污泥帶式干化系統(tǒng)的理論研究

文_宋磊 福建龍凈環(huán)保股份有限公司

常規(guī)的污泥熱干化技術(shù)主要包括薄層干化技術(shù)、圓盤干化技術(shù)、槳葉式干化技術(shù)、帶式干化技術(shù)等。其中帶式干化技術(shù)不同于其它幾種干化技術(shù)，熱介質(zhì)穿過污泥與污泥實(shí)現(xiàn)直接熱交換，從而達(dá)到干化污泥的目的。帶式干化過程因具有無粘滯階段、幾乎不產(chǎn)生粉塵、干化機(jī)內(nèi)磨損很小的特點(diǎn)而備受青睞。另外，帶式干化技術(shù)也可以和其它干化技術(shù)聯(lián)合使用。

污泥帶式干燥機(jī)能適應(yīng)多種熱源，尤其是可以有效利用低溫低品質(zhì)的熱源，如熱水、廢熱煙氣等，進(jìn)而降低運(yùn)行成本；同時(shí)污泥帶式干燥機(jī)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、粉塵產(chǎn)生量極少、操作安全以及產(chǎn)品干度調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。本文從理論上分析了帶式干化系統(tǒng)的特點(diǎn)，并就帶式干化系統(tǒng)運(yùn)行過程中的物料平衡與熱平衡進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，分析了循環(huán)風(fēng)比率對(duì)帶式干化系統(tǒng)節(jié)能效果的影響，對(duì)帶式干化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

1 污泥帶式干化系統(tǒng)簡(jiǎn)介

污泥帶式干化系統(tǒng)是由污泥帶式干燥機(jī)、多組循環(huán)風(fēng)機(jī)、預(yù)熱器、蒸汽凝結(jié)水換熱器、蒸汽相變換熱器、冷卻器及冷凝器等多種設(shè)備組成的干化系統(tǒng)（圖1）。

污泥帶式干燥機(jī)一般由多個(gè)獨(dú)立的干燥段組成，利用被熱蒸汽、熱介質(zhì)油、熱水等加熱的熱空氣，以及熱煙氣等對(duì)移動(dòng)的干燥帶上的污泥進(jìn)行干燥，熱源不同，則結(jié)構(gòu)存在差異。如圖1所示，本文所述的帶式干燥機(jī)主要工作流程如下：

圖1 典型帶式干化系統(tǒng)工藝圖

①所處理的濕污泥首先經(jīng)過設(shè)置在干燥機(jī)端部的成型裝置成型，然后均勻的平鋪在傳送帶上，傳送帶在傳動(dòng)裝置作用下，在干燥機(jī)內(nèi)平穩(wěn)緩慢的移動(dòng)。

②采用熱蒸汽為干燥熱源加熱空氣，自上而下進(jìn)入帶式干燥機(jī)內(nèi)，與平鋪在傳送帶上的污泥進(jìn)行對(duì)流換熱，進(jìn)而將污泥中的水分蒸發(fā)。

③隨著污泥中水分的不斷蒸發(fā)，干燥機(jī)內(nèi)氣體含濕率不斷提高；離開干燥帶的一大部分尾氣被循環(huán)風(fēng)機(jī)抽出加熱后再參與干燥過程，一小部分被風(fēng)機(jī)抽出后經(jīng)過冷凝器冷凝除濕。

④經(jīng)冷凝除濕后的大部分廢氣經(jīng)加熱后循環(huán)使用，小部分則排出系統(tǒng)進(jìn)行除臭處理。

干燥機(jī)獨(dú)立的單元可以根據(jù)用戶需求靈活配備，數(shù)量可根據(jù)需求選取，各單元的風(fēng)量和溫度可以進(jìn)行調(diào)整。

2 帶式干燥機(jī)物料與熱平衡分析

通過建立典型帶式污泥干化系統(tǒng)工藝，初步計(jì)算分析帶式干燥機(jī)的能量平衡和物料平衡，其中輸入項(xiàng)包括濕污泥、飽和蒸汽、循環(huán)空氣等；輸出項(xiàng)包括蒸汽凝結(jié)水、干化污泥和尾氣等。通過對(duì)各項(xiàng)的物料及其能量的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)這些物料的流量和能量參數(shù)建立污泥干化系統(tǒng)的熱量和物料平衡方程。

2.1 系統(tǒng)參數(shù)的確定

本次分析的污泥帶式干化系統(tǒng)濕污泥處理量為60t/d，該系統(tǒng)將含水率為80%的濕污泥干化至含水率為35%的半干污泥，基本參數(shù)如表1所示。

表1 污泥干化基本參數(shù)

2.2 物料及熱平衡分析

污泥干化過程的質(zhì)量平衡為：

式中M—污泥處理量，kg/h；

Mw—污泥干化過程中蒸發(fā)水分量，kg/h；

Mn—干化后污泥量，kg/h；

w1—干燥機(jī)進(jìn)口污泥含水率，%；

w2—干燥機(jī)出口污泥含水率，%。

根據(jù)式（1）計(jì)算可得，污泥干化過程中蒸發(fā)的水量為1730.8kg/h，35%含水率的半干污泥產(chǎn)量為769.2kg/h。

污泥干化過程中所需的干空氣量為：

式中ma—污泥干化過程中所需的干空氣量：kg/h；

x1—干燥機(jī)進(jìn)口空氣絕對(duì)濕度，kg/kg；

x2—干燥機(jī)出口空氣絕對(duì)濕度，kg/kg。

干燥機(jī)進(jìn)口空氣絕對(duì)濕度：

式中 ×x3—冷凝器出口空氣絕對(duì)濕度，kg/kg；

φ—循環(huán)風(fēng)比率。

循環(huán)空氣和冷凝器返回的空氣混合后進(jìn)入空氣加熱系統(tǒng)并加熱至130℃后進(jìn)入干燥機(jī)干燥污泥，熱空氣將熱量傳遞給污泥后溫度降低至80℃排出。

則熱空氣降溫釋放的熱量為：

式中Qa—熱空氣降溫釋放的熱量，kJ/h；

Cp—干空氣的比熱，1.01kJ/kg·K；

T1—干燥機(jī)出口熱空氣溫度，80℃；

T2—干燥機(jī)進(jìn)口熱空氣溫度，130℃；

Cv—水蒸氣比熱，1.885kJ/kg·K。

在污泥帶式干燥機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，熱空氣降溫釋放的熱量一部分用于污泥中的水分升溫、蒸發(fā)、過熱過程的吸熱；一部分用于干燥機(jī)出口的干污泥升溫吸熱。

則污泥干化過程中蒸發(fā)出來的水分所吸收的熱量為：

式中Qw—污泥干化過程中蒸發(fā)出來的水分所吸收的熱量，kJ/h；

Cw—水的比熱容，4.175kJ/kg·K；

t1—濕污泥溫度，25℃；

ht—水的氣化潛熱，2381.9kJ/kg；

T—環(huán)境下濕球溫度，50℃。

根據(jù)式（5）計(jì)算可得，污泥干化過程中蒸發(fā)出來的水分所吸收的熱量為4398.8MJ/h。

污泥干化過程中干污泥帶走的熱量為：

式中Qn—污泥干化過程中干污泥帶走的熱量，kJ/h；

Cs—半干污泥比熱，2.245kJ/ kg·K；

t2—干燥污泥溫度，65℃。

根據(jù)式（6）計(jì)算可得，污泥干化過程中干污泥帶走的熱量為68.99MJ/h。

基于能量守恒，干燥機(jī)內(nèi)熱空氣降溫釋放的熱量全部用于污泥水分蒸發(fā)吸熱和干污泥升溫吸熱，考慮系統(tǒng)的熱效率和富裕度，則干燥機(jī)內(nèi)熱量平衡為：

式中η—干燥機(jī)熱效率，94%。

該污泥帶式干化系統(tǒng)中空氣加熱系統(tǒng)分為兩部分。一是蒸汽凝結(jié)水換熱器：利用蒸汽相變后凝結(jié)水降溫釋放的熱量將預(yù)熱器出口的約60℃左右的外循環(huán)廢氣加熱至80℃左右。二是蒸汽相變加熱器：利用蒸汽相變潛熱將80℃的混合空氣加熱至130℃。進(jìn)入蒸汽相變換熱器的蒸汽參數(shù)是0.6Mpa，150℃，排出凝結(jié)水換熱器的凝結(jié)水的溫度是70℃。根據(jù)能量平衡原理，其能量平衡方程為：

式中Qs—蒸汽凝結(jié)釋放的熱量，kJ/h；

Qx—循環(huán)空氣升溫吸收的熱量，kJ/h；

Qy—預(yù)熱器后空氣升溫吸收的熱量，kJ/h。

0.5Mpa、160℃的蒸汽凝結(jié)變成70℃水所釋放的熱量：

式中ms—蒸汽消耗量，kg/h；

hs—0.5Mpa，160℃蒸汽焓值，2767.4kJ/kg；

hw—70℃凝結(jié)水的焓值，293kJ/kg。

將80℃的循環(huán)空氣加熱至130℃時(shí)，吸收的熱量：

式中Φ—廢氣循環(huán)比率，以0.75為主；

將預(yù)熱器出口60℃的空氣加熱至130℃時(shí)，吸收的熱量：

式中Ty—預(yù)熱器后空氣溫度，60℃。

根據(jù)公式（2）至公式（11）計(jì)算，結(jié)果如表2。

表2 帶式干化系統(tǒng)主要理論數(shù)據(jù)

3 不同內(nèi)循環(huán)風(fēng)比率對(duì)干燥系統(tǒng)能耗的影響

空氣的含濕量是影響污泥水分蒸發(fā)的主要因素之一，在特定環(huán)境下，空氣含濕量越低，污泥中的水分越容易蒸發(fā)。而內(nèi)循環(huán)風(fēng)比率則決定了空氣中的含濕量，內(nèi)循環(huán)風(fēng)比率越高，空氣中累積的含濕量越高，因此內(nèi)循環(huán)風(fēng)比率越低越有利于污泥水分的蒸發(fā)。但是由于帶式干燥機(jī)干化溫度較低，所需介質(zhì)氣量大，因此干燥后的廢氣中含有較多的熱能，直接排放會(huì)造成系統(tǒng)能量損失，所以從節(jié)能角度考慮，需要對(duì)廢氣進(jìn)行一定程度的循環(huán)利用。本文重點(diǎn)研究了內(nèi)循環(huán)風(fēng)比率對(duì)帶式干化系統(tǒng)的干化性能及節(jié)能效果的影響。

3.1 不同內(nèi)循環(huán)風(fēng)比率下空氣含濕度的變化

由圖2可知，隨著廢氣內(nèi)循環(huán)比率的增加，干燥機(jī)進(jìn)、出口空氣濕度越大，且表現(xiàn)為在廢氣內(nèi)循環(huán)比率不太大時(shí)呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)，當(dāng)超過60%時(shí)呈現(xiàn)快速增加趨勢(shì)。例如60t/d濕污泥處理量的帶式干燥機(jī)，當(dāng)廢氣內(nèi)循環(huán)比率為0時(shí)，干燥機(jī)出口廢氣絕對(duì)濕度為0.06kg/kg，相對(duì)濕度為17.8%，當(dāng)廢氣內(nèi)循環(huán)比率為80%時(shí)，干燥機(jī)出口廢氣絕對(duì)濕度為0.15kg/kg，相對(duì)濕度為41.3%。

圖2 不同廢氣循環(huán)比率下干燥機(jī)進(jìn)、出口空氣絕對(duì)濕度

對(duì)于帶式干燥機(jī)這種以對(duì)流傳熱蒸發(fā)為主的工藝來說，污泥的水分蒸發(fā)主要是通過污泥顆粒表面與工藝氣體之間的水蒸氣壓差來實(shí)現(xiàn)的，壓差越大，說明干燥的推動(dòng)力越大，反之則越小，反映這種干燥推動(dòng)力的最主要因素之一就是工藝氣體的含濕量。隨著廢氣內(nèi)循環(huán)比率的增大，帶式干燥機(jī)出口的絕對(duì)濕度就增大，相應(yīng)的水蒸氣分壓力就增大，則污泥顆粒表面與工藝氣體之間的水蒸氣壓差就變小，對(duì)干燥系統(tǒng)的水分蒸發(fā)存在不利影響。

3.2 不同內(nèi)循環(huán)風(fēng)比率下蒸發(fā)能耗的變化

帶式干燥機(jī)出口氣量大，干燥后的廢氣中還帶有較多的余熱。因此，在污泥干化所需總能量不變的情況下，充分利用廢氣中的多余熱量，可以減少蒸汽熱源的消耗，進(jìn)而起到節(jié)能效果。但是，廢氣中含有較多的水蒸氣，由于污泥顆粒表面與干燥氣體之間的水蒸氣壓差變小，又會(huì)導(dǎo)致能量利用效率降低，因此需要考慮干燥機(jī)排放廢氣的內(nèi)循環(huán)比率。根據(jù)物料及能量平衡理論，分析了廢氣內(nèi)循環(huán)比率在0%～80%變化范圍內(nèi)，帶式干化系統(tǒng)對(duì)熱蒸汽耗量的變化特征。

由圖3可知，隨著廢氣內(nèi)循環(huán)比率的增加，單位水蒸發(fā)所消耗的熱蒸汽量下降。當(dāng)廢氣循環(huán)比率為0時(shí)，每蒸發(fā)1kg水，需要消耗3456kJ的熱能；當(dāng)內(nèi)循環(huán)比率為80%時(shí)，每蒸發(fā)1kg水，需要消耗2971kJ的熱能。因此，干燥系統(tǒng)內(nèi)廢氣內(nèi)循環(huán)比率越高，則整個(gè)系統(tǒng)能耗就越低?？紤]到內(nèi)循環(huán)比率的增加會(huì)導(dǎo)致污泥中水分蒸發(fā)的難度增加，在總能量不變的情況下，需要增加干燥機(jī)的尺寸來實(shí)現(xiàn)污泥的干化目標(biāo)，這無疑會(huì)增加整套系統(tǒng)的投資成本，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況的經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮帶式干化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能性，以廢氣內(nèi)循環(huán)比率75%為優(yōu)。

圖3 不同廢氣內(nèi)循環(huán)比率下單位水蒸發(fā)能耗

4 工程應(yīng)用案例

4.1 項(xiàng)目概況

南通某公司配有75t/h中溫中壓煤粉鍋爐，采用熱干化+鍋爐焚燒方式協(xié)同處置污泥。項(xiàng)目建設(shè)60t/d80%含水率污泥干化至35%含水率以下，其工藝流程為利用廠區(qū)提供的0.5MPa，160℃飽和蒸汽加熱空氣，加熱后的空氣通過循環(huán)風(fēng)機(jī)使其不斷的與污泥進(jìn)行接觸從而帶走污泥中的水份，大部分高濕空氣通過循環(huán)風(fēng)機(jī)使其通過蒸汽加熱器加熱后繼續(xù)與污泥接觸干化污泥；另一部分高濕的氣體再經(jīng)過冷卻水進(jìn)行冷凝，達(dá)到干燥目的。整個(gè)流程為全封閉形式，無異味溢出。干化后的污泥通過干污泥輸送系統(tǒng)送入廠區(qū)鍋爐焚燒處置。其主要設(shè)備為：成型機(jī)、干燥腔室及傳送帶、風(fēng)機(jī)、熱交換器、濕污泥料倉、干污泥料倉及污泥輸送裝置及自動(dòng)化控制系統(tǒng)等。

圖4 南通某60t/d污泥干化項(xiàng)目工藝系統(tǒng)圖

4.2 項(xiàng)目運(yùn)行情況

該項(xiàng)目建設(shè)竣工后，通過調(diào)試、性能驗(yàn)收，于2020年5月投入生產(chǎn)運(yùn)行。在調(diào)試階段，通過調(diào)整內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)的頻率來改變干化機(jī)廢氣內(nèi)循環(huán)比率，以此達(dá)到降低系統(tǒng)蒸汽能耗的目的。如表3為不同內(nèi)循環(huán)比率下污泥干化系統(tǒng)部分參數(shù)測(cè)定值，其中污泥含水率通過含水率檢測(cè)儀測(cè)定，蒸汽的溫度、壓力及消耗量通過管路儀器、儀表監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)。從表3中可以看出，當(dāng)廢氣內(nèi)循環(huán)比率越低，蒸汽消耗量越大，內(nèi)循環(huán)比率為30%時(shí)，蒸汽消耗量達(dá)2305kg/h。當(dāng)內(nèi)循環(huán)比例增加時(shí)，蒸汽消耗量減少，但表現(xiàn)出干化系統(tǒng)單天處理量下降，尤其當(dāng)內(nèi)循環(huán)比率＞75%時(shí)，干化系統(tǒng)處理污泥量不足60t/d。綜合考慮，在內(nèi)循環(huán)比率為75%下運(yùn)行較優(yōu)。

表3 不同廢氣內(nèi)循環(huán)比率污泥干化機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文以處理量為60t/d濕污泥的帶式干化系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用物料和能量守恒理論充分分析該系統(tǒng)在干化污泥過程中物料與能量平衡特征。為降低系統(tǒng)對(duì)熱源的消耗，將干燥后產(chǎn)生的廢氣循環(huán)使用，從理論上分析了廢氣內(nèi)循環(huán)比率對(duì)廢氣含濕量及熱源消耗的影響，并在工程應(yīng)用中加以試驗(yàn)驗(yàn)證，具體結(jié)論如下：

①帶式干燥機(jī)濕污泥處理量為60t時(shí)，污泥含水率從80%干燥至含水率35%，污泥蒸發(fā)出來的水分為1730.8kg/h，干污泥產(chǎn)量769.2kg/h，脫水率為69.23%，污泥減量化明顯。

②隨著帶式干燥機(jī)的廢氣內(nèi)循環(huán)比率增加，空氣含濕度增加，而消耗的熱源蒸汽減少。提高帶式干燥系統(tǒng)的廢氣內(nèi)循環(huán)比率，一方面可以降低干燥系統(tǒng)的單位水蒸發(fā)能耗，但另一方面會(huì)降低污泥干燥的效果，從帶式干化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與節(jié)能性考慮，并結(jié)合南通60t/d污泥干化工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，干燥機(jī)的廢氣循環(huán)比率在75%左右為優(yōu)，對(duì)帶式干化系統(tǒng)運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

③污泥處理量為60t時(shí)，隨著廢氣循環(huán)比率的上升，干化機(jī)外排廢氣量降低，當(dāng)廢氣循環(huán)比率為30%時(shí)，廢氣排放量為7296m3/h；當(dāng)廢氣循環(huán)比率為75%時(shí)，廢氣排放量為2365m3/h；當(dāng)廢氣循環(huán)比率為90%時(shí)，廢氣排放量為730m3/h。提高廢氣內(nèi)循環(huán)比率可以有效減少污泥干化系統(tǒng)廢氣處理量，降低投資和運(yùn)行成本。

④污泥處理量為60t時(shí)，廢氣循環(huán)比率為75%時(shí)，需要絕干空氣量為78850.4kg/h，干燥機(jī)進(jìn)口空氣絕對(duì)濕度為0.103kg/kg，相對(duì)濕度為5.3%；干燥機(jī)出口空氣絕對(duì)濕度為0.125kg/kg，相對(duì)濕度為35.3%。污泥水分蒸發(fā)消耗的蒸汽量為2094.4kg/h，相比于無廢氣內(nèi)循環(huán)，單位蒸發(fā)水能耗降低了13.37%，節(jié)能效果明顯。