滾筒法OG泥-鋼球接觸式干燥過程實驗

王兆宇，溫治,2，蘇福永,2，鄧升安

(1.北京科技大學能源與環(huán)境工程學院，北京，100083；2.北京科技大學冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點實驗室，北京，100083)

隨著鋼鐵產業(yè)不斷發(fā)展，環(huán)保問題也日益嚴重。轉爐煉鋼產生的煙氣存在顆粒小、含塵量大、污染嚴重等問題，但同時具有較高的綜合利用價值[1]。通常采用濕法和干法2 種除塵方式[2]。濕法除塵具備安全、維護量小、造價低等特性，在我國有廣闊的應用前景[3]。而鋼鐵行業(yè)作為固體廢棄物產生大戶，一般生產1 t 鋼約產生600 kg 固體廢棄物，其中，塵泥的產生比例約占鋼產量的5%～8%[3-4]。

轉爐污泥(oxygen converter gas recovery，OG泥，即通過OG 法濕式除塵得到的污泥)主要是轉爐灰與水的混合物，具有如下特性：

1)顆粒細膩、均勻。70%以上顆粒的粒徑小于5 μm[5]，90%以上顆粒的粒度小于25 μm[6]，這導致污泥水分中毛細結合水與污泥的毛細力較大[7]，難以脫除。

2)含鐵量高[8]。含鐵量通?？蛇_到50%以上，易結成堅硬團塊，對設備產生不良影響。

3)易結團。即便污泥表層已干，中心含水率也可能很高。

目前的處置方法主要是“濃縮—脫水—干燥—資源化”。資源化工序要求污泥含水率越低越好[9]，例如壓球需要20%以下含水率[10]，但脫水工序如機械脫水只能將含水率降至30%～50%[11]，必須進一步干燥。常見的干燥技術有：

1)薄層熱風干燥技術[12]。干燥過程中污泥表層易結殼[13]，且處理量較小。

2)槳葉式干燥技術。該技術有自潔功能，傳熱傳質面積大，但處理能力小，易堵塞[14]。

3)射流干燥技術。氣體破碎作用可防止污泥結團，但設備磨損較嚴重，成本高[15]。

DELELE 等[16]認為與帶式和流化床干燥相比，滾筒干燥的干燥效率更高且運行成本更低；CHUN等[17]開發(fā)設計了新型的污泥滾筒干燥機，并研究了其相關工藝參數(shù)；GU等[18]通過實驗研究了滾筒溫度、轉速和物料停留時間對出料溫度和含水率的影響；CHAUDHURI 等[19]通過實驗與模擬，分析了滾筒轉速、物料熱導率以及滾筒擋板對于傳熱和物料流動的影響；NAFSUN 等[20]通過實驗，分析了滾筒中石英砂、玻璃珠、膨脹黏土和鋼球等不同分散體系下的熱混合行為。

本文采用滾筒干燥，滾筒中鋼球采用冶金行業(yè)的高溫冶金渣余熱加熱。在干燥過程中，滾筒內的抄板不斷將鋼球和污泥抄起和撒落[21]，鋼球作為熱源和破碎介質，對濕污泥進行干化處理。滾筒內鋼球和污泥的運動和干燥過程非常復雜，涉及水分蒸發(fā)、破碎和粉化等過程，為此本文通過實驗手段研究其動態(tài)干燥過程，探索干燥規(guī)律和運行參數(shù)的合理范圍，以便為后續(xù)研究提供相關指導。

1 實驗材料、裝置及方法

1.1 試驗材料

污泥選用已通過機械脫水處理的轉爐OG 污泥，主要成分為金屬氧化物。在實驗室條件下進行預處理：

1)使用電熱鼓風干燥箱將污泥在105 ℃條件下干燥，獲得干污泥。

2)對干泥進行研磨破碎，并過孔徑為0.6 mm的篩網進行篩分，去除粗大堅硬的顆粒和結團泥塊，正式試驗使用前再次進行105 ℃干燥處理，保證水分完全脫除。

考慮到不同含水率w的污泥會呈現(xiàn)出不同表觀狀態(tài)，且表觀狀態(tài)對干燥過程的影響非常明顯，所以，通過試驗研究污泥表觀狀態(tài)與含水率的關系，結果如圖1所示。

圖1 不同干基含水率的污泥表觀狀態(tài)Fig.1 Morphology of sludge with different moisture ratios

污泥干基含水率w低于5%時，污泥基本為固態(tài)，呈黑灰色粉末狀，濕泥存在結團和黏壁現(xiàn)象；當干基含水率為10%～18%時，污泥呈膠黏狀，柔軟且黏性大，尤其當干基含水率為15%～18%時，污泥一經攪拌會有少量漂浮油污的水析出；當干基含水率高于18%時，污泥呈流動狀，污泥已無法將水分完全吸收，表層出現(xiàn)明顯液態(tài)水，可從燒杯中傾倒出來。

含水率分濕基含水率和干基含水率2種。濕基含水率指濕物料中水分的質量分數(shù)，干基含水率指濕物料中的水分在絕干物料的質量分數(shù)。本文中所提及的含水率均為干基含水率。

1.2 試驗裝置

針對污泥的特殊物理性質，使用了圖2(a)所示的小型滾筒干燥裝置。筒體直徑為480 mm、長度為320 mm、壁厚為4 mm，滾筒入口直徑為170 mm，不銹鋼材質，配備120 W 交流齒輪調試電機，轉速可調節(jié)。滾筒內設置4個抄板結構，橫截面為等邊三角形，三角形高為40 mm，抄板軸向長度與筒體軸長度相同，每90°布置1 個抄板。本研究重點探索滾筒干燥OG泥的干燥規(guī)律和相關運行參數(shù)的合理范圍，滾筒裝置不設計邊進邊出的結構，筒體水平放置(傾角為0°)，實驗在敞口條件下進行，不設置氣流干燥過程，污泥干燥過程產生的蒸汽通過自然對流排出滾筒。

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of rotary drum apparatus

設置抄板的原因有以下3點：

1)改善混合及干燥效果。增加抄板可提高濕泥與鋼球的混合速率，降低偏析效果[22]。

2)減少干泥揚塵。三角形抄板可讓污泥與鋼球迅速灑落，降低揚料高度，從而減少干泥揚塵。

3)減少污泥黏壁。相比于矩形抄板，三角形抄板可擴大抄板和筒壁的夾角，減少死區(qū)。

其他主要儀器還有箱式電爐(型號SLQ1600-50)、大量程電子稱1(型號AX8201ZH/E)、高精度電子稱2(型號FA2004)、電熱鼓風干燥箱(型號DHG-9030A)、高靈敏K 型細絲熱電偶、測溫數(shù)顯儀(型號AT4202)、環(huán)境溫濕度計、攝像機、照明燈、秒表(手機功能)。

1.3 試驗內容

1.3.1 試驗過程

1)通過箱式爐將對應直徑的鋼球加熱至比指定溫度高15 ℃，以便減少搬運與傾倒鋼球過程中熱損失。

2)稱每個用于污泥取樣的空坩堝質量。

3)配置干基含水率為15%的濕污泥(依據(jù)生產現(xiàn)場的污泥含水率)。

4)設定滾筒所需轉速(5 r/min)，往滾筒內先加入濕污泥，再加入加熱后的鋼球，開啟滾筒裝置，同時開始計時。

5)每隔一定時間(20～30 s)用小勺對滾筒內的污泥進行取樣，裝入對應編號坩堝，取樣污泥總量占滾筒內污泥總量的2.0%～5.0%。取與鋼球混合的污泥，且每次取樣位置相同，并測定樣品質量。

6)在取樣間隙將高靈敏熱電偶插入滾筒內物料(鋼球與污泥的混合物)中測量溫度，記錄測溫時刻對應溫度。

7)試驗結束后，對污泥樣本用鼓風干燥箱進行干燥，測量其質量，并計算對應含水率。

1.3.2 試驗方案

采用正交試驗研究不同運行參數(shù)下的污泥干燥過程。鋼球初始溫度為300 ℃和500 ℃，直徑為20，30 和40 mm 的鋼球分別有432，128 和54 個，污泥處理量分別為3.0，4.0，5.0，6.7和9.0 kg。

考慮到鋼的加熱溫度超過500 ℃后容易出現(xiàn)熱疲勞損壞、氧化等問題，影響使用壽命，在實際生產中會嚴格控制鋼球溫度，一般保持在300～500 ℃，溫度太低則無法保證干燥效率。鋼球直徑和數(shù)量間的配比是為了保證每個工況的鋼球總質量都相等。污泥處理量與鋼球溫度的配比通過熱平衡計算，能保證污泥在理想情況下能被完全干燥。

由于在干燥初期鋼球與污泥混合不均，導致污泥的含水率和溫度分布非常不均勻，實驗測量的系統(tǒng)誤差較大；干燥中后期鋼球與污泥已混合均勻，且溫度接近，測量誤差較小。最后去除測量結果中的極端點，得到每個測量時刻對應的污泥溫度和含水率平均值，繪制成相應曲線。

1.4 數(shù)據(jù)處理

物料水分比M用于描述干燥程度，其定義式如下：

式中：wt為干燥過程中t時刻時物料的干基含水率；we為干燥平衡時物料的干基含水率(本研究取0)；w0為物料初始干基含水率。

2 干燥效果的影響因素

理論上，濕污泥在熱力干燥時通常會相繼經歷3 個主要階段：預熱階段、恒速階段及降速階段[23-24]。但本試驗中，由于在干燥初期鋼球與污泥混合不均，導致污泥的含水率和溫度分布非常不均勻，實驗測量的系統(tǒng)誤差較大，無法確定恒速段的污泥干燥速率是否恒定，但可以測量其干燥速率在整個干燥過程中屬于最快時期，稱為快速段。由于預熱段的時間一般都很短，導致部分工況的試驗結果中無法觀測到。

2.1 鋼球直徑

首先采用3.0 kg濕污泥處理量，鋼球初始溫度為300 ℃進行實驗。圖3所示為不同直徑鋼球干燥下污泥在干燥過程中溫度和水分比(M)隨時間的變化曲線。

由圖3(a)可見：一開始污泥處于膠黏態(tài)，能包裹鋼球(熱源)充分接觸，實現(xiàn)快速升溫。鋼球直徑為20 mm 時的污泥升溫速度快于其他條件的污泥升溫速度。在加熱一段時間后，鋼球直徑為20 mm條件下的污泥溫度開始快速下降，最后停留在50 ℃左右；而鋼球直徑為30 mm 條件下的污泥溫度依舊緩慢上升，然后緩慢下降，最后停留在60 ℃左右；鋼球直徑為40 mm 條件下的污泥溫度經過一段時間的波動，最后停留在65 ℃左右。這是因為雖然鋼球攜帶的總熱量相等，但鋼球的直徑越小，與污泥接觸的比表面積更大，即與污泥的換熱面積越大，溫度升高越快。直徑為20 mm的鋼球傳熱更快，所以污泥升溫更快；同時，因為污泥升溫更高更快，對流的空氣會帶走更多的熱量，直徑為20 mm 的鋼球迅速降溫，所以，在干燥后半段降溫也更快。

由圖3(b)可見：3 種工況的污泥基本不存在明顯的預熱段，只有快速段和降速段，且最終污泥都基本干燥為粉末狀。鋼球直徑為20 mm和30 mm時的污泥完全干燥(w＜3%)所需的時間大約為400 s，且干燥速率非常接近，而鋼球直徑為40 mm 時所需時間達到600 s。這是因為鋼球直徑越小，換熱越快，而污泥溫度越高，水分析出越快。

圖3 不同直徑鋼球條件下污泥(3 kg)溫度與水分比隨時間變化曲線Fig.3 Temperature and moisture ratio variation curves of sludge(3 kg)with different diameter steel balls

采用4.0 kg 的濕污泥處理量，鋼球初始溫度300 ℃進行實驗。圖4所示為不同直徑鋼球干燥下污泥在干燥過程中溫度和水分比(M)隨時間的變化曲線。與圖3(a)相比，圖4(a)中3 種工況下的污泥溫度曲線相對接近，當鋼球直徑為40 mm 時，污泥的初始升溫稍慢，而之后的降溫也稍慢。從圖4(b)可明顯看出，干燥開始階段鋼球直徑為20 mm時的污泥干燥速率最快，鋼球直徑為30 mm 時的污泥干燥速度次之，鋼球直徑為40 mm 時的污泥干燥速度最慢。隨后，前二者的干燥速率迅速下降，鋼球直徑為40 mm 時的干燥速率緩慢下降。最終，鋼球直徑為40，30 和20 mm 時的污泥水分比分別低于3.0%，6.1%和12.5%。

圖4 不同直徑鋼球條件下污泥(4 kg)溫度與水分比隨時間變化曲線Fig.4 Temperature and moisture ratio variation curve of sludge(4 kg)with different diameter steel balls

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因有3點：

1)雖然3種直徑鋼球初始的水當量相等，但由于直徑越小的鋼球換熱越快，污泥升溫更快，導致在干燥初期有更多熱量通過對流被空氣帶走而非用于水分蒸發(fā)，所以，當污泥的處理量增大時，污泥與鋼球的水當量之比增大，直徑更小的鋼球由于有更多熱量被空氣帶走，實際用于蒸發(fā)水分的熱量更少，最終干燥效果更差。

2)污泥中的水分主要分為自由水和結合水，前者較易蒸發(fā)而后者需要較高溫度，干燥開始階段蒸發(fā)自由水，而當污泥溫度下降后，結合水的蒸發(fā)變得困難。

3)鋼球直徑越大，質量越大，在滾筒中對于污泥的破碎效果越好，而且污泥處理量越大，效果越明顯，更有利于污泥中水分析出。

綜上所述，鋼球直徑越小，越有利于傳熱，干燥開始階段的干燥速率與升溫速度更快；鋼球直徑越大，對于污泥的破碎效果越好，更有利于處理較大污泥處理量的情況。

2.2 鋼球初始溫度

統(tǒng)一采用4.0 kg污泥處理量，128個直徑為30 mm鋼球進行實驗。圖5所示為鋼球不同初始溫度下污泥在干燥過程中溫度和水分比隨時間的變化曲線。

圖5 不同鋼球初始溫度下污泥干燥過程溫度隨時間變化曲線Fig.5 Temperature and moisture ratio variation curve of sludge drying process with different initial temperature of steel balls

由圖5(a)可見：2 種工況的污泥在干燥全過程的溫度變化階段基本相同，都是先迅速升溫，然后緩慢降溫。由于500 ℃的鋼球攜帶的熱量更多，水當量更大，對應污泥的升溫階段更長。這是因為污泥一方面吸收鋼球傳導的熱量，另一方面會因為內部的水分蒸發(fā)和自然對流而散失熱量，所以，2種工況的初始升溫速度接近。

由圖5(b)可見：2 種工況的污泥都不存在預熱段，最終只有500 ℃時的污泥被完全干燥。在鋼球初溫300 ℃工況下，大約前200 s 處于快速干燥階段，然后處于降速階段，最終水分比停留在6.0%左右。而在鋼球初溫500 ℃工況下，污泥在125 s時水分比已經達到1.0%以下，基本完全干燥，不存在降速干燥階段，而此時污泥還處在升溫階段。另外，結合圖5(a)，2 種工況下污泥的快速升溫階段與快速干燥階段基本吻合。300 ℃工況下鋼球與污泥溫度迅速接近，導致污泥得到的熱量開始小于蒸發(fā)與自然對流失去的熱量，干燥速率明顯降低；而在500 ℃工況下，當污泥已經達到完全干燥時鋼球溫度依舊比污泥溫度高，所以，污泥溫度在此之后仍有小幅上升。另外，較低的污泥溫度不利于污泥中結合水析出，所以，在300 ℃工況下，最終干燥結束時污泥仍有較高的水分比。

綜上所述，提高鋼球初始溫度可有效提高污泥干燥的速率，而且溫度越高，干燥速率提升幅度越大，污泥干燥得越徹底；但鋼球初始溫度不宜過高，一方面，相關成本會提高，另一方面，可能會出現(xiàn)污泥已干燥完全但鋼球仍有很高溫度，污泥仍舊在升溫，造成熱量浪費的情況，因此，適合該工況的鋼球初始溫度應當在300～500 ℃之間。

2.3 污泥處理量

采用鋼球初溫為300 ℃，128 個直徑為30 mm的鋼球進行實驗。圖6所示為不同污泥處理量下污泥在干燥過程中溫度和水分比隨時間的變化曲線。

由圖6(a)可見：在污泥處理量為5.0 kg 的工況下，污泥在開始升溫后迅速降溫，且在同一時刻相比其他工況溫度更低，最終污泥溫度低于50 ℃；在處理量為4.0 kg 時污泥溫度略高于同一時刻處理量為5.0 kg時的污泥溫度，最終污泥溫度與之非常接近；而處理量為3.0 kg時的污泥溫度最終維持在60 ℃以上。

由圖6(b)可見：處理量為3.0 kg時污泥干燥速率明顯更快，快速干燥階段更長，最終，干燥結束時，污泥水分比最低，低于2%；處理量為4.0 kg時干燥速率次之，最終水分比約為6.2%；處理量為5.0 kg 時速率最慢，最終水分比約為21.5%。處理量越大，干燥速率越慢，且干燥結束得到的污泥水分比更高。

圖6 不同污泥處理量下污泥干燥過程溫度和水分比隨時間變化曲線(300 ℃)Fig.6 Temperature and moisture ratio variation curves of sludge drying process with different amount of sludge treatment(300 ℃)

采用鋼球初溫為500 ℃，直徑為30 mm 的鋼球128個進行實驗。圖7所示為不同污泥處理量下污泥在干燥過程中溫度和水分比隨時間的變化曲線。綜合圖6和7 可知，在鋼球初始溫度為300 ℃時，污泥處理量在3.0 kg以下干燥效果較好；在鋼球初始溫度為500 ℃時，污泥處理量略大于6.7 kg時干燥效果較好。

圖7 不同污泥處理量下污泥干燥過程溫度和水分比隨時間變化曲線(500 ℃)Fig.7 Temperature and moisture ratio variation curve of sludge drying process with different amount of sludge treatment(500 ℃)

3 最終干燥效果

在研究工況下，多數(shù)能夠使污泥完全干燥。污泥最終呈粉末狀，且回收污泥的粒徑基本上都小于0.6 mm。圖8所示為完全干燥時污泥和鋼球的結束狀態(tài)。由圖8可見：鋼球表面有少量磨損，且表面附著少量污泥粉末或小顆粒。滾筒內壁面也附著少量污泥粉末或小顆粒，在內壁面焊接角落處即鋼球破碎死區(qū)，有少量干污泥殘留。

圖8 完全干燥下污泥和鋼球的結束狀態(tài)Fig.8 End states of sludge and steel balls under complete drying

在未完全干燥的工況中，污泥最后呈輕微潮濕狀，而由于此時污泥仍具有一定溫度，在室溫下靜置一段時間后，平均干基含水率降至約1.92%，接近粉末狀。但會有少量結團污泥附著在鋼球表面和滾筒壁面上，而且在內壁面焊接角落處存在大塊的未完全干燥的團塊，如圖9所示。

圖9 未完未全干燥下污泥和鋼球的結束狀態(tài)Fig.9 End states of sludge and steel balls under incomplete drying

這是因為當鋼球直徑較小時，在滾筒內滾動時所帶來的沖擊力不夠，容易在鋼球表面和壁面殘留污泥團塊；同時，當鋼球直徑較大時，在抄板焊接處留下死區(qū)更大，更容易在此處留下大塊結團。當工況的干燥速率和干燥效果較好時，上述2種結團現(xiàn)象都不明顯。

4 結論

1)OG泥干基含水率低于18%時呈固態(tài)，大于18%時呈膠黏狀，且會有水分浮在表面。處于膠黏狀的OG泥存在黏性大、易結團的問題，在滾筒內容易出現(xiàn)黏壁、結團等現(xiàn)象，嚴重影響污泥進一步干燥。

2)提高鋼球初始溫度或減少污泥處理量都可以提高污泥干燥效率和改善最終干燥效果；鋼球直徑越小，開始階段的干燥速率越大；鋼球直徑越大，污泥破碎效果越好，可干燥更多污泥。若污泥能被完全干燥(干基含水率低于4%)，則最終呈粉末狀。

3)選用大直徑鋼球可以減少鋼球表面和滾筒壁面結團現(xiàn)象；小直徑的鋼球干燥破碎時的死區(qū)更小，抄板焊接處難以出現(xiàn)較大結團；為避免結團，需要改變其他工況以提高干燥速率。

4)滾筒內污泥干燥過程中大部分都相繼經歷3個主要階段：預熱段，污泥吸熱至濕球溫度開始干燥；快速段，污泥溫度到達濕球溫度后，溫度快速升高，含水率快速下降；降速段，污泥中結合水在溫度降低后較難蒸發(fā)，干燥速率下降，最終趨于停滯。本研究中，大部分工況幾乎不存在預熱段。