主持人(康碧集团 业务拓展副总裁 廖足良 博士 )：中国科学院生态环境研究中心郁达伟博士，主题是：基于计算流体力学的污泥生物干化通风模拟与优化。
郁达伟：感谢主持人的介绍，感谢大会的邀请，我今天的报告的题目是基于CFD污泥生物干化通风模拟和优化，因为魏老师到斯里兰卡参加“一带一路”的任务，所以今天代表他来做汇报工作。
对比我们大家非常熟悉的生物堆肥过程，生物干化过程主要特点是主要专注于脱水过程，专注于利用生物的发热来进行脱水和减量，而不像我们生物堆肥过程更多关注污泥的稳定化，因此，时间可以缩短到生物干化的2-3周，典型的生物干化工艺和堆肥的过程非常类似，先进行一些调理，调理之后有一个水平流搅拌床，我们可以在2-3周的生物干化过程之后得到一个含水率大幅降低的产品。对于生物干化最大的挑战在于我们如何来有效控制它的通风过程，从而能够在比较短的时间内实现很好的生物干化的效果。
什么是CFD？它能够有效的模拟在孔隙的通风过程，我们希望CFD能够模拟生物干化过程中的热量传递和水分去除。我们的目的是针对通风过程这一关键工艺环节，而不是在整个生物干化过程中的水分去和热能的管理。
我们是在沈阳的一个污泥干化厂，每年是1000吨，迫切需要提高处理容量到1500吨，但用地存在888集团官网入口很多困难。有94个平行的廊道，我们以其中的3个廊道为实验组，分为ABCDEF段，在后面的DEF区是第二高温阶段和最后干化阶段。我们优化的是他的整个通风过程，其中设置了3个实验组，第一是对照组、第二是改变了它的通风策略，使它的通风时间在末端有比较大的提高。第三是提高了它的翻堆的频率，并且强化在初始阶段的通风，从而使他的干化时间从原来的21天缩短到14天。
在这个过程中，需要能够有效地观测在通风过程中的温度变化。我们最经典是热电偶法，一般会在反应器里预埋很多温度探头，但是热电偶的问题在于，他需要一个热平衡的时间，可能需要几分钟的热平衡时间，从而难以观测通风过程中的堆体温度变化。但是使用红外方法能够在一秒钟之内捕捉20-30次的温度情况，快速的很好的监测温度变化，在通风过程中准确的观测到它的温度变化过程。为了避免在通风过程中堆体的温度大幅降低，我们采用CFD模拟过程有效的结合把通风和温度变化、湿度变化过程中在通风过程中完整的模拟出来。我们先定义污泥的属性，根据实测和经验公式建立了污泥的属性模型和堆体属性模型。
堆体是这样的，然后采用有限元方法把整个堆体分成很多个小计算单元，在每个单元的控制方程来模拟通风和热传递过程，我们采用多孔介质模型，在气相和固相的热平衡上面使用非均一的热动力学模型，这样它能够在允许在气相和液相有一定的温度差。
首先看通风过程中内置热电偶的结果，我们可以看到每个堆体都经历了完整的典型的四个堆肥阶段，高速升温、中温阶段，第二升温阶段，以及后面的降温阶段。可以看到在第一个控制组当中，就是最下面的堆体在22天左右达到了最终的干化效果，在40%左右，优化之后的策略是在14天左右，也得到了非常接近的干化效果，略高了2个百分点，在42%左右。最高的堆肥温度、最高的干化温度在第一个升温阶段，实验组是76度，而优化组最高温度也在70度以上。
我们看它最终都达到了类似的干化效果，不管是实验组还是对照组，都能够稳定的实现我们期望的干化目标。在实验组当中，我们把它的堆肥生物干化时间从22天到14天，可以提高近1/3的产能，从而满足了沈阳对提标处理的要求。
为了能够进一步的研究我们在通风过程中堆体温度的变化，这是一张用红外方法测得的整个堆体的温度，能够有效研究我们每个区域的局部温度。让我们对高温区的一个局部，通风过程中表面上温度变化，用红外的方法进行观测。每隔2分钟拍一个温度场的图片，红色是高温区域，蓝色和紫色是低温区域。我们可以看到在堆体表面一个很小的区域它的温度分布有很大的区别。很短的通风时间内，他的温度分布也有很大的区别。我们用计算流体力学的方法来研究他的温度变化过程机理。可以看到下面是CFD模拟的结果，上面是现场观测的一个同样区域的结果，吻合的非常好。在6分钟的通风过程中，可以看到我们堆体的温度就从原来的70℃迅速降低到30℃。也就是说，在通风过程中，堆体这种过冷的风险是非常大的，如果一下子通风时间过长，把温度降的过低，会明显地影响我们后面的干化过程，它可能需要二三个小时甚至是更长时间才能恢复到70多度，如果这个过程中很快下一次通风，堆体的问题就很难恢复到比较高的温度，所以通风的过冷问题是非常影响生物干化的效果操作条件。
（详见PPT）我们可以看到最明显的是在控制组当中，按照我们原来的设置条件在8分钟的通风以后，控制组一半以上的堆体已经出现了过冷的现象。
这是我们典型的第二个现象，是在高温阶段之后，第二升温阶段之前，不管是哪个堆体我们很常见的一个共性的现象，它会有一个明显的温度下降的过程。为什么？我们来考察这个过程中的热平衡，可以看到它的通风过程中的热度损失主要有两部分，一部分是比较明显的通风和堆体温度降低，我们称之为显热；另一外部分是水分汽化蒸发带走的热量，我们叫潜热。可以看到水的潜热是显热的500多倍，因此生物干化中的热量，更多的是被潜热带走，而不是温度变化的显热。我们去除单位%水分，整个堆体的温度会降低多少，理论是降低5.38度，而实测值考察三个堆体可以看到实测的平均值是5.14，而在低于这个值的时候表明我们机器的效率比较高，可能因为是夏天的实验在高进气温度上比较高的效率。
我们来看一个概览，回顾一下整个研究，从快速的温度检测方法出发，用计流体力学的两个机理，提出两个工艺扩容建议，希望对大家以后的运行操作有所帮助。全文链接：感谢大会给我们提供这个和大家交流的机会，谢谢大家！
主持人(康碧集团 业务拓展副总裁 廖足良 博士 )： 郁博士给我们带来了一个很好的课题，无论是堆肥或者是干化过程中的温度控制，和怎么样传递这个能量是一个很重要的课题。大家可以看到，他介绍的从21天降低到14天，提高干化的处理能力，这是一个巨大的进步。我们可以看到流体力学或者是计算流体力学一个动态的模拟和监测设施的结合带来的好处。因为他给我们演讲也节约了10分钟，所以我们要感谢他，再次以热烈的掌声感谢郁达伟博士。
