基于圓盤(pán)干燥機(jī)的城市污泥干燥過(guò)程研究
行業(yè)動(dòng)態(tài)
近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市化的發(fā)展，城市污泥產(chǎn)量不斷攀升。城市污泥主要來(lái)自于污水處理后的副產(chǎn)品，是一種固體廢棄物，由有機(jī)殘片、細(xì)菌菌體、無(wú)機(jī)顆粒、膠體等組成。
污泥處理方法有填埋、農(nóng)用、焚燒、干燥、熱處理、堆肥以及海洋傾倒等。污泥干燥可以使污泥體積顯著減小、穩(wěn)定性增強(qiáng)，污泥焚燒可使有機(jī)物全部碳化并殺死全部病原體，是徹底的處理方法。由于污泥具有較高的親水性，未經(jīng)處理的污泥含水率高達(dá)95%以上。污泥中的有機(jī)物具有較高熱值，如果直接焚燒含水率高的污泥，不僅無(wú)法利用其熱值，還需添加一定的燃料。因此，污泥的干燥是污泥進(jìn)行焚燒的前提。相關(guān)學(xué)者針對(duì)污泥的干燥和燃燒進(jìn)行一系列的研究，城市污泥燃燒前進(jìn)行干燥預(yù)處理逐漸成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。本文在分析污泥含水特性的基礎(chǔ)上，研究不同的進(jìn)料濕含量、產(chǎn)品濕含量和不同品質(zhì)的熱源分別對(duì)蒸發(fā)水量、蒸汽耗量和設(shè)備有效干燥面積的影響。
1 城市污泥的水分
膠質(zhì)是污泥中主要的固體物質(zhì)，具有較強(qiáng)的親水性，通常污泥含水量高達(dá)95%以上。污泥經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單機(jī)械濃縮之后含水量仍會(huì)高達(dá)85%以上。
污泥中的水主要以3種形態(tài)存在：
（1）間隙水為處于污泥團(tuán)塊之間的水，作用力弱，易于分離，約占污泥總含水量的70%，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械或熱處理方法脫除。
（2）外部水分為粘附水、吸附水、空隙虹吸水、虹吸水、毛細(xì)虹吸水。
（3）內(nèi)部水為細(xì)胞液（水合作用含水、內(nèi)部虹吸水）。外部水分和內(nèi)部水分約占污泥水分的30%，用簡(jiǎn)單的機(jī)械方法或低溫處理方法很難脫除。
近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模的擴(kuò)大和處理深度的提高，城市污泥產(chǎn)量不斷增加，城市污泥的穩(wěn)定化、減量化、無(wú)害化處理成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)之一。目前，圓盤(pán)干燥機(jī)干化工藝與焚燒發(fā)電工藝相結(jié)合成為城市污泥處理主流工藝之一。焚燒發(fā)電可以為圓盤(pán)干燥機(jī)干化系統(tǒng)提供必需的熱源和電力，干化系統(tǒng)的熱源來(lái)自于發(fā)電后的低品質(zhì)蒸汽，很容易干燥出城市污泥中的間隙水，從而實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用。圓盤(pán)干燥機(jī)干化后的污泥又可以充當(dāng)部分能源用于發(fā)電。
2 基于圓盤(pán)干燥機(jī)的城市污泥清潔化處理工藝
污泥的清潔化處理工藝是一種新型的無(wú)污染的處理方法，整個(gè)系統(tǒng)綜合了固體廢棄物（城市垃圾、干化污泥）摻雜部分煤粉的燃燒、污泥干燥及生化廢水處理等單元的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)污泥的清潔、高效、循環(huán)利用。
城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥含有較高的水分，直接燃燒會(huì)導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，且產(chǎn)生的大量蒸汽也會(huì)腐蝕設(shè)備和損失部分熱量。因此，污泥燃燒前，進(jìn)行干燥預(yù)處理非常重要。
本工藝中采用以熱導(dǎo)型圓盤(pán)干燥機(jī)為關(guān)鍵設(shè)備的污泥干化系統(tǒng)，利用固體廢棄物摻雜部分煤粉燃燒產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽對(duì)市政污泥進(jìn)行間接加熱，使污泥中的間隙水分蒸發(fā)，從而達(dá)到干燥的目的。干燥后的污泥與城市垃圾和部分粉煤一起用來(lái)發(fā)電，產(chǎn)生的煙氣通過(guò)水吸收和生化處理后合理利用。城市污泥的清潔化處理工藝系統(tǒng)主要由圓盤(pán)干燥機(jī)、換熱器、洗滌塔、涼水塔、生化廢水處理系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)等組成。
3 結(jié)果與討論
3.1 城市污泥干燥后含水率的選取
眾所周知，城市污泥的含水率越高，焚燒時(shí)候添加其它輔助燃料越多，能耗越高。在我國(guó)城市污泥的干基發(fā)熱量通常在10460～16736kj/kg。在現(xiàn)行的城市污泥干化過(guò)程中，污泥含水率一般由80%降到40%。針對(duì)于干基發(fā)熱量12552kj/kg的污泥，城市污泥干化原料含水率為80%，其能量損失達(dá)90%以上：干化后的污泥含水率為40%，其能量損失僅有15%。
以處理每噸原污泥為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，處理每噸污泥蒸發(fā)出800kg水分，同時(shí)得到200kg絕干污泥，假定絕干基城市污泥的發(fā)熱量為12552kj/kg。
將800kg水由室溫25℃加熱成100℃的水蒸氣耗費(fèi)的熱能為：
[334.72kj/kg(顯熱)+2259.36kj/kg(潛熱)]×800kg=2075264kj
將200kg絕干污泥焚燒產(chǎn)熱為：
12552kj/kg×200kg=2510400kj
考慮到15%的能量損失，城市污泥循環(huán)利用過(guò)程需要補(bǔ)充熱量為：
2075264kj-2510400kj×85%=58576kj
由此可見(jiàn)，城市污泥干化過(guò)程中無(wú)需額外添加補(bǔ)充燃料，從而利用自身蘊(yùn)含的熱值干化污泥，實(shí)現(xiàn)了變廢為寶。城市污泥含水率由80%干燥降低到40%，去除的水分大都是間隙水，利用低品質(zhì)蒸汽很容易實(shí)現(xiàn)此過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了能源的高效梯級(jí)利用。
3.2 污泥進(jìn)料濕含量對(duì)水分蒸發(fā)量、蒸汽耗量和有效干燥面積的影響
城市污泥計(jì)算的基礎(chǔ)條件為：城市污泥處理量為100000kg/d，干化后的污泥含水率為40%，濕污泥進(jìn)料溫度為20℃，干污泥出料溫度為90℃，載氣進(jìn)口為20℃，載氣出口溫度為100℃，圓盤(pán)干燥機(jī)內(nèi)部為微負(fù)壓，熱源為0.5Mpad的飽和蒸汽，熱損失為5%，實(shí)驗(yàn)測(cè)定的污泥傳熱系數(shù)為80～120W/(㎡·℃)（計(jì)算取值為80W/(㎡·℃)）。
本文通過(guò)計(jì)算，考察了不同的污泥進(jìn)料濕含量（60%～85%）對(duì)水分蒸發(fā)量、蒸汽耗量和圓盤(pán)干燥機(jī)有效干燥面積的影響。
通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得知，隨著污泥進(jìn)料濕含量的增加，水分蒸發(fā)量和蒸汽耗量逐漸增大，且有一定的線性關(guān)系。這是由于該干燥過(guò)程去除的水分主要是間隙水，干燥速率曲線屬于典型的恒速干燥階段。同時(shí)，隨著污泥進(jìn)料濕含量的增加，蒸汽耗量與水分蒸發(fā)量的比值有增大的趨勢(shì)。這可能是由于污泥進(jìn)料濕含量增加與水分蒸發(fā)量增加量不成正比和熱損失的放大效應(yīng)。此外，可以看出圓盤(pán)干燥機(jī)的有效干燥面積隨污泥進(jìn)料濕含量增加而變大。針對(duì)于城市污泥含水率一般由80%干燥降到40%，圓盤(pán)干燥機(jī)的有效干燥面積大約需要258.5㎡，市場(chǎng)上常用的330㎡圓盤(pán)干燥機(jī)很好的應(yīng)用于該干燥過(guò)程。
3.3 干燥后產(chǎn)品濕含量對(duì)水分蒸發(fā)量、蒸汽耗量和有效干燥面積的影響
同時(shí)考察了干燥后產(chǎn)品濕含量對(duì)水分蒸發(fā)量、蒸汽耗量和有效干燥面積的影響。城市污泥計(jì)算的基礎(chǔ)條件同3.2。
本文通過(guò)計(jì)算，考察了干化產(chǎn)品濕含量（30%～50%）對(duì)水分蒸發(fā)量、蒸汽耗量和圓盤(pán)干燥機(jī)有效干燥面積的影響。
通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得知，隨著產(chǎn)品濕含量的增加，水分蒸發(fā)量和蒸汽耗量逐漸降低，且有一定的線性關(guān)系。由此可見(jiàn)，產(chǎn)品濕含量越大， 干燥過(guò)程越容易。另外，我們同樣可以看出圓盤(pán)干燥機(jī)的有效干燥面積隨污泥產(chǎn)品濕含量增加而變低?？梢钥闯鲞M(jìn)料濕含量對(duì)水分蒸發(fā)量、蒸汽耗量和有效干燥面積影響明顯要高于產(chǎn)品濕含量。
3.4 熱源品質(zhì)對(duì)水分蒸發(fā)量和有效干燥面積的影響
以飽和蒸汽為熱源間接干化污泥，飽和蒸汽既是城市污泥水分蒸發(fā)的熱源，又是載體溫度變化的熱源。城市污泥計(jì)算的基礎(chǔ)條件：污泥進(jìn)料濕含量由80%干燥降低到40%，其余條件與3.2相同?？梢钥闯?，隨著產(chǎn)品濕含量的降低，干燥機(jī)的有效熱傳遞面積逐漸增加。
4 結(jié)論
在對(duì)污泥水分分析的基礎(chǔ)上，提出一種城市污泥清潔化處理方法，將污泥干燥與污泥燃燒發(fā)電結(jié)合在一起，利用發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的低品質(zhì)蒸汽回到污泥干燥系統(tǒng)，同時(shí)干化后的污泥具有一定的熱值，可用于燃燒發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了能量的循環(huán)梯級(jí)利用。在恒速干燥段，隨著城市污泥進(jìn)料濕含量增加，水分蒸發(fā)量和蒸汽耗量線性增長(zhǎng)，且有效干燥面積也逐漸增大。通過(guò)計(jì)算表明，產(chǎn)品濕含量增加，水分蒸發(fā)量和蒸汽耗量逐漸減少，有效干燥面積也逐漸變小，且影響相對(duì)較小。飽和蒸汽壓力對(duì)干燥速度和蒸汽耗量的影響成反比，合適的蒸汽壓力可以獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。
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