热风对流干燥过程中城市生活污泥薄层传热传质特性

摘要

随着人类社会经济的发展、城镇化进程的加快，城市生活污泥产量日益增加，污泥处理已成为人们关注的环境问题之一。作为污泥处理和再利用的重要环节，污泥干化可以缩减污泥的体积，提高其热值，降低其有害微生物的含量。深入开展相关因素对污泥薄层传热传质热性影响规律的研究具有重要的学术意义和工程应用意义。本文通过在自行搭建的薄层干燥实验台上进行城市生活污泥薄层对流干燥实验，基于传热传质理论，研究温度、风速和薄层厚度等因素对污泥薄层传热传质特性的影响规律，并运用神经网络模型建立干燥条件与薄层水分比和平均温度之间的关系。
　　对样品湿分迁移动力学特性的研究结果表明，SS1（干基含水率为95±5％）污泥薄层湿分迁移过程呈现升速段、极短恒速段和降速阶段;SS2（干基含水率为505±10％）污泥薄层湿分迁移过程呈现升速段、较长的恒速断和较短的降速段。在本文的实验工况下，对于SS1污泥样品，第一降速段和第二降速段有效湿分扩散系数分别为7.46×10-9～2.47×10-8m2/s和1.76×10-8～4.61×10-8m2/s，表观活化能分别为16.84～18.53kJ/mol和12.29～15.73kJ/mol。对于SS2污泥样品，第一降速段和第二降速段有效湿分扩散系数分别为4.92×10-9～3.53×10-8m2/s和1.22×10-8～2.17×10-7m2/s，表观活化能分别为16.20～30.33kJ/mol和22.96～23.54kJ/mol。温度、风速和薄层厚度均对有效湿分扩散系数有显著性影响。对于SS1和SS2污泥样品，Modified Page模型均能够很好地反映出水分比随时间的变化规律。
　　对于SS1污泥薄层传热特性研究结果表明，风速从0.6m/s升至2.0m/s时，热风温度从100℃升到160℃，对应的化学平衡温度提升了52％～55％。第一降速段的平均表面传热系数是第二降速段的3～4倍。风速和温度对传热系数的影响随着水分比的减小而减弱。得到了污泥薄层处于第一降速段的无量纲传热准则关系式。
　　运用神经网络模型，建立对应工况下薄层水分比以及温度的预测模型。结果表明，BP模型预测污泥薄层水分比的精度高于GRNN模型。两种模型对于平均温度的预测精度与工况有关。

目录

声明

致谢

摘要

物理量符号表

1 绪论

1．1 背景与意义

1．2 研究现状

1．2．1 多孔介质薄层湿分迁移动力学

1．2．2 多孔介质干燥过程传热特性

1．2．3 神经网络模型预测湿分迁移过程

1．2．4 现状小结

1．3 本文研究内容

2 实验方案设计

2．1 实验样品

2．2 实验系统设计

2．3 实验原理和实验工况

2．3．1 实验原理

2．3．2 实验工况

2．4 实验数据处理

2．5 重复性实验及不确定度分析

2．5．1 重复性实验

2．5．2 不确定度分析

2．6 本章小结

3 城市生活污泥湿分迁移特性

3．1 水分比和湿分迁移速率的变化规律

3．1．1 温度的影响

3．1．2 风速的影响

3．1．3 薄层厚度的影响

3．1．4 SS1和SS2样品的比较

3．2 薄层温度的变化规律

3．3 薄层干燥模型

3．4 本章小结

4 城市生活污泥薄层湿分迁移动力学特性

4．1 湿分迁移动力学理论

4．2 计算结果与分析

4．2．1 有效湿分扩散系数

4．2．2 表观活化能

4．3 本章小结

5 城市生活污泥薄层传热特性

5．1 传热特性计算依据

5．2 表面传热系数

5．2．1 温度的影响

5．2．2 风速的影响

5．2．3 无重复双因素方差分析

5．3 传热准则关联式

5．4 本章小结

6 神经网络预测污泥薄层传热传质特性

6．1 神经网络模型

6．1．1 BP神经网络模型

6．1．2 广义回归神经网络模型

6．1．3 模型评估参数

6．2 预测结果分析

6．2．1 BP模型

6．2．2 GRNN模型

6．2．3 两种模型的对比

6．2．4 BP模型与薄层模型的对比

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历

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