疏浚底泥微波干燥特性及能耗分析

韓久春等

摘要：分別在462 W、595 W、700 W微波功率下，對(duì)不同含水率的疏浚底泥進(jìn)行微波干燥試驗(yàn)，微波干燥過(guò)程經(jīng)歷了加速干燥、恒速干燥和降速干燥階段，試驗(yàn)結(jié)果表明底泥的干燥速率、含水率及溫度變化符合典型干燥特征曲線。通過(guò)分析不同因素對(duì)疏浚底泥微波干燥特性的影響，發(fā)現(xiàn)含水率下降曲線受底泥初始含水率的影響不大，低功率（462 W）下含水率下降趨于平緩，高功率（595 W、700 W）下含水率急劇下降；含水率和微波功率對(duì)底泥溫度的影響主要體現(xiàn)在恒溫和繼續(xù)升溫階段，對(duì)預(yù)熱升溫階段影響較?。幌嗤稍飾l件下，底泥溫度的最大值與功率大小成正比，與含水率成反比例關(guān)系；與紅外干燥相比，微波干燥大幅度地減少了干燥時(shí)間。單位能耗分析表明，合適的微波功率可減少能耗約9%～26%。

關(guān)鍵詞：疏浚底泥；微波干燥；干燥速率；含水率；單位能耗

中圖分類號(hào)：X705 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2015）03-0493-04

Abstract：The microwave drying experiments were performed on the dredged sediments with different moisture contents under the microwave output powers of 462，595，and 700 W respectively.The microwave drying process included increased speed drying，constant speed drying，and reduced speed drying process.The results showed that the drying speed，moisture content，and temperature variation of dredged sediment agree with the typical drying characteristics curve.Effects of different factors on the microwave drying characteristics were discussed and unit energy consumption（UEC） was calculated.The initial moisture content of sediment had little influence on the variation of moisture content，which decreased gently at a lower output power of 462 W and decreased sharply at higher output powers of 595 W and 700 W.The effects of moisture content and microwave power on the sediment temperature were more obvious during the constant speed and reduced speed periods while not obvious during the increased speed period.Under the same drying condition，the maximum temperature of sediment was proportional to the microwave power whereas inversely proportional to the moisture content.Compared with infrared drying，microwave drying reduced the drying time significantly.Proper microwave power can reduce UEC by 9% to 26%.

Key words：dredged sediment；microwave drying；drying rate；moisture content；unit energy consumption

我國(guó)地域遼闊，河湖眾多，每年通過(guò)環(huán)保疏浚工程產(chǎn)生的底泥量相當(dāng)可觀，例如“十一五”期間，我國(guó)重點(diǎn)流域的清淤量約為26億m3，成為世界疏浚大國(guó)[1-3]。底泥由極細(xì)的黏土膠狀物質(zhì)組成，其黏土顆粒及其聚集體具有較強(qiáng)的吸水性質(zhì)，使得底泥中存在大量的結(jié)合水，加上高孔隙比（一般大于1.0）的特征導(dǎo)致孔隙中存在大量的自由水，故而疏浚底泥的含水率很高。不同地區(qū)的疏浚底泥性質(zhì)各不相同，為底泥的堆放、運(yùn)輸和處置帶來(lái)極大的困難[4-5]。

微波干燥技術(shù)憑借其表現(xiàn)出的加熱具有選擇性和均勻性、高效節(jié)能、安全環(huán)保以及易于控制等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已在輕工業(yè)、生物化工、食品工業(yè)和環(huán)境治理等多個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用[6-9]。20世紀(jì)90年代初，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微波干燥技術(shù)處理污泥進(jìn)行了廣泛的研究。有研究表明[8，10-13]，合理地選擇微波功率、干燥時(shí)間以及污泥處理量，既能達(dá)到干燥的目的，還能降低能耗和處理成本。我國(guó)微波干燥技術(shù)與國(guó)外相比起步較晚，還處于試驗(yàn)研究階段，對(duì)疏浚底泥的微波干燥過(guò)程中能效研究報(bào)道也較少。

為探討不同因素對(duì)疏浚底泥微波干燥過(guò)程的影響，以滇池疏浚底泥為試樣進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)干燥過(guò)程中單位能耗進(jìn)行了計(jì)算。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

以云南滇池經(jīng)機(jī)械脫水后的疏浚底泥作為試驗(yàn)材料，底泥基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

采用的微波爐為格蘭仕P70D20TP-C6（WO），腔體尺寸210 mm×315 mm×314 mm，內(nèi)腔容積為20 L，微波輸出功率分檔可調(diào)，額定輸出頻率為2 450 MHz；探針溫度計(jì)為精創(chuàng)儀器儀表廠和TM-902C型；電子天平為天津市天馬儀器廠的TD 21001型，精度0.01 g。endprint

1.2 試驗(yàn)方法

用含水率為44.56%的原泥，配制含水率分別為50%、60%、70%的底泥樣品。將若干燒杯稱重后，把各含水率的底泥均勻鋪在燒杯中，并標(biāo)號(hào)，記錄燒杯和底泥的總重。將樣品依次放入已調(diào)至中火（中高火或高火）的微波爐中進(jìn)行干燥，每隔1 min測(cè)定一次樣品質(zhì)量和溫度，直至燒杯與底泥的質(zhì)量恒定（前后稱量質(zhì)量相差0.01 g），試驗(yàn)結(jié)束。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制干燥特性曲線。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 含水率的計(jì)算

由圖1和圖2可知，微波干燥速率曲線和含水率變化曲線符合典型的干燥特性曲線。微波干燥過(guò)程可分為三個(gè)階段：加速干燥、恒速干燥和降速干燥階段，各階段特征如下。

（1）微波干燥初始階段，底泥含水率大，當(dāng)微波穿透底泥時(shí)，因水分介電常數(shù)大而優(yōu)先吸收微波能，溫度上升很快，故干燥速率顯著增加。

（2）當(dāng)接近沸騰時(shí)，底泥內(nèi)部壓強(qiáng)瞬間增大，形成徑向的壓力梯度，此階段干燥速率較高并在小范圍內(nèi)波動(dòng)，即恒速干燥階段。

（3）隨著水分的蒸發(fā)，含水量（自由水）減少，向外的驅(qū)動(dòng)力逐漸消失，干燥速率亦逐漸減小。

從各干燥階段所占時(shí)間來(lái)看，較高干燥速率的恒速干燥階段約占全部干燥時(shí)間的一半，對(duì)干燥效果的貢獻(xiàn)很大。對(duì)于含水率分別為50%、60%和70%的疏浚底泥，隨時(shí)間的推移，含水率逐漸減小，含水率變化趨勢(shì)和曲線的斜率變化均相差不大，說(shuō)明含水率在一定范圍內(nèi)對(duì)微波干燥過(guò)程除去水分的影響效果不明顯。

2.2 不同微波功率對(duì)干燥特性的影響

對(duì)含水率50%的底泥在不同微波功率下進(jìn)行干燥試驗(yàn)，考察微波功率對(duì)其干燥特性的影響，干燥速率和含水率的變化曲線見(jiàn)圖3、圖4。

由圖3和圖4可知，特定含水率的底泥，干燥速率曲線和含水率曲線同樣符合典型的干燥特征曲線。從圖3可看出，微波功率越大，恒速干燥階段越不明顯；微波功率越小，降速階段的干燥速率下降越平緩。從圖4可看出，在低功率（462 W）下含水率變化趨于平緩，而在595 W、700 W下，含水率急劇下降。由于降速干燥階段的底泥含水率低，微波能一部分用于水分蒸發(fā)，一部分用于加熱固體物質(zhì)。對(duì)特定含水率的底泥，微波功率越大，達(dá)到相同含水率所需要的干燥時(shí)間越長(zhǎng)。通過(guò)觀察底泥形態(tài)可知，底泥微波干燥后的體積大幅度減?。▓D5），且底泥內(nèi)部出現(xiàn)孔狀，表面有裂痕，對(duì)工程上后續(xù)處理是有利的。

2.3 含水率與溫度對(duì)底泥干燥溫度的影響

為了考察含水率和微波功率對(duì)微波干燥過(guò)程中溫度的影響，在特定微波功率和干燥時(shí)間下，對(duì)不同含水率（50%、60%和70%）的疏浚底泥進(jìn)行干燥試驗(yàn)，溫度變化見(jiàn)圖6、圖7。

由圖6、圖7可知，微波干燥過(guò)程中，底泥溫度變化經(jīng)歷了明顯的三個(gè)階段。

（1）預(yù)熱升溫階段。在干燥開(kāi)始的60 s內(nèi)，升溫速度達(dá)到1.6 ℃/s，由初始溫度18 ℃快速升溫到95 ℃左右，升溫速率受含水率和微波功率的影響不明顯。底泥表面逐漸出現(xiàn)小氣泡，并伴有小范圍的噴射現(xiàn)象，說(shuō)明水蒸氣形成的速率比水分遷移速率大，這是由底泥內(nèi)部劇烈的汽化作用造成的。在微波電磁場(chǎng)的作用下，極性分子（自由水）不斷改變極性取向，使分子不停地振動(dòng)，摩擦生熱，因此底泥溫度升高。

（2）恒溫階段。當(dāng)接近沸騰時(shí)，水汽由內(nèi)向外排出，表面溫度因水分蒸發(fā)吸熱而比內(nèi)部溫度低，周圍環(huán)境也不會(huì)出現(xiàn)高溫的現(xiàn)象，因此底泥溫度維持在一個(gè)恒定的范圍內(nèi)，持續(xù)大約240 s，溫度變化趨勢(shì)開(kāi)始出現(xiàn)改變。

（3）繼續(xù)升溫階段。240 s后，底泥溫度進(jìn)入繼續(xù)升溫階段，溫度曲線明顯分散，升溫速度也各不相同，說(shuō)明恒溫和繼續(xù)升溫階段底泥溫度受含水率和微波功率的影響很大。在此階段，相同微波功率下，含水率越大，底泥溫度的最大值越?。ê?0%、60%、70%的底泥溫度最大值分別為約140 ℃、90 ℃和86 ℃）；對(duì)于相同含水率的底泥，微波功率越大，底泥溫度的最大值越大，達(dá)到同樣溫度數(shù)值的時(shí)間越短。對(duì)于特定含水率的底泥（50%），微波功率越大，底泥吸收的微波能越大，溫度升得越高。

2.4 不同干燥方式對(duì)含水率的影響

分別采用微波干燥和紅外干燥對(duì)含水率為50%的疏浚底泥進(jìn)行試驗(yàn)，圖8為含水率變化曲線。不難發(fā)現(xiàn)，微波干燥所需干燥時(shí)間遠(yuǎn)小于紅外干燥，當(dāng)?shù)啄鄮缀跬耆稍铮ā?.0%）時(shí)，微波干燥時(shí)間約是紅外干燥的1/12。

2.5 單位能耗分析

不同含水率底泥在不同微波功率下干燥至一定含水率（0～8%）所需干燥時(shí)間、干燥前的質(zhì)量以及初終含水率見(jiàn)表2。根據(jù)公式（3），單位能量消耗的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。

由圖9可知，特定微波功率下，隨著含水率的增大，單位能耗有增大的趨勢(shì)：462 W時(shí)，含水率70%的底泥單位能耗比含水率50%的底泥高出2.8%；595 W時(shí)，高出24.7%；700 W時(shí)，高出26.2%。另一方面，對(duì)于高含水率（70%）的底泥來(lái)說(shuō)，不同的微波功率對(duì)單位能耗的影響并不明顯，而對(duì)于含水率50%和60%的底泥，其在最大功率比最小功率時(shí)的單位能耗下降了16.7%和8.7%。由此可知，微波干燥疏浚底泥需要綜合考慮含水率和微波功率，從降低能耗和減少時(shí)間來(lái)看，對(duì)含水率50%和60%的底泥，可選擇高功率（700 W）；對(duì)高含水率的底泥，可選擇低功率（462 W）。

3 結(jié)論

（1）疏浚底泥的微波干燥過(guò)程可分為三個(gè)階段：加速干燥、恒速干燥和降速干燥階段，各階段特征明顯。

（2）微波干燥過(guò)程中底泥溫度經(jīng)歷了預(yù)熱升溫、恒溫和繼續(xù)升溫階段，含水率和微波功率對(duì)恒溫和繼續(xù)升溫階段底泥溫度的影響很大，對(duì)預(yù)熱升溫階段影響卻不明顯。相同干燥條件下，底泥溫度的最大值與功率大小成正比，與含水率成反比例關(guān)系。

（3）與紅外干燥相比，微波干燥可大幅度縮短干燥時(shí)間。endprint

（4）利用微波干燥疏浚底泥，選擇合適的微波功率，可減少能耗9%～26%左右。

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