帶式污泥干化中熱風(fēng)壓降實(shí)驗(yàn)研究

章華熔

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，污泥產(chǎn)量逐年增加而無(wú)法得到有效處理處置的問(wèn)題日益突出［1］。目前，大多數(shù)污水處理廠僅對(duì)濃縮污泥進(jìn)行機(jī)械脫水處理，但得到的脫水污泥含水率仍然高達(dá)80%，無(wú)法達(dá)到衛(wèi)生填埋、焚燒等后續(xù)處理處置的要求［2］。熱干化技術(shù)作為一種降低污泥含水率的有效手段，近年來(lái)越來(lái)越受到市場(chǎng)的認(rèn)可。它是通過(guò)專門(mén)的設(shè)備對(duì)污泥進(jìn)行加熱干化，能最大限度地實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無(wú)害化的處理要求［3］。其中，帶式干燥機(jī)因具備不存在污泥粘滯階段運(yùn)行的問(wèn)題、污泥干化產(chǎn)物含水率便于調(diào)整且維護(hù)費(fèi)用小、熱源廣等諸多優(yōu)點(diǎn)而普遍應(yīng)用于污泥干化領(lǐng)域，其工作原理是直接利用熱的干燥介質(zhì)與污泥直接接觸，以對(duì)流方式傳遞熱量，并將蒸發(fā)的水分帶走［4］。

工業(yè)應(yīng)用的帶式干燥機(jī)通常采用上進(jìn)風(fēng)或下進(jìn)風(fēng)方式對(duì)污泥進(jìn)行干燥，熱風(fēng)穿透網(wǎng)帶和污泥層的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生局部的壓降。為了便于開(kāi)展污泥帶式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)選型等工作，需要研究不同條件下網(wǎng)帶上泥層的形態(tài)及各泥層在干燥過(guò)程中的壓降變化，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。目前，該領(lǐng)域的研究非常少，本文通過(guò)搭建小型的壓降測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究污水處理廠脫水污泥干燥過(guò)程各階段的壓降變化。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究應(yīng)用的污泥帶式干燥機(jī)采用3 層傳送網(wǎng)帶結(jié)構(gòu)，利用熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供熱。建設(shè)的泥層壓降測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，空腔干燥箱設(shè)計(jì)成圓柱體，上、下端均設(shè)有氣流均布格柵。用于盛放污泥的孔板托盤(pán)直徑與干燥箱內(nèi)腔一致，通過(guò)稱重系統(tǒng)懸吊在干燥箱內(nèi)部，設(shè)計(jì)成恰好接觸干燥腔內(nèi)壁而不與其發(fā)生擠壓碰撞，實(shí)驗(yàn)時(shí)關(guān)閉干燥箱箱門(mén)，在密閉空間內(nèi)對(duì)污泥進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)。

圖1 污泥熱風(fēng)干化壓降測(cè)試裝置示意

在本研究中，污泥經(jīng)過(guò)擠壓生成一定尺寸的泥條自然掉落在托盤(pán)上，攤鋪成一定厚度的污泥層，高溫空氣自下而上進(jìn)入干燥箱，經(jīng)過(guò)格柵的整流作用形成均勻分布的氣流對(duì)污泥層進(jìn)行對(duì)流干燥，其中托盤(pán)的開(kāi)孔規(guī)格與帶式干燥機(jī)不銹鋼網(wǎng)帶的開(kāi)孔規(guī)格一致。在熱風(fēng)穿透托盤(pán)和污泥層的過(guò)程中產(chǎn)生壓力損失（壓降），其中壓降為動(dòng)壓差與靜壓差之和。由于干化段上、下游管道尺寸未變，動(dòng)壓影響較小，因此可以直接用靜壓差表示泥層壓降。本研究分別在孔板托盤(pán)的上方和下方設(shè)置靜壓測(cè)試口，通過(guò)壓差計(jì)測(cè)量孔板托盤(pán)上、下方的壓損數(shù)值。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本研究著重考察泥條直徑、泥層厚度、污泥干化過(guò)程中不同含水率階段、網(wǎng)帶不同位置、不同熱風(fēng)風(fēng)速（0.25～1.5 m/s）下對(duì)污泥層壓降的影響。本研究所用污泥取自某污水處理廠，污泥含水率約85%，污泥壓實(shí)密度為923.6 kg/m3。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 孔板壓降空白實(shí)驗(yàn)

孔板托盤(pán)會(huì)在干化過(guò)程產(chǎn)生局部壓降，因此在研究泥層的壓降之前，對(duì)孔板壓降進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)，以排除孔板對(duì)泥層壓降測(cè)試的影響。本研究在70 ℃、RH 5%的工況條件下進(jìn)行。當(dāng)孔板托盤(pán)內(nèi)未放置污泥時(shí)，分別設(shè)定進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為0.25，0.50，0.75，1.00，1.50 m/s，測(cè)試孔板產(chǎn)生的壓降，結(jié)果見(jiàn)圖2。在不同風(fēng)速下，孔板的壓降分別為0，0，0，1.0，7.0 Pa，表明低風(fēng)速下孔板產(chǎn)生的壓降極小，可忽略不計(jì)，而當(dāng)風(fēng)速提高至1.50 m/s 時(shí)，孔板托盤(pán)產(chǎn)生的壓降為7.0 Pa，則不可忽略。后續(xù)實(shí)驗(yàn)在不同風(fēng)速下得到的實(shí)測(cè)壓降值減去孔板壓降值，即可得到泥層的實(shí)際壓降值。

圖2 不同風(fēng)速下的孔板壓降分布

3.2 不同泥條直徑對(duì)壓降的影響

工業(yè)應(yīng)用的帶式干燥機(jī)在進(jìn)行干化作業(yè)前，為了降低污泥內(nèi)水分的傳質(zhì)和蒸發(fā)路徑，會(huì)優(yōu)先利用成型機(jī)將污泥切割成不同尺寸的泥條再進(jìn)行干化，而不同直徑的泥條組成泥層的干化效果也有所差異。因此本研究參考工業(yè)應(yīng)用中將污泥壓條成型制得5，7，9 mm 3 種常用的泥條直徑，于孔板托盤(pán)內(nèi)攤鋪成50 mm 厚的污泥層，孔板托盤(pán)規(guī)格為：（π×100 mm2）×50 mm。

泥條不同直徑下測(cè)得的堆積密度和孔隙率見(jiàn)表1。

表1 不同泥條直徑下的泥層堆積密度和孔隙率

從表1 中可以看出，泥條直徑從5 mm 增加到7 mm 時(shí)，污泥層的堆積密度從587.3 kg/m3降低到539.3 kg/m3，原因?yàn)槟鄺l直徑增加時(shí)，泥層孔隙率從34.4%提高至41.6%，從而降低了泥層的堆積密度。但當(dāng)泥條直徑進(jìn)一步提高至9 mm 時(shí)，泥層的孔隙率卻降低至35.8%，泥層對(duì)應(yīng)的堆積密度提高至592.7 kg/m3，這是因?yàn)楫?dāng)泥條直徑再度增加后，在壓條成型過(guò)程中由于泥條的自重增加，使其容易斷裂成小的泥粒，泥粒的體積小，比表面積大，在攤鋪過(guò)程中容易形成緊湊夯實(shí)的泥層［5］。此外，泥條直徑在5 mm 時(shí)的泥層孔隙率低于泥條直徑9 mm 時(shí)的泥層孔隙率，但是泥層堆積密度卻更低，造成這一反?，F(xiàn)象的原因是5 mm 泥條成型過(guò)程中受到的擠壓力更大，在泥條成型過(guò)程中部分間隙水被脫除，使得泥層的堆積密度降低。最終測(cè)得不同泥條直徑下泥層產(chǎn)生的壓降結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同泥條直徑對(duì)污泥層壓降的影響

從圖3 中可以看出，當(dāng)風(fēng)速提高至1.50 m/s時(shí)，9 mm 泥條直徑堆積的泥層產(chǎn)生的壓降最高，為79.1 Pa。3 種不同泥條直徑下泥層的壓降差異并不顯著，且未發(fā)現(xiàn)規(guī)律性變化。

3.3 不同泥層厚度對(duì)壓降的影響

本研究選用7 mm 的泥條，對(duì)不同厚度下污泥層的壓降進(jìn)行測(cè)試，泥層堆積密度和孔隙率隨泥層厚度的變化關(guān)系見(jiàn)表2。從表2 可以看出，當(dāng)泥層厚度從30 mm 增加到70 mm 時(shí)，污泥層的堆積密度從548.9 kg/m3降低至517.0 kg/m3，但當(dāng)泥層厚度進(jìn)一步提高至90 mm 時(shí)，泥層的堆積密度卻提高至590.3 kg/m3。分析原因?yàn)椋寒?dāng)泥層厚度增加時(shí)，污泥條之間形成的搭橋越多，容易“架空”污泥層，所以泥層孔隙率會(huì)增加，但是泥層厚度過(guò)高時(shí)，受污泥自重影響，導(dǎo)致搭橋塌陷、污泥壓實(shí)，從而使得污泥層的孔隙率降低［6］。

表2 不同厚度下的泥層堆積密度和孔隙率

不同泥層厚度下的壓降變化如圖4 所示。當(dāng)泥層厚度提高時(shí)，泥層的壓降也隨之增加，且泥層壓降隨風(fēng)速的提高而顯著增加。泥層厚度為30 mm 時(shí)，當(dāng)風(fēng)速?gòu)?.25 m/s 提高至1.50 m/s 時(shí)，泥層的壓降從0 Pa 提升至38.4 Pa；但是在泥層厚度為90 mm時(shí)，當(dāng)風(fēng)速?gòu)?.25 m/s 提升至1.50 m/s 時(shí)，泥層的壓降則從0 Pa 顯著提高至203.2 Pa。這是因?yàn)槟鄬雍穸仍酱?，氣流穿透泥層所需克服的阻力越大?］。

圖4 不同泥層厚度對(duì)污泥層壓降的影響

3.4 干燥過(guò)程不同含水率下泥層的壓降變化

在帶式干燥機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，污泥在傳送網(wǎng)帶的輸送過(guò)程中不斷被干化，污泥的含水率也在實(shí)時(shí)發(fā)生變化。在污泥的干化作業(yè)中，為了便于污泥的終端處置，通常需將濕污泥干化至含水率為30%～40%［8］，甚至更低。本研究采用7 mm 的泥條，鋪設(shè)成50 mm 厚的泥層，當(dāng)污泥干化至含水率分別為80%，70%，60%，50%，40%時(shí)，考察污泥層產(chǎn)生的壓降變化，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 干化過(guò)程不同含水率條件下污泥層壓降的變化

從圖5 中可以看出，隨著干化過(guò)程污泥含水率的降低，泥層的壓降呈逐級(jí)降低趨勢(shì)，這歸咎于污泥干化過(guò)程中泥條發(fā)生收縮并皸裂，從而導(dǎo)致泥層的孔隙率增加，泥層厚度降低，從而降低了氣流吹掃穿透泥層的壓降［9］。值得注意的是，在同一風(fēng)速下，污泥層大部分的壓降集中發(fā)生在含水率從80%至70%的干化段，這是因?yàn)榘霐?shù)的失水量發(fā)生在這一階段，其間污泥形態(tài)已經(jīng)發(fā)生了較大改變。當(dāng)污泥含水率從80%降至70%時(shí)，失水量高達(dá)1.67 g水/g干基，數(shù)值上等同于含水率從70%降低至40%時(shí)的污泥失水量。

3.5 帶式干燥機(jī)不同位置處的泥層壓降

工業(yè)應(yīng)用的帶式干燥機(jī)在干化污泥的作業(yè)中情況更為復(fù)雜，本研究用的帶式干燥機(jī)采用下進(jìn)風(fēng)方式，熱風(fēng)依次自下向上穿透第三層、第二層和第一層的網(wǎng)帶對(duì)污泥進(jìn)行干化，干燥機(jī)設(shè)計(jì)熱風(fēng)風(fēng)速0.6～0.9 m/s。本研究分別測(cè)得1 層網(wǎng)帶進(jìn)口、1～2 層網(wǎng)帶交界處、2～3 層網(wǎng)帶交界處和3 層網(wǎng)帶出口處的污泥含水率分別為85.24%，79.31%，70.16%，42.01%；各個(gè)位置處泥層的堆積密度為699.4，582.9，570.0，540.0 kg/m3。這說(shuō)明隨著干化過(guò)程的進(jìn)行，污泥含水率和堆積密度逐步降低。在保持各個(gè)位置處污泥層的堆積形態(tài)、泥層厚度等條件不變的情況下，利用泥層壓降檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，分別測(cè)得泥層的壓降變化，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 干燥機(jī)不同位置處的泥層壓降

從圖6 中可以看出，在0.75 m/s 風(fēng)速下，1 層網(wǎng)帶進(jìn)口的壓降為22.5 Pa、1～2 層網(wǎng)帶交界處泥層的壓降為16.2 Pa、2～3 層網(wǎng)帶交界處泥層的壓降為10.5 Pa，3 層網(wǎng)帶出口的泥層壓降為6.4 Pa。上述現(xiàn)象表明，隨著干化作業(yè)的進(jìn)行，各位置的污泥層壓降逐步降低。此外，在本研究工況中，在1 m/s 的限定風(fēng)速下，計(jì)算得出3 層網(wǎng)帶上污泥層產(chǎn)生的總壓降達(dá)到了71.5 Pa。上述結(jié)果能夠?yàn)楦稍餀C(jī)的選型設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，不同工況下泥層產(chǎn)生的壓降各不相同：（1）由于泥層會(huì)阻礙氣流運(yùn)動(dòng)，泥層產(chǎn)生的壓降都顯著高于空載時(shí)的孔板產(chǎn)生的壓降，且壓降會(huì)隨著風(fēng)速的提高而顯著增加。（2）5，7，9 mm 3 種不同泥條直徑下泥層的壓降差異并不顯著，且未發(fā)現(xiàn)規(guī)律性變化。（3）30，50，70，90 mm 的泥層厚度下，泥層的壓降隨厚度的提高而增加。（4）在干化至80%，70%，60%，50%，40%的不同的含水率階段，隨著干化過(guò)程污泥含水率的降低，泥層的壓降逐步減小，且泥層大部分的壓降集中在含水率80%至70%的干化段。（5）隨著干化作業(yè)的進(jìn)行，各位置的污泥層壓降逐步降低，在1 m/s 的限定風(fēng)速下，計(jì)算各層網(wǎng)帶上污泥層產(chǎn)生的總壓降達(dá)到71.5 Pa。