疏浚淤泥微波脱水处理研究 70页

'河海大学硕士学位论文添加的辅助材料与水泥之间相互作用机理复杂，给研究带来困难，阻碍了其应用推广。尤其对于大量的疏浚淤泥的处理，这些新型固化材料并不适用。因此，疏浚淤泥的处理问题已成为制约沿海地区海岸工程建设的重要因素，同时对改善人类生活环境起到深远意义。表1．1国外疏浚承包商近年项目概览国家港口或水道工程简述大致施：f期项目总值承包商西班牙巴伦西亚港阿联酋迪拜港西班牙德国阿联酋韦尔瓦河不来梅港迪拜卡塔尔莱凡角阿根廷巴拉那河下游卜荷兰鹿特丹港港池疏浚、航道加2006年开始8000万欧元扬德诺深至．21m．及陆域吹填5∞万1l’U集装2006年开始5亿美元扬德诺箱码头二期工程：修筑防波堤、码头，疏浚3000m并进行陆域回填维护性疏浚2003—2008843．9万欧元扬德诺集装箱码头四期200卜2009范奥德工程Deifa棕榈岛：目2006—2014范奥德前世界最大的陆地填筑工程，填方量为海沙10亿m3、石料0．4亿m3建设巨型ⅢG码2006—200920亿美元伯斯克莱斯头，挖方2000m3与扬德诺合石灰石、2500o包海沙，用于新码头的陆地填筑自巴拉那至拉普1995—20131．4亿欧元扬德诺、伯斯拉塔的航道疏浚克莱斯、德及维护米、美国大湖等马斯港区二期大2006年开始10亿欧元伯斯克莱斯规模扩建工程疏与范奥德联浚部分盟，国际疏浚公司与扬德诺联盟等2 第一章概述1．2微波加热原理及特点微波是一种波长在1mm一1m之间，频率范围介于300MHz一300GHz的电磁波∞1。图1．1给出了微波的波段范围。从图中看出，各波段范围对应的作用是不一样的，医学、照明、加热、广播、通讯等都有应用。率厂10—710。610’510。410。310五10一11101102103波长入(m)紫外线辐射可见光红外线辐射微波无线电波图1．1电磁波谱考虑到便于微波器件和设备的标准化，以及避免使用频率太多造成对雷达和微波通信的干扰。各国在使用微波加热时，对微波加热使用的频率都作了明确规定，供工业、科学及医学等专用频率，我国常用工业加热微波频率为：915MHz和2450MHz。1．2．1微波加热原理微波技术在通信、广播、电视领域中得到了广泛的应用，而在非通讯领域中的应用却比较晚，在使用微波的过程中，人们发现微波会引起热效应，于是在全世界范围内开始了对微波加热技术的应用研究。1945年，美国人SpenCcr申请了微波加热技术的第一个专利n1。至今已有几十年的应用历史，在加热领域已开展了不少应用。对其加热原理也做了相关研究，但至今未能有统一的结论，下面对微波加热原理加以阐述：分子极化与旋转叩1：按照物质的电结构，可将电介质分为无极分子电介质和有极分子电介质两类。若介质处于电场中，它的分子就受到外加电场作用。这样，无极分子形成位移极化(见图1．2)。有极分子形成取向极化(图1．3)。如果外电场随着时间改变方向，介质中的电偶极子也要随之改变方向。由于偶极子不是球3 河海大学硕士学位论文形，它不能自由旋转，这样分子之间就发生摩擦，把电场给予的能量转变成热能，因而介质温度升高。／e、、(④)U辱笑国E(a)(b)(c)图1．2无极分子的位移极化(a)没有外电场时，无极分子显电中性；(b)外电场使无极分子位移极化；(c)偶极子沿外电场取向。图翟E避E(a)(b)(c)图1．3有极分子的取向极化(a)没有外电场时，分子若运动使分子偶极子捧列紊乱；(b)外电场使分子偶极子转动；(c)大量分子偶极子趋向于外电场方向排列。可见，微波加热是介质材料自身损耗电场能量而发热。水是强极性分子，在微波场作用下将产生强的取向极化，与此还将产生位移极化。极化的结果将微波场的能量转化成水分子的势能，这一势能意味着将从微波场获得的能量储存起来。由于水分子转向极化运动相对于外电场的变化有一时间上的滞后，这一现象表现出的宏观效果是使水分子产生损耗。水分子是一种极性很强的偶极子，在外电场作用下，如果不是水，而是其它物质，则在相同的条件下产生的热量也就不同。一般水的极化程度大于其它物质，则在相同的条件下，水产生的热量也就最大。1．2．2微波加热特点(1)加热速度快与普通方法相比，热量不必以热传导的形式从表面向物料内部传递，而是直接将能量作用于整个物料，在物料内部瞬时转化为热量，大大缩短了加热时间，而很多物料本身是热的不良导体，用普通干燥方法，加热速度缓慢。(2)均匀整体加热微波加热温度均匀，里外一致，对形状复杂且临界含水量分布不均匀的物料，4 第一章概述可以进行较均匀的干燥，使干燥后物料的平衡含水量分布均匀，达到干燥要求。(3)节能高效微波加热时，被加热物料一般都是放在用金属制成的加热室内，加热室对电磁波来说是个封闭的腔体，电磁波不会外泄，微波加热设备本身不耗热，热能绝大部分都会作用在物料上，热效率很高，所以节约能源；同时工作场所的环境温度也不会因此而升高，生产环境明显改善∞1。与常规电加热方式相比，它一般可以节电30％～50％‘103。(4)清洁卫生常规干燥一般采用煤炭燃料作为能源，其燃烧产生的二氧化碳是产生“温室效应"的主要成分。而微波干燥利用电能转化为热能，对环境没有污染。微波使用安全，寿命长，只要采用一系列保护措施，满足一定技术规范和卫生标准，就可防止或消除微波的危害性，使设备和人员的安全得到保证。(5)就地加热由于微波设备易于组装，且设备尺寸不大，占地面积不多，因此，宜根据生产需要，进行场地组装，就地加热物料，减少物料的运输成本。(6)易于控制微波功率的控制是由开关或旋钮调节的，即开即用，功率连续可调。可以达到快速加热，便于连续生产和实现自动化控制，从而提高了能源利用率，节省了投资。(7)瞬时性微波对物料是瞬时加热升温，能耗也很低。同时，随着微波控制开关的关闭，对物料的热量输送也停止，因此，不存在“余热"现象n¨，为利用微波对物料实现自动控制和连续化生产带来方便。(8)选择性加热因为水分子对微波的吸收损耗最大，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于含水量较低的部位。因此，可利用这一特点对水分分布不均匀的湿物料采用选5 河海大学硕士学位论文择加热，而不至于使物料中的干物质过热受到损坏，缩短物料干燥时间，这对物料的干燥过程是有利的。(9)安全无害微波在加热过程中不会产生烟尘和有害气体，噪声小，既不污染物料，也不污染环境。通常，微波是在金属制成的封闭加热室和波导管中工作的，所以能量泄漏很小，大大低于国家标准，十分安全可靠n21。微波加热的一个最大缺点是经常会出现局部过度加热现象。对目前应用较多的食品、药品微波干燥来说，局部温度会超过100℃，从而导致食品、药品等热敏性物料的品质变坏，营养风味的损失等n羽。因此这就会给某些物料利用微波能进行干燥应用带来不利的一面。1．2．3微波加热技术的应用微波加热在工程当中的应用已有悠久的历史，人们最早利用微波，就是其在通讯领域的作用，而在非通讯领域中的应用却比较晚，微波加热干燥起始于40年代，在60年代得到迅速发展，微波加热技术最初主要应用于低温，逐渐人们将微波加热从低温向高温领域拓展。微波在工程应用领域如图1．4所示：膨化烘干脱腥保鲜农产品(干燥以便储存)茶叶工业(干燥)l焙烧6 第一章概述1．3淤泥脱水技术研究现状及进展7 河海大学硕士学位论文经过几十年的发展，污染干化技术的优点正逐渐显现出来n引。20世纪90年代以来，运用污泥干化技术处理城市污泥得到迅速发展n6l。干化是一种利用热能将污泥中水分快速蒸发的处理工艺，根据热能的来源和加热方式的不同可分为流化干燥、间壁干燥、过热蒸汽干燥、红外辐射干燥、对撞流干燥等。中国目前还没有污泥干化厂建成运行，现在国外常见的干化工艺有流化床干化、盘式干化、转鼓干化n7】o3)、流化床焚烧技术20世纪60年代，美国开始污泥的焚烧研究，1962年，美国LynllwoWashin舀∞建成了世界上第一台焚烧污泥的流化床锅炉，目前污泥焚烧在德国、日本、奥地利、丹麦、比利时、法国、荷兰、瑞士等国已成为污泥处理的主要手段。中国仅浙江大学、清华大学等开展了污泥焚烧处理研究n71。以焚烧为核心的处理方法是最彻底的污泥处理方法，它能使有机物全部碳化，杀死病原体，可最大限度地减少污泥体积，而且占地面积小，自动化水平高，不受外界条件影响n引；但由于污泥焚烧需要耗费大量重油，处理设施投资大，处理费用高，有机物焚烧还会产生二噫英等有害气体需进一步处理等问题制约了污泥焚烧技术应用。4)、太阳能干燥技术太阳能干燥技术则具有节能、运行费用低、对环境无污染等优点。太阳能干燥污泥在国外已见到报道，如德国的辐射式干燥器(平均干燥速率为0．48～O．55k∥(h。m)。在国内利用太阳能干燥污泥的研究较少，天津大学和天津市纪庄子污水处理厂联合进行了利用太阳能干燥技术对污泥进行脱水试验n9I。二、改变污泥颗粒结构，破坏菌胶团表面有机质疏水膜1)、机械脱水技术污泥机械脱水是目前世界各国作为污泥减量化方法最普遍的一种。主要的脱水机械有带式脱水机、离心脱水机、板框脱水机、螺压脱水机、滚压脱水机、真空过滤机等。真空过滤机已逐渐被淘汰。近年来，转筒离心机和带式压滤机由于其优点显著发展迅速。在我国应用较多的是带式压滤机，其次是转筒离心机及自8 第一章概述动板框压滤机例。在污泥处理第一个工序常采用机械脱水，由于污泥性质等复杂原因，机械脱水只能将污泥脱至含水率70％～85％之间。对污泥进一步降低其含水率需采用其他有效的脱水技术。2)、超声波脱水技术利用超声波处理早在在20世纪70年代就有，不过由于没有解决好输入能量过高的问题，影响到该项技术的推广乜¨。超声波(频率在16kHz以上的声波)具有较高的能量，能在水中急剧放电，产生高温和高压等极端条件，能改变构成疏水膜物质的物理和化学性质，破坏菌胶团结构嘧1。因此，利用超声波对污泥进行预处理，可以提高其脱水效率及脱水性能。3)、热水解技术早在1939年热水解就在英国的哈利法克斯工业应用。到20世纪60年代末，全世界大约有30套P0neous污泥处理设施。1954年zimpm工艺在英国工业应用，然而由于热水解带来的臭气、高浓度的水解液、腐蚀以及运行中易堵塞等缺陷，这两种工艺在70年代逐渐被淘汰∞1。从80年代中期起，人们开始在热水解过程中加入辅助药剂来降低热水解温度乜们。90年代中期开发了快速热调节法汹1@apidthe卜maIconditioning，简称砌rIC)。。。在高温条件下，菌胶团表面的微生物和其代谢产物等有机质溶解，包裹在其中的固体颗粒与有机质相脱离，挥发性固体挥发，易分解的有机物分解成二氧化碳、甲烷等气体和挥发性的醇或酸逸出，使污泥的间隙水和毛细管水释放出来，污泥的脱水性能得以改善‘131。三、改变污泥胶粒表面双电层结构1)、电渗析脱水技术电渗析脱水是利用外加直流电场增强物料脱水性能的方法哺1。固体颗粒和液体在电场的作用下作定向运动，在通过多孔固体滤膜时，固体颗粒粒径较大不能通过，而水分子能够通过，从而使固液相分离。固液分离的基本原理依据的是胶粒的双电层理论，在电场中由于胶粒和扩散层所带电荷不同，滑动面产生滑动，胶粒和扩散层相分离，扩散层将液体带走。污泥经电渗析脱水处理后，含水率能降到9 河海大学硕士学位论文35％～45％。目前对此技术原理的研究尚没有一致结论，对电渗析影响因素进行系统优化的研究还未开展瞳71。2)、絮凝脱水技术污泥带负电，加入带正电基团的高分子聚合物，通过压缩污泥胶粒双电层、电荷中和、吸附架桥和网扫捕作用使污泥胶体脱稳，固液相相互分离，同时重力沉降又能进～步降低污泥含水量n71。综上分析，这些技术在城市污泥脱水得到一定程度的应用，然而这些技术并非都适合疏浚淤泥的脱水，疏浚淤泥有其自身的物理力学性质。因此对淤泥脱水国内外采用较多的有自然干燥、机械脱水技术、絮凝脱水技术及电渗析脱水技术，而每项脱水技术都有其各自的特点及脱水程度。1．4微波加热技术应用研究现状及进展1．4．1微波加热技术在淤泥脱水方面应用研究进展微波加热技术因其具有高效快速、均匀、可选择性、穿透性等加热特点而在食品乜町、粮食㈨、茶叶‘驯、木材m1、矿物啪1、药材‘蚓、烟掣341等领域得到广泛应用。然而将该技术应用到淤泥脱水方面研究文献颇少，已有一些研究也处于初级研究阶段。1．4．1．1干燥特性分析王俊口53采用微波加热法对南宁味精厂剩余污泥进行脱水试验，结果表明，经微波加热50s后，污泥的滤速可达到35mm，而采用水浴加热时，温度升高到60℃时滤速才能达到35mL／ll：而且采用微波加热时污泥的温度只要达到70℃就与水浴加热到80℃的过滤效果相接近。刘晓娟啪1得到了油田污水处理中产生的高含水污泥在微波中的升温特性。污泥开始沸腾的温度明显低于水的沸点，且受含水率的影响较大，含水率越高，越接近于水的沸点。当含水率在75％附近不大的范围内变化(增大)时，污泥丌始沸腾的温度变化十分剧烈，从70℃急剧增大。微波作用时间及微波功率对污泥lO 第一章概述含水率的变化关系，表明加大微波功率和加长作用时间都能显著降低污泥的含水率。1．4．1．2脱水影响因素分析Vaitekunas口71探讨了土在微波环境下质量及温度随时间的变化规律，并阐述了干燥效果受微波输入功率、土样类型及土样初始含水率的影响。Idris啪3通过改变微波功率和淤泥量分析了硅酸淤泥的微波干燥特性，提出初始硅酸淤泥量越大，需要的微波加热时间就越长，微波功率越大，干燥时间越短。并得出了使得干燥时间最少时的最大初始硅酸淤泥量和最低微波输入功率分别为10009和800W。邹路易啪1针对活性污泥微波脱水初步研究，利用正交试验研究了微波功率，微波辐照时间，试样重量三个主要因素对污泥微波脱水的共同影响。通过比较极差R得到，对污泥含水率影响最大是微波功率，其次是辐射时间，最后是所用污泥量。但没有针对微波功率，微波辐照时间，试样重量三个主要因素中每一个因素对污泥的脱水情况的影响进行单因素分析。1．4．1．3脱水性能改善Undrothml认为微波对土壤有较好的穿透性，可以促使冻土在一定深度内化冻，为开采冻土下的矿石提供了有利工具。SieIlkiewiCzH¨发现污水淤泥在微波辐射条件下，淤泥的脱水性能得到提高。EwaH21发现微波辐射能改变污水淤泥性质，增强淤泥脱水性能，处理量的增加依赖于淤泥的类型，不同类型的淤泥利用微波处理效果也不一样。田禹H叼将微波辐射用于污水污泥预处理，考察了辐射130s内污泥沉降、过滤脱水性能的变化，分析了微波辐射对污泥结构的破坏过程，表明，污泥结构的破坏是改善污泥脱水性的重要因素，因此，适宜的微波辐射可明显改善污泥结构及脱水性。 河海大学硕士学位论文1．4．1．4脱水经济分析傅大放Ⅲ1通过对污水厂污泥含水率测定及污泥的干燥效果分析，认为对含水率为98％以上的污泥直接用微波进行脱水，在经济上不可行。但是，与热空气干燥法相比，经过机械脱水的污泥用微波进行干燥，含水率由75％降低到50％以下，处理成本并不高。但要注意到，文献中在计算总费用时所采用的电费价格是按1．0元“kw．h)计算的，而现在的电价已大大的减低，南京目前的电价是在O．5元／似w．h)左右，可见便宜了一半；同时，现在的微波加热设备总投资也比以前降低了，这就意味着在处理成本上要降低不少。1．4．2微波加热物料干燥模型研究进展微波加热技术的已得到广泛应用，国内外学者针对特定的物料进行微波干燥不少试验及理论研究，也提出了一些计算模型。1．4．2．1物料微波干燥机理模型研究祝圣远H51在Fick第二扩散定律的基础上建立的微波干燥物料的二维水分扩散方程为警一D等+。等@1，砸缸。却‘、’式中：M一物料内(x，y)处t时刻水分；z一偏离物料中心水平位置；D一水分扩散系数；y一偏离物料中心垂直位置；f一时间；王俊m3研究微波干燥农业物料时，针对球形物料给出的内部水分扩散方程为：警=。f罟+詈警+吖害+詈等)1n2，aflarz，a，．Ia，．z，．a，．Jl、式中：M；厂(，．，f)一物料某层某时刻水分； 第一章概述r·，(厂，f)一物料某层某时刻温度；6一热湿扩散系数；厂一物料某层处半径；f一时间；其余同前。王俊H71在利用微波干燥黄桃，张薇【5】研究微波干燥扇贝柱时也建立了同样的内部质热传递方程。朱艳丽H印在研究微波干燥矿物时，针对球形物料建立的水分扩散方程为：警‰[(等+詈警)埔(害+詈誓)坼(害+手詈)]m3，式中：口m一质交换系数，m2／s。夕m一浓度梯度系数；夕T一热梯度系数；夕p一压力梯度系数；r一球形物料内r处t时刻温度。P一球形物料内r处t时刻气压o，一偏离球形物料内r处位置；f一时间；至于淤泥进行微波脱水处理，在脱水过程中水分受那些驱动力的影响而发生迁移?这些方程是否适合在淤泥微波脱水当中直接应用?等等，这些正是要研究的。1．4．2．2经验、半经验微波干燥数学模型研究微波干燥物料的过程是伴随着复杂的热量和质量传递的过程，它受微波功率、物料质量、物料初始含水率、物料的内部结构及外部结构、温度、湿度、辐射时间等众多因素的影响。许多研究者通过对不同的物料进行了微波脱水试验研究，总结了一些常用的经验、半经验微波干燥数学模型用来定量的描述微波干燥物料的规律。现将一些学者已建立的数学模型汇表1．2如下：13 ——表1．2不同学者建立的微波干燥数学模型—：●——————————————————————————————————二——r一二=二—一善模型名称模型方程文献1his^纭=exp(一幻)2Pagc3ModifiedPage．Hende巧Dn强d4一一Pabis5Log确thmic脚=exp(-幻”)舰一exp(一向)l，^侬=口exp(一幻)艘-口exp(一幻)+c6T№nnmodel懈-口exp(_七。f)+6exp(一七lf)Bmce(1985)‘侧P49e(1945)‘刚啪lileeta1．(1981)嵋¨HendersonandPab域1961)‘蚓1’09nllandPch如蛆(2∞2)‘制Henderson(1974)‘科17㈣∞懈⋯xp(一幻)+(1一口)exp(砌f)Ⅶdizeta1．㈣1)【嘲8wrang柚dsi|lghMR．1+甜+6f2鬻蛆g柚ds‘啦(1978)9懋怒蜘n懈⋯x—c岫))忠高1)【硎柚d立鬈。。h萨懈唧‰上zyI)=叫and以上模型中，脚为水分比，其表达式为～糟@4，M。一肘．r一7以上式中：f—干燥时间；口，七，厅，6，c一待定系数。L—物料半厚度，m；懈一水分比；M．—物料在t时刻的含水量，kg／l【g(干基)；膨。—物料的初始含水量，kg瓜g(干基)；M。一物料的平衡含水量，kg／l(g(干基)。在上表列出的数学模型中，其中尤以L蠢啊is、Page、Henderson锄dPabis三个干燥模型最具代表性，其他模型大多在这三个模型基础上发展起来的。14 第一章概述LcwisH引曾根据Newton冷却定律建立了一种简单地描述水分运动的指数模型。它主要考虑了物料表面边界层对水分运动的阻力，而忽略了内部水分运动的阻力。其表达式为：舰一exp(一向)(1．5)Pabis嘞3曾利用这一模式研究了玉米、小麦、大麦等干燥特性。Henderson锄dPabis‘521根据FiCk第二扩散定律，假定物料中的水分是以液态水的形式从表面向外扩散，在干燥条件一定的情况下，只取扩散方程的前一项，则得到单项扩散模型舰-口exp(一幻)(1．6)W抽g‘别．，Shmf-Eldeen㈨曾分别利用此模型研究了稻谷、小麦、玉米等农作物的干燥特性。Pagc嘲1对klwis模型进行了修正，增加了一项指数参数n，得到Pagc方程朋rR。exp(_缸4)(1．7)W抽g【451、JaiSin曲叩¨、YunfciIj‘621等先后用Pagc方程描述了玉米、花生、鲜草、西洋参等薄层干燥特性，取得了较好的结果。1．4．2．3根据能量守恒建立的物料微波干燥模型研究张薇∞31对片状淮山药微波干燥建立的能量守恒方程为：￡一缸每，一M伸)+』ll仁一L)+刎詈(1．8)式中：Px一单位表面积吸收的微波功率，、Ⅳ／m2；K一给湿系数，lIl／s；L一水的汽化潜热kJ／l(g；万，一沿厚度方向平均饱和水蒸汽浓度，k∥m3；M婀一远离物料表面饱和水蒸汽浓度，k咖3；亍一沿物料厚度方向的平均温度，K；瓦一远离物料表面的空气温度，K；JIl一对流传热系数，w／(cm2·K)；p一物料密度，k咖3；c一物料的比热l【J／(kg·K)；d一物料半厚度，m。 河海大学硕士学位论文范红途m3针对胶体类多孔介质物料提出：西”f)+壶叩一挈+塑产+，，掣(1．9)其中：口一对流换热系数kW／m2·℃；F一湿物料外表面积m2；“一空气温度℃；f一物料温度℃；Q一输入的微波功率kW；p一物料的干基密度kg干／m3；护一湿物料体积m3；co一水的比热kJ／l【g水·℃；H2一湿物料中水的含湿量kg水／kg干；J7一物料吸收微波能平均效率；r一水的汽化潜热ld瓜g。傅大放m1进行污水厂污泥微波处理试验研究时提出：肘一-·f—c·朋伍一五mH(1．10)式中：M一脱去的水量g；p一微波输出功率w；f一加热时间min：c一水的比热l【J／l【g水·℃；肌一物料质量g；死，死一空气温度℃；日一水的汽化潜热U／kg。崔政伟呻51在研究食品微波加工中建立的理论干燥动力学数学模型：L“。一等f(1．11)式中：蜀一为某时刻t时理论计算的含水量％；‰一为物料的初始含水量％；f一加热时间min；Q。bI一是物料吸收的微波能l(_w；胁一物料质量kg；■一水的汽化潜热kJ／kg。PhadungsakRatanadecho呻1针对非饱和多孔物料根据能量守恒建立的一维模犁：昙陆P)r丁】+去盼，c∥+cD，c∥+p，c∥弦】+日，万一Q一罢c-．，动Sllivharc‘671在研究微波干燥玉米时，提出了：cpcp0鲁；V任盯V丁)^由(1．13)这些模型都是建立在对应的物料上，而淤泥具有自身的性质，因此，这些模型不一定能直接用在淤泥微波脱水处理方面。16 第一章概述1．5淤泥脱水研究中存在的问题从上面的分析可知，目前，针对淤泥进行微波脱水技术的研究还存在许多不足之处，有待进一步研究和发展。1)、对淤泥进行微波脱水研究的报道不多，有的一些也是研究污泥的，而疏浚淤泥与污泥是有差别；2)、已有的关于这方面的研究还只是停留在初步试验阶段；3)、已有的研究零散，没有进行系统的研究；4)、对淤泥进行微波脱水的研究深度不够，尽管已有人对淤泥微波干燥特性做了一些试验研究和分析，也已有一些针对不同物料建立微波干燥模型，但由于不同物料有其自身的特性，因此所建立的微波干燥模型有其应用的局限性，是很难直接用在描述淤泥微波脱水模型的，需根据淤泥本身的条件建立起适合于描述淤泥微波脱水过程的模型。1．6本课题研究内容与方法1．6．1研究的目的和意义淤泥不仅含水率高且不易脱水，因此，淤泥的处理一直是一个难以解决但又必须解决的棘手问题，现有的一些常规脱水技术对淤泥脱水处理方面取到了可喜的成绩，但对淤泥的深度脱水还存在不足，见表1．3呻1，一方面，经一些脱水技术处理后淤泥的含水率还是偏高，难以满足工程的需要；另一方面就是有些脱水技术可以使淤泥含水率降到较低，但处理费用过高，也使得实现起来困难。表1．3污泥脱水时不同脱水方法及脱水效果17 河海大学硕士学位论文本研究致力于通过对疏浚淤泥进行微波脱水试验及理论分析研究来解决淤泥的低成本深度脱水问题，为将疏浚淤泥实现微波隧道化流程脱水应用奠定基础，如图1．6～图1．8所示。图1．6疏浚淤泥微波脱水工艺流程设计示意图地一图1．7疏浚淤泥隧道式微波脱水装置示意图图1．8隧道式微波脱水设备实物图通过对淤泥脱水处理，以便将高含水率的废弃淤泥转化为工程用土，使淤泥得到有效的资源化利用。脱水处理后的淤泥可以广泛应用于建筑地基、堤防、港口码头、城市垃圾卫生填埋场中衬垫等工程填土材料如图1．9所示，一般在填筑后一段较短的时期内就可以基本达到设计强度要求。这样一来淤泥得到有效充分利用，给工程建设需要提供了大量土方，降低了建设成本，减少了淤泥堆放场地。取得了良好的技术经济效益，同时由于疏浚淤泥中含有机质较少，在对淤泥进行微波加热脱水过程中产生的二次污染很少，可达到排放标准。因此，又达到保护环境的目的。 第一章概述熬簪篷霪；i；；辩≥麓。7璧i≯髫墓图1．9淤泥经微波脱水处理后的用途1．6．2研究目标及内容魏一。I醴皤；‘麓奠獭鳝㈣瀛罗=溅谶-目标：在实验的基础上，揭示淤泥微波脱水特性。对疏浚淤泥微波脱水过程进行数学描述，并分析淤泥在脱水过程中的脱水机理，具体目标如下：(1)、探讨淤泥微波脱水特性；(2)、建立淤泥微波脱水过程的数学模型；重点分析淤泥在微波加热过程中水分是如何被脱去的，通过前面的分析可知，利用数学手段对淤泥微波脱水过程进行模拟目前还没有，不过已有人在对其他物质应用微波干燥做过该方面的研究，因此，可以通过分析已有的数学模型，加以改进，推导出一个新的能描述淤泥微波脱水过程的数学模型。然后通过试验加以验证其建立的合理性。(3)、建立淤泥微波脱水理论。爱～≮ 河海大学硕士学位论文主要内容：(1)、进行试验设计，选定指标，开展淤泥微波脱水实验并做好数据记录，以便于对实验结果进行后期处理。(2)、分析实验结果，阐述淤泥微波脱水特性、能耗特性、脱水速度曲线、含水率变化曲线：(3)、进行淤泥微波脱水机理分析及研究；(4)、建立淤泥微波脱水过程曲线模型；1．6．3研究技术路线本研究采用室内脱水试验，图表数据分析，理论分析等综合手段进行研究，技术路线如图1．10：图1．10研究技术路线图 第二帝淤泥微波脱水试验研究2．1．1试验取样第二章淤泥微波脱水试验研究2．1试验前准备工作由于本研究主要针对港口、航道、河道及湖泊等清淤时所产生的淤泥进行处理，为降低淤泥在运输，堆放，管理等过程中成本而开展的一项科研研究。本试验取样取自南京秦淮新河清淤时的淤泥，如图2．1。图2．1取白南京秦淮新河清淤时淤泥21 河海大学硕士学位论文2．1．2试样物理性质指标在进行淤泥微波脱水试验前，对淤泥的基本参数进行测定，表2．1中淤泥土样的初始含水率、密度及比重的测定参照《土工试验方法标准》GB厂r50123—1999呻1中相关试验，得到淤泥试样的物理性质如表2．1。表2．1淤泥的主要物理性质指标初始含水率w密度p比重GI孔隙比。瑚1％雷锄亡“．8lsI矾45．581．7071．7841．9262．6542．醪42．6541-56212981．∞62．1．3试验设备与仪器由于河海大学岩土工程实验室没有现成的实验装置，若购买一台隧道式微波系统进行现场实验对本文的研究会起到很大的作用，但考虑到购置一台隧道式微波系统费用较高，从而增加了试验成本，为达到类似的效果，不妨采用家用微波炉等一些设备进行室内试验研究，虽家用微波炉相对隧道式微波系统偏小，但微波炉也是拥有一套完整的微波加热系统的(图2．2)，且额定频率与工业微波加热一致。同时在对物料进行加热过程中，隧道微波加热系统会给传送带一定的速率进行直线方向传送，而家用微波炉内的托盘则是围绕中心以一定的角速度旋转，但由于炉腔内的微波场分布均匀，产生的加热效果差别不大。因此，实验时选用了家用微波炉作为实验仪器是可行的，能起到较好的实验成效。根据试验结果探讨淤泥微波脱水特性及成效情况，从而为下一步进行现场试验及应用奠定基础。图2．2微波加热系统示意图 第二章淤泥微波脱水试验研究本试验主要用到的设备及仪器有：格兰仕微波炉型号：P7023TP—K7额定电压及额定频率：220V50Hz额定输入功率：1180W额定输出功率：700W额定微波频率：2450MHz内腔有效腔体容积：16L输出功率连续可调，共分高火(700w)、中高火(595w)、中火(462w)、中低火(280W)、解冻(259W)、低火(119W)五档位生产单位：佛山市顺德区格兰仕微波炉电器有限公司；MP2002电子天平2009／0．019和电子秤2kg／o．19上海天平仪器厂；DGG．9023AD型电热恒温鼓风干燥箱上海森信实验仪器有限公司；陶瓷杯等。2．1．4试验指标测定(1)试样初始含水率测定：％．坐×100％(2．1)历，wD．一初始含水率；小厂—初始质量；所厂—干质量。由于脱水过程中的含水率测定是通过微波加热来实现的，因此，土样初始含水率若用微波加热来测定则更好，但考虑到土样在微波炉内加热脱水什么时候变成干土样是难以控制的，即朋。测定无标准可依，因此，在试验前对土样初始含水率的测定还是参照《土工试验方法标准》GB厂r50123—1999‘691中含水率试验。(2)淤泥在脱水过程中的含水率：M。盟×100％(2．2)’nt—二_——：×儿JU‘勿l2．2)川5¨乍一t时刻试样含水率；所广t时刻试样质量。试验中，对淤泥在脱水过程中的含水率的测定是通过计算得出的，先由土样的初始含水率反算出被加热土样的朋，值，然后再通过测定加热t时土样的质量23 河海大学硕士学位论文脚，值，最后将这两个值代入式2．2中，则可得出加热t时土样的含水率慨。(3)淤泥脱水率计算：驴；塑×100％(2．3)优0一所。，一脱水率，经计算，与水分比MR的关系式为，+MR=1。朋，值和所，值测定同前。(4)淤泥脱水速率计算：秒．警×100％(2．4)f2一flu一脱水速率；所f厂嘞时质量；肌f厂吃时质量。(5)淤泥脱水过程中温度测定：用于微波场中测温的仪器有：常规热电偶、热电阻温度传感器，热敏电阻一高阻导线组成抗电磁干扰温度传感器，光纤温度传感器，红外测温仪。这些传感器都有其适用范围和特点‘硼(见表2．2)。表2．2各种微波场中测温仪优缺点由于本文的研究目的是为了能应用在淤泥隧道式微波脱水处理，测温仪宜采用非接触式的测温仪表，同时物料在微波场加热过程中，内外是同时升温，内外 第二章淤泥微波脱水试验研究温差不大，因此测出物料表面温度就可，而红外测温仪有这两点优点，因此，可以利用家用微波炉上自带的红外测温度仪对淤泥在微波炉内加热过程中的温度进行测量。2．1．5试验方法(1)土样预处理由于从现场取来的疏浚淤泥中往往会含有小石头等杂物，不利于在微波场中加热，应在试验前将淤泥中的杂物清理了。(2)土样厚度控制为更好地控制试样厚度，对微波能的穿透能力进行计算是有必要的。微波穿透能力就是电磁波穿入到介质内部的本领，电磁波从介质的表面进入并在其内部传播时，由于能量不断被吸收并转化为内能，它所携带的能量就随着深入介质表面的距离。穿透深度可以表示介质对微波能的衰减能量的大小。计算时有三种表示方法，即场强穿透深度D、功率穿透深度D。及半功率穿透深度Dl尼。a)、场强穿透深度D计算‘711肌方啬亿5，式中D一场强的穿透深度，是指场强从材料表面衰减至表面值的1／e(大约37％)时的距离。Ao一微波波长￡，一介质相对介电常数，一般介质的￡，在1到10之间，水的约80左右。tan万一介质损耗角正切b)、功率穿透深度D。计算m1即司岳(2．6)式中De一功率的穿透深度，是指功率从材料表面衰减至表面值的1／e(大约37％)时的距离。 河海大学硕士学位论文半功率穿透深度Dl／2计算‘711％。赤(2．7)式中D1／2一半功率的穿透深度，是指功率从材料表面衰减至表面值的1／2时的距离。在实际应用时，常采用功率穿透深度D。来进行对估算。为保证试验中，淤泥在微波中能被有效地穿透，需对其微波在淤泥中的穿透深度进行计算，这里采用功率穿透深度De公式估算微波穿透淤泥的深度。试验用的微波炉额定频率f为2450MHz，则波长Ao=V／f-3×108／2450／106m≈12．245cm(2．8)室温(20℃～25℃)时，水的介电常数￡，大约为80，而土的介电常数仅为3左右。各种介质的t锄万从O．001到O．5不等，水的t加万≈0．3，对于不同含水率的淤泥t锄万值可以通过0．3w进行估算，实验中使用了含水率分别为45．58％，54．47％，64．81％三种淤泥，则淤泥t觚万值分别约为O．13674、0．16341、O．19443。将以上数据代入功率穿透深度D。公式，将计算结果及试验采用土样高度列表2．2。表2．2微波功率在淤泥中穿透深度估算值试验时选用了内直径7．5锄，内高9．3锄的陶瓷杯。这样试验时3509(本次试验的最大试验量)土样在陶瓷杯内高约5cm，均小于上表中计算出的D。值，则实验中所选用的土样均能在微波的有效穿透深度范围内，从而可以达到均匀干燥脱水的效果。从上面计算过程，可知这种计算出来微波在淤泥中穿透深度的结果是偏保守的。若将功率衰减至0时，上面对于计算结果15．64cm～22．24cm。在实际应用 第一二章淤泥微波脱水试验研究中，若一次加热的土样厚度越厚，脱水成本也会降低。因此，为使脱水效果较好，成本合理，实际应用中可控制淤泥厚度在8cm～13cm。(3)试验过程控制试验时，对初始含水率为45．58％，54．47％，64．81％的淤泥分别按质量1509，2509，3509来取样，加载的微波功率分别选取119W，462W，700w。为避免加热过程中土样出现焦化现象，试验时，采用了对微波功率为119W时，每隔5min测量土样质量和温度一次，并观察土样变化情况，做好记录，留着对试验数据的整理与处理；462W时，每隔2min一次；700W时，每隔1min一次。测量时，停止微波炉工作，将土样从炉腔内取出，快速称其重量变化并记录，同时记下温度值，完后再迅速放入炉内，关好炉门，开启开关进行加热。由于有这一环节必然会造成土样的干燥时间比连续干燥时间要长，试样被加热的温度也有所降低，但因操作及时，时间较短，对测量结果影响不是特别大，可考虑不计。2．2淤泥微波脱水性能试验2．2．1淤泥试样脱水后表观特征试验中，通过对淤泥微波脱水的过程进行仔细的观察，发现在淤泥进行微波加热脱水当中，是经历了土样变热，上表面先出现裂缝，炉腔内出现水蒸汽，随后土样四周与容器壁出现裂缝，脱离开来，水蒸汽在炉腔内弥漫开来，再后来土样顶面变干变白这么一个过程。通过观察脱水后的土样俯视图(图2．3)，看到土样上表面出现从中间向四周发散裂开的裂缝，可见土样在微波加热过程中，先从顶面中间位置处出现一个小裂口，随着微波加热时间的延长，裂缝向四周裂开并裂口逐渐增大。意即在微波加热过程中，土样的顶面中间部位受到内部因汽化产生的气压最大，从而表现出先出现裂口。可见在土样的轴向向上出现迁移。从加热后土样侧视图(图2．4)看到，呈现出许多蜂窝状的孔。而且土样在脱水前后体积上变化不大(通过对脱水后的土样尺寸大致量测计算后得知，脱水后的土样体积为脱水前体积的O．90～0．98倍)，可见微波在加热土样的过程中，对土的构造并没有产生大的破坏，对土样进行加热处理主要是脱去土样孔隙中停27 河海大学硕士学位论文留的那部分水，水被脱去后，保留了土骨架原有大致形状。底部图(图2．5)发现孔隙数量明显少且大小也小了不少。这主要是受到土样自身重力作用，上表面比底面受到外压力小，所以内部水分汽化气流压力会朝着上表面方向走。这与俯视图看到现象是一致的。中间垂直剖开图(图2．6)呈现出不少孔隙，且有的孔隙挺大的，在竖向上，快接近顶面处有个最大的孔隙，说明水分先在这里集聚后再被汽化到土样临空面外，这也与俯视上表面看的裂隙相对应。在径向方向上，越接近土样外壁，孔隙越多，与试验过程中，土样侧围与容器壁脱离出现裂缝相对应。同时说明了淤泥在微波脱水过程中，淤泥中的水分产生了径向迁移，当水蒸汽到达容器壁后，沿着容器壁向上表面挥发。另一方面，顶面孔隙比侧壁孔隙大，说明在顶面被脱去的水分比在侧面脱去的要多，可见在轴线向上方向是脱水的主干路径方向。图2．3淤泥试样脱水后上表面图图2．4淤泥试样脱水后侧面图图2．5淤泥试样脱水后底部图图2．6淤泥脱水后中问砸直方向剖开幽 第二章淤泥微波脱水试验研究为便于对试验后的土样进行管理，对土样制定了标签记录对应堆放存储管理(图2．7)，这样更有利于对试验数据的整理。图2．7给脱水淤泥试样进行编号存放2．2．2淤泥的脱水特性为能更直接地反映出淤泥在微波场脱水情况，以2．1．4中给出的试验指标为分析工具，对试验数据进行了整理与分析，将淤泥在微波脱水过程中含水率，脱水率，脱水速率，淤泥升温等变化情况绘制成图，见图2．8至图2．19。得到了淤泥微波脱水特性一系列曲线图。706050拿40*30钯2010O20406080100120140160时间(min)幽2．8初始含水率为64．81％淤泥含水率随时间变化情况29 河海火学硕上学位论文605040艺褥30*如2010020加60∞1001201加160时间(Ⅲin)图2．9初始含水率为54．47％淤泥含水率随时间变化情况4030霉锝蘑20100102030405060708090100”0120时间(min)图2．10初始含水率为45．58％淤泥含水率随时间变化情况由图2．8，图2．9，图2．10可知，淤泥在脱水过程中，淤泥含水率整体上随加热时间延长而近似直线递减。在开始很短时间表现出比较平缓，主要是因为这期间微波对淤泥的作用表现在给淤泥整体升温，以便使淤泥中水分达到汽化。中间近似直线下降，说明脱水速率稳定，这一点在图2．14，图2．15，图2．16中也得到证实。 第一二章淤泥微波脱水试验研究时间(皿in)图2．11初始含水率64．81％淤泥脱水率随时间变化情况爵妥罄时问(_in)图2．12初始含水率54．47％淤泥脱水率随时间变化情况爵*鼙时间(min)图2．13初始含水率45．58％淤泥脱水率随时间变化情况31酪*婆 河海大学硕士学位论文图2．11，图2．12，图2．13表明了淤泥脱水率随时间的变化情况，图中右边三条曲线对应的微波功率均为119w，左边的六条曲线对应的是其他两个档位曲线，可见脱水率也受微波功率影响。随着时间延长，脱水率增加，即表示脱水程度增大。通过计算有厂+MR=1，即脱水率图也可以反映出水分比MR的情况。们＼均得捌*翟∞＼均龉艘繁鼙初始含水率为64．8l％。恒速脱水阶段。降速脱，快速升温阶段≯八Z彩眵辔加706050403020100脱水过程中含水率％一-一1509119W一●一1509462W+1509700W一卜2509119W一●一2509462W一口一2509700W—o一3509119W段：溢徽一p一3509700W图2．14初始含水率为“．81％淤泥脱水速率与含水率关系初始含水率为54．47％，恒速脱水阶段、降速脱快j电升温阶段口》01公眵黼6050403020’0O脱水过程中含水率％一-一1509119W一●一1509462W+1509700W一卜2509119W一●一2509462W一口一2509700W段一。一3509119W—O一3509462W一睁一3509700W图2．15初始含水率为54．47％淤泥脱水速率与含水率关系n．1^．11．11．1^．1▲．1^．1^．1▲．1m52l52152l隔隔隔隔隔隔隔隔隔4141叶=．叶=．．t141寸J-t1寸765432109876543210n．1．1‘}1‘．1▲．1■．1■}1mmⅢmm521521521隔隔隔隔隔隔隔隔隔十J寸J叶=J．}1．}=J4141斗J叶=J3210987654321O 第二章淤泥微波脱水试验研究芝∞褥幽*翟初始含水率为45．58％。恒速脱水阶段。盐速升温阶鼹／·＼、降速脱矗＼、．N■一一一1509119w时隔5min一·一1509462W时隔2min一◆一1509700W时隔lmin一卜2509119w时隔5min一·一2509462w时隔2minm—o一2509700W时隔1min“一。一3509119W时隔5min—◇一3509462W时隔2min一》一3509700W时隔lmin5040302010O脱水过程中含水率％图2．16初始含水率为4558％淤泥脱水速率与含水率关系从图2．14，图2．15，图2．16看出，淤泥微波脱水速率大致呈现三个阶段：第一阶段脱水速率快速近似直线增长，但因持续时间很短，所以含水率降低还是缓慢；第二阶段脱水速率相对稳定，在脱水过程中出现了一些小的上下幅度的波动，不过从三图中可看到，中间一段近似一条水平线，可见这一阶段是保持近似恒定的脱水速率进行脱水的，且由于持续时间长，所以含水率快速降低，淤泥中含的大部分水分是在这个阶段被脱去的(85％左右，见图2．14，图2．15，图2．16)；第三阶段脱水速率出现近似直线骤降，但脱水仍在进行，只是被脱去的水分很少。／．、p、_，型赠0102030405060708090100”0时间(Ⅲin)图2．17初始含水率为45．58％脱水过程中十样项面中心处温度变化情况333210987654321O 河海大学硕士学位论文／、p、．一恻赠01020304050∞708090100”0120130140150时问(min)图2．18初始含水率为54．47％脱水过程中土样顶面中心处温度变化情况，-、p、-，瑙赠O102030405060708090100110120130140150时间(min)9119W9462W9700W图2．19初始含水率为“．81％脱水过程中土样顶面中心处温度变化情况图2．17，图2．18，图2．19可看出，淤泥在脱水过程中，淤泥试样升温表现为起初的快速近似直线的上升，达到一定的温度后，维持该温度，经持续脱水一段时间，温度才开始继续近似直线上升，上升幅度与最初阶段相似。这一结果刚好也与前面对含水率及脱水速率分析结果相匹配，从而也可说明前面对淤泥脱水情况的分析是正确的，同时从三图中也可看出，多数淤泥土样在脱水过程中，温度变化在100℃以内，只有少数才在加热后期温度上升高于100℃，三图中还可 第二章淤泥微波脱水试验研究得知，各种淤泥土样在试验中，中间近似水平直线的温度都在100℃以内，而根据前面的含水率变化图分析知，淤泥中的大部分水分在中间恒速脱水阶段被脱去，也就是说，淤泥中的水分大部分是在温度100℃以内完成脱水的。从三图中微波功率使用119W对应的三条温度曲线来看，淤泥中的水分达到汽化所需时间比使用其他两档位时要长很多，而462W和700W两档位对应的水分达到汽化时间差不多。对于同一微波功率时，不同质量的土样开始汽化温度近似相同，也就是说，淤泥质量大小对淤泥中水分开始汽化所需时间不影响。可见，所使用的微波功率大小会影响到淤泥中水分开始汽化所需时间。2．2．3能耗分析从图2．20，图2．21，图2．22可以看出，随着功耗加大，淤泥在脱水过程中含水率呈下降。但对于同一初始含水率的淤泥，由于淤泥初始质量和微波功率两参数不一样，表现出来的脱水耗能曲线并不一样。可见改变淤泥参数或微波功率会影响到淤泥脱水耗能情况。图2．20初始含水率为64．81％淤泥脱水耗能情况35 河海大学硕士学位论文605040葶锝30《钿201000．00．10．20．30．4功耗(k-．h)图2．21初始含水率为54．47％淤泥脱水耗能情况图2．22初始含水率为4558％淤泥脱水耗能情况2．2．4淤泥微波脱水主要影响因素分析下面针对微波功率，初始含水率和初始质量三个主要因素对淤泥微波脱水影响情况，当然影响因素不止这些(比如还可考虑物料厚度、物质成分、颗粒粒度)，之所以考虑这三个因素是考虑到其在实验中易控制并测量大小，为在下一章建立淤泥微波脱水模型中好考虑引入这三个因素。再者，尽管已有一些学者针对不同的物料进行过微波干燥研究时考虑过这些因素，但结果是否与在淤泥脱水中得到的结果一致难说。因此，考虑这三个因素对淤泥微波脱水的影响是有必要的。 第二章淤泥微波脱水试验研究2．2．4．1微波功率对淤泥脱水的影响图2．23，图2．24，图2．25表明微波功率对淤泥脱水影响很明显，尤其是使用119W与其他两个档位差异最大，而462W与700W档位曲线靠的较近，整体上微波功率加大，所需脱水时间缩短。当功率增加到一定值后，再加大功率对淤泥脱水影响不大，可见在对淤泥进行微波脱水时功率可能会存在较合理的值，使脱水效果较好。这一分析结果刚好和2．2．2节对淤泥在微波场升温特性分析相对应，微波功率会影响到水分在微波场中开始汽化的温度，对于一定量的土样随功率增加时，水分开始汽化时间缩短，当功率增加到一定值后，所需汽化时间差不多，从而形成了图2．23，图2．24，图2．25中使用119w与其他两档位脱水曲线之间差异变化较大。这些分析与、铂tekun勰∞1、Idris啪1的分析结果是不同的。7060∞富40再*30缸20100204060801001201401l沁1∞时间(m．m)图2．23350964．81％不同微波功率脱水过程中含水率变化605040冰蒋30*钿2010O01020304050607080时间(min)图2．24150萨4．47％不同微波功率脱水过程中含水率变化37 河海大学硕士学位论文5040—30术褥蓑zo10010203040506070时间(m蛐图2．25250945．58％不同微波功率脱水过程中含水率变化2．2．4．2初始含水率对淤泥脱水的影响图2．26，图2．27，图2．28显示了初始含水率对淤泥的脱水影响情况。从三图中看出，初始含水率越高，所需加热时间越长，这与ViLitel【lln弱m1的分析结果相符。每个图中三条曲线之间的间隙比较均匀，且对于不同的初始含水率表现出的变化趋势是一致的。对于每一种初始含水率的淤泥，要将淤泥含水率降到同一层次的含水率时，初始含水率大的土样需要加热时间会相应比例增加，这个比例是随着加热时间推移而逐渐缩小，这在Vaitekun弱口刀的分析没有得到体现。可见初始含水率对淤泥脱水是存在一定程度影响。O12345678910111213141516171819时间(mill)图2．263509700w不同初始含水率脱水过程中含水率变化加铂∞弱∞牾∞：5；∞巧加佰伯5o^冰v哥*舡 第二二章淤泥微波脱水试验研究土样024681012141618时间(m吣图2．272509462W不同初始含水率脱水过程中含水率变化土样010约3040∞708090100”O时问(面n)图2．281509119W不同初始含水率脱水过程中含水率变化2．2．4．3初始质量对淤泥脱水的影响图2．29，图2．30，图2．31显示了淤泥初始质量对脱水的影响情况，从三图中得知，在前一段小的时间内不同初始质量淤泥含水率之间的变化差异并不大，但继续随加热时间延长，淤泥被脱到同～含水率时，淤泥质量大的所需的脱水时间就越长，这与Idrisml分析结果相符。同时看到，三种初始质量依次相差1009相同质量时，图中相邻的两曲线在横轴方向上的间距近似相等，并且这种间距会时间延长而逐渐加大趋势，这在Idrisml分析中没有提及。上面分析的主要是针对同一底面的圆柱形土样，不同质量对脱水情况的影加：2∞弱∞诣们拈∞筋∞佰∞oo一零v姗繁舡加晒∞：f；吾；帖∞：5；{；；弱毛己佰加5o^术一哥*舡 河海大学硕士学位论文响。而对于相同质量，底面形状不一样的柱形土样虽没做试验，但可知，质量相同，底面积不同时，说明土样厚度也不一样。考虑到微波对淤泥的辐射较均匀，因此，对同一厚度，不同底面的土层进行微波脱水效果是差不多的，而本节中已经对同一底面、不同质量的圆柱形土样脱水情况进行了分析。同一底面的不同质量圆柱形土样，即对应了不同厚度的土样，从图2．29，图2．30，图2．31显示了不同初始质量的淤泥对脱水情况存在影响，也就是说不同厚度的土样对淤泥微波脱水效果是存在影响的。从而可知对于相同质量，底面形状不一样的柱形淤泥土样进行微波脱水时，脱水效率是会受到影响的。706050富40羹30如201002468101214161820时问(min)图2．2964．81％700W不同初始质量脱水过程中含水率变化605040母。30将*舡20100图2．30样24681012141618202224时间(min)54．47％462W不同初始质量脱水过程中含水率变化 第二章淤泥微波脱水试验研究5040—30术需*20缸100样0102030405060708090100110时间(皿in)图2．3145．58％119W不同初始质量脱水过程中含水率变化通过分析微波功率，初始含水率和初始质量三个主要因素对淤泥微波脱水影响结果，可知，本文对淤泥微波脱水影响因素分析不是对前人研究工作的重复，而是通过研究分析，得到了一些新的结论。2．3本章小结本章主要对淤泥进行了微波脱水室内试验处理，并对试验数据进行了分析，得到出了淤泥微波脱水的特性及影响因素。具体如下：1．为使研究成果更具实际应用价值，试验取样采用了南京秦淮新河清淤时的淤泥。2．试验前对淤泥的主要物理性质指标进行了测定，并确定了对试验数据进行处理的一些试验指标，如淤泥在脱水过程中的含水率，脱水率，脱水速率等。对微波功率在淤泥中穿透深度进行了计算，得到了试验中取的土样最高的约为5．3锄在微波的有效穿透深度范围内，从而保证试验顺利进行。3．对脱水试验后的土样进行了全方位视角表观特征观察并加以了分析，阐述了淤泥脱水过程中所产生现象的原因。4．对试验数据进行了分析，根据试验结果绘制出了淤泥的脱水特性曲线图，并对各曲线图进行了分析。尤其是对淤泥在脱水过程中淤泥含水率变化，脱水率，41 河海大学硕士学位论文脱水速率，升温特性及能耗曲线做了详细的分析。并对影响淤泥脱水的微波功率，初始含水率和初始质量三个主要因素进行了分析，得到了微波功率对淤泥脱水情况影响最大，而其他两个因素影响较均匀。同时得出了当功率增加到一定值后，再加大功率对淤泥脱水影响不大等一些新的结论。42 第三章淤泥微波脱水理论分析与研究3．1淤泥微波脱水机理分析及研究3．1．1淤泥土样在微波场中水分汽化过程分析根据2．2．1节中对淤泥试样微波脱水过程中的土样表观特征观察并分析结果，可绘出淤泥微波脱水过程中水分迁移路径如图3．1所示。由于土样底面受容器托住及淤泥自重影响，水蒸汽在纵向上则不能向底面迁移，因此，淤泥在微波场中，淤泥中水蒸汽发生向上轴向和向四周径向两方向的迁移。下面就对淤泥微波脱水产生这一现象进行机理分析。排湿冷却窗图3．1淤泥微波脱水实验过程中水分迁移路径示意图通过对微波干燥模型研究进展的分析，可知，已有不少学者在物料微波干燥过程中水分迁移机理做了些研究，也针对不同的物料进行微波干燥建立了不同的水分扩散方程。认为：微波干燥物料，内部水分扩散的驱动力为温度梯度，湿度梯度和压力梯度其中的1种或2种，尤其是大部分研究人员认同压力梯度是内部水分迁移的主驱动力。针对淤泥进行微波脱水，其内部水分扩散是受温度梯度，湿度梯度和压力梯43 河海大学硕士学位论文度何种作用需进一步分析。因微波能穿透淤泥内部被吸收，当淤泥受微波加热时，微波能量在较短时间内转为热能而给淤泥固体颗粒及内部所有水分进行了整体升温，考虑到试验中采用的是圆柱形土样，且在试验中上表面没有封闭，水分可以从上表面排出。随着加热时间延长，淤泥达到一定温度，淤泥中的内部水分开始汽化。内部水蒸汽体积膨胀，气压骤升，土样上表面临空，土样表面压力比内部会较快得到释放，导致内部气压高于表面气压，形成内外气压压力梯度，方向是由内至表面处推动，内部水分在气压梯度作用下向表面扩散，扩散到表面附近形成一层水膜层便在表面汽化，挥发到炉腔内空气中，通过排湿冷却窗排出热水蒸汽。随着水分在表面汽化速率加快，当超过内部水分扩散速率时，表面的湿度将出现比内部湿度低，故逐渐形成物料从内部到表面的湿度梯度，方向是由高湿度至低湿度处传递。内部的含水量高于表面，水分即以此湿度梯度为推动力向表面扩散。同时，微波具有穿透性，在淤泥内外是同时升温的，由于淤泥临空表面与空气接触，存在热交换，从而导致表面温度会下降，内部温度却来不及下降，导致表面温度低于内部温度，使热量由内部传到表面，传热方向是由内部到表面，从而使淤泥内部与表面形成了温度梯度。方向是由内部至表面处进行。可见，在淤泥微波脱水过程中，这三种梯度方向一致，有利于加速水蒸气由内向外排出。因此，可认为淤泥微波脱水过程中，内部水分是受到压力梯度，湿度梯度及温度梯度三种梯度共同作用形成淤泥内部水分的扩散，但每种梯度作用程度是不一致的，主要表现出湿度梯度及温度梯度两种梯度变化不是特别大，而压力梯度变化显著，可见，压力梯度在淤泥内部水分扩散中起主要推动作用。随着水分被脱去，土中的水也在减少，淤泥土样中孔隙增多，淤泥由侧面四周向内体积收缩力也会增加，同时淤泥内部水分向上表面扩散时也有部分水分向土样侧面四周扩散，并在四周囤积形成类似在上表面那层水汽膜层，水汽膜层蒸气压会增大，当大于淤泥附着力，推动汽化的水分向外排出，因此，在这种气压和淤泥体积收缩力的共同作用下，就会出现试验中看到的土样与容器壁出现脱开现象。通过上面对淤泥脱水的分析，可绘出淤泥微波脱水过程中水分迁移机理分析示意图如图3．2所示。 第三章淤泥微波脱水理论分析与研究(b)(d)(c)(e)图3．2淤泥微波脱水过科中水分迁移机理分析示意图45 河海大学硕十学位论文(a)、淤泥土样脱水中水分迁移路径示意图；(c)、淤泥土样脱水中各处温度梯度示意图；(c)、淤泥土样脱水中各处压力梯度示意图；(b)、温度分布及水分迁移方向模型示意图：(d)、淤泥土样脱水中各处含水率梯度示意图；①淤泥颗粒；②淤泥中含水；③内部水分扩散；④表面囤积的水蒸汽；⑤表面水分汽化；⑥侧面四周水蒸汽排出；⑦微波辐射；⑧压力梯度方向(内大外小)；⑨温度梯度方向(内大外小)；⑩湿度梯度方向(内大外小)；⑩热量传导方向；@水分迁移方向。淤泥脱水时是存在内部水分扩散和表面水分汽化，在实际脱水过程中这两种情况是同时进行的，但在淤泥脱水过程中不同时刻表现出内部水分扩散速率与表面水分汽化速率是不同的，淤泥的表现出来的宏观脱水率就会受到这两个速率的影响。这里为了便于描述，将内部水分扩散速率与表面水分汽化速率分别用ud(下标d取自扩散：diffIIsi加)和uv(下标v取自汽化：vapour)。如果uv≤ud时，则水分能迅速到达淤泥上表面和侧表面，使表面有充足的水蒸汽，此时淤泥的脱水速率主要由表面汽化速率控制。因此，若想提升淤泥脱水速率，则需提升表面汽化速率，在微波加热中，由于淤泥土样内外部均受到微波能的辐射，淤泥表面的温度主要受到微波强度的影响，强度越大，温度越高，汽化速率也就越快。另外可以改善淤泥表面的空气流动性及水蒸汽的外排条件，也能达到提高汽化速率，促进淤泥脱水速率。如果uv>ud时，则没有足够水分扩散至表面以供汽化。此时淤泥的脱水速率表现为有由内部水分扩散所控制。也就是说，要提高淤泥脱水速率，需改善内部水分扩散。可通过减小物料厚度，以缩短水分的扩散距离来实现。同时，淤泥表面的水分高于周围空气中含水的浓度，淤泥表面部分液态水会在内部气压的作用下来不及汽化向周围空气中发生质量传递。综上所述，可见淤泥脱水过程中是个复杂的过程，为有更清晰的认识，将淤泥水分受驱动力发生迁移情况用图3．3表示。 第三章淤泥微波脱水理论分析与研究圈一嚣圆一图3．3淤泥水分受三种驱动力迁移情况3．1．2淤泥微波脱水偏微分方程模型建立在1．4．2．1节中提及了一些研究者针对不同物料从水分扩散驱动力角度建立的水分扩散方程，从这些方程中可以看到，利用解析解是很难解出的，为求得近似的结果，多采用了数值解。考虑到3．1节中对淤泥微波脱水过程中水分汽化过程分析的结果，若对淤泥微波脱水过程也从水分扩散驱动力角度来建立的水分扩散方程，所建立的方程为四变量(含水率w、温度几微波功率P、时间f)、三函数(w(r"z，t)、虱r"z，t)、P(r，z，t))、二维(轴线Z向上、径向r四周)、二次偏微分方程，可见方程涉及参数量多且复杂，难以求出其理论解，即便采用数值解进行近似求解，所得到的结果是否稳定和收敛都是个未知数。同时目前对解偏微分方程的方法常用的数值解有有限差分法和有限元法两种。求解时需进行计算机程序编程，由于本人对程序编程方面不擅长，因此，本文没有从这一角度入手来建立淤泥微波脱水水分扩散方程。而是根据3．1．1节中对淤泥微波脱水过程中水分汽化过程分析的结果，从质量守恒的角度来建立起淤泥微波脱水机理模型。根据上一节的分析，可知淤泥水分分成表面汽化水分和与淤泥表面与周围空气形成质量传递的部分液态水两部分组成。47甲 河海大学硕士学位论文根据传热传质学原理可知，在t时间内，因与淤泥临空面形成质量传递失去的水分旧1为△肌l一^，S(po嵋一p。％)dZ(3．1)式中：JIlm一淤泥表面与周围空气间给湿传质系数，m／S；S一淤泥土样临空表面积，m2；po一淤泥干密度，kg／m3；p。一淤泥土样周围空气密度，常温下大约是1．21—1．25k∥m3；M一加热t时，淤泥含水率，％：w。一平衡湿含量，％；t一加热时间，s。表面水分汽化失去的水量嗍则可由锄：一譬一孕出式中：Qv一内热源强度，l(J；^一水的汽化潜热，在常压情况下进行干燥时为2258kJ瓜g；J7一加热效率；P0一微波功率，Kw；淤泥加热t时，脱去的水量为锄一一所。批根据质量守恒原理，则有△，，l-△，，ll+△，，12即有一胁。d嵋：JIl廓s(p。M—p。w。x拓+翌霎生出^将上式整理后盟+监M一业w，+监；o出肌o4历o。砌o(3．2)(3．3)(3．4)(3．5)(3．6) 第三章淤泥微波脱水理论分析与研究3．1．3模型求解式(3．6)为一阶非齐次线性微分方程，对其进行求解得到：M十。+盘一告寸警+告虬一靠@乃式中：w。一加热t时，淤泥含水率，％；wo一淤泥初始含水率，％；刁一加热效率；凡一微波功率，Kw；k一淤泥表面与周围空气间给湿传质系数，m／S；S一淤泥土样临空表面积，m2；A一水的汽化潜热，在常压情况下进行干燥时为2258U瓜g；po一淤泥干密度，k酌n3；p．一淤泥土样周围空气密度，常温下大约是1．21—1．25kg／o；忱一平衡湿含量，％；t一加热时间，s。式(3．7)即为建立起的淤泥微波脱水过程嵋一f关系方程。由于式(3．7)是根据淤泥脱水过程中被脱去水分质量守恒建立的。建立时是忽略了淤泥中少量的有机质的损失，而将少量有机质的损失充当成水分损失。因此，在实际应用时，该方程式宜用在有机质等杂质含量少的淤泥进行微波脱水情况。3．1．4模型方程中一些参数确定1)、平衡湿含量尥Guggenheim．Anderson-deBoe“GAB)方程被认为是确定平衡湿含量的最好的方程，能够应用在水分活度很大范围内的问题(0．1