，热传递迅速，所以处理能力大。

③ 停留时间可调节，由于滞留时间可在几分钟到几小时范围内任意选定，可以按需调节，控制物料的含水率。

④ 处理容易，因流化床具有相似于液体的状态和作用，所以处理容易，物料输送简单。

⑤ 设备结构简单，便于制造和维修，并易于根据工程实际进行放大。

⑥ 在同一设备内，既可进行连续生产操作，又可进行间歇生产操作。