污泥干燥特性實驗研究

文_章華熔 吳軍海 王正陽 福建龍凈環(huán)保股份有限公司

1 試驗工藝與方法

1.1 工藝介紹

污泥帶式干燥機(jī)理實驗臺主要由電蒸汽發(fā)生器、熱風(fēng)電加熱器、耐高溫離心風(fēng)機(jī)、溫濕度計、污泥干燥箱、在線稱重裝置等組成（見圖1）。

圖1 污泥熱風(fēng)干燥實驗系統(tǒng)示意圖

實驗具體工藝為常溫空氣通過離心風(fēng)機(jī)送入管道與蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的熱蒸汽混合后，再經(jīng)過電加熱器進(jìn)一步加熱形成一定溫度、濕度的熱空氣；隨后熱空氣進(jìn)入污泥干燥箱，與干燥箱內(nèi)部開孔托盤上的污泥進(jìn)行直接換熱。換熱后的濕空氣排出干燥箱后直接排放或進(jìn)入下一個干燥循環(huán)。風(fēng)機(jī)出口以及電加熱器出口處分別設(shè)置笛型管測速儀，通過測得的壓差換算得到常溫空氣及混合加熱后熱空氣的風(fēng)量；干燥箱前管道上設(shè)置溫度和濕度測定儀，用來測定干燥熱空氣的溫濕度。其中，干燥箱為圓柱型，上、下端均設(shè)有氣流均布格柵；在干燥箱的進(jìn)、出口管路設(shè)置支路管道，通過切換支路管道風(fēng)閥以改變空氣介質(zhì)在干燥箱內(nèi)的上、下進(jìn)風(fēng)方向；干燥箱側(cè)部設(shè)置觀察箱門，通過此門盛放污泥和觀察箱體內(nèi)部干燥情況；根據(jù)杠桿原理設(shè)計在線稱重裝置對干燥過程中污泥質(zhì)量進(jìn)行實時監(jiān)測。

1.2 試驗方法

本文著重考察熱空氣含濕量φ、熱空氣風(fēng)速v、成型泥條直徑d、泥層鋪設(shè)厚度h、熱空氣溫度T、進(jìn)風(fēng)方向等相關(guān)影響因素對污泥干燥性能的影響。污泥在干燥過程中水分蒸發(fā)，質(zhì)量不斷減少。參考南京理工大學(xué)王新校相關(guān)實驗，根據(jù)杠桿原理搭建在線稱重裝置對污泥質(zhì)量進(jìn)行實時監(jiān)測，電子天平通過RS232串口和計算機(jī)連接，設(shè)置每30s采集一次數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)自動保存采集的數(shù)據(jù)。其中，實驗初始階段需要對污泥的含水率進(jìn)行測量，含水率以式（1）為計算準(zhǔn)則。

式中X—污泥含水率，%；m0—污泥的總質(zhì)量，g；me—污泥的絕干質(zhì)量，g。

在污泥干燥過程中，污泥的含水率以干基含水率表示，其含義為污泥中水分質(zhì)量與干基質(zhì)量的百分比，如式（2）所示。

式中MR—污泥干基含水率，g水·g干基-1；Mt—t時刻污泥的總質(zhì)量，g；Md—污泥的干基質(zhì)量，g。

污泥的失水效果以污泥干燥速率表示，通過干基含水率MR對時間t的求導(dǎo)，求得污泥的干燥速率，具體如式（3）所示。

式中vS—污泥干燥速率，g水·(g干基·min)-1；t—干燥時間，min。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 污泥的干燥過程

為了驗證實驗裝置的可靠性，首先取質(zhì)量為750g的污泥，壓成d=8mm的泥條堆置于干燥托盤中，在T=80℃，v=0.5m/s熱干空氣條件下進(jìn)行三次干燥重復(fù)實驗，得到污泥失重曲線。實驗工況下，污泥中水分逐漸析出，在干燥過程的前60min，污泥質(zhì)量急劇降低，約70%的污泥質(zhì)量損失發(fā)生在這個階段，對應(yīng)的是污泥中的間隙水和表面吸附水被去除；隨后干燥曲線逐漸平緩，對應(yīng)的是污泥中更難脫除的毛細(xì)水和內(nèi)部水被蒸發(fā)去，最終干燥完全后，剩余污泥質(zhì)量維持恒定，僅約為污泥初始質(zhì)量的12%。三次重復(fù)實驗所得的干燥曲線近乎重合，因此確定本實驗裝置合理可靠。

2.2 熱空氣含濕量對污泥干燥性能的影響

在T=80℃、h=50mm、v=0.5m/s、d=8mm以及下進(jìn)風(fēng)條件下，分別研究熱干空氣、0.033kg水/kg干空氣和0.1kg水/kg干空氣三種含濕量條件對污泥干燥性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，空氣越干燥，污泥的干燥效果越好，這是因為干燥熱空氣的水蒸氣分壓越低，越有利于污泥中水分向干燥熱空氣擴(kuò)散。尤其在熱干空氣條件下，污泥的最大干燥速率達(dá)到0.102kg水·（kg干基·min）-1，顯著高于其他兩個含濕條件下的污泥最大干燥速率。此外，當(dāng)含濕量進(jìn)一步從0.033kg水/kg干空氣提高至0.1kg水/kg干空氣時，vS下降幅度較小?？傮w上看，干燥過程保持較低的含濕量，能夠有效提高vS。

2.3 風(fēng)速對污泥干燥性能的影響

考慮到實際干燥機(jī)運(yùn)行時的風(fēng)速工況為0.5～1 m/s，本次污泥干燥實驗涉及的風(fēng)速工況為0.5、0.67、0.83和1.0m/s。本文在T=80℃、h=50mm、0.033kg水/kg干空氣、d=8mm、下進(jìn)風(fēng)時，考察不同風(fēng)速下污泥的干燥性能，發(fā)現(xiàn)干燥熱空氣的風(fēng)速v對污泥干燥速率vS的影響比較顯著，v越高，污泥的vS越大，這是因為風(fēng)速的增大能夠有效提高污泥和熱空氣之間的傳熱傳質(zhì)系數(shù)，從而提高vS，降低干燥時間；且不同風(fēng)速下污泥干燥速率的區(qū)分度也很明顯，尤其在干燥過程的初始階段，污泥的干基含水率呈梯度下降，隨著干燥過程的進(jìn)行而逐漸緩和。當(dāng)熱空氣風(fēng)速為1m/s時，污泥最大干燥速率為0.305kg水·（kg干基·min）-1，是熱空氣風(fēng)速為0.5m/s時的大約4倍。此外，將熱空氣風(fēng)速進(jìn)一步提高至1.5～2.0m/s時，發(fā)現(xiàn)托盤所承受風(fēng)力過大，污泥干燥后呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)，這與帶式干燥機(jī)的實際工況不符，因此過高風(fēng)速下的污泥干燥性能不予考測。

實驗結(jié)果表明，污泥在0.5、0.67、0.83和1m/s的風(fēng)速條件下干燥120min，污泥的最終含水率X分別為38.83%、8.58%、7.17%和6.14%，隨著風(fēng)速的提高，在實驗時間內(nèi)污泥的最終含水率逐步降低。當(dāng)風(fēng)速為0.5m/s時，污泥干燥效果不佳；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到0.67m/s以上時，污泥含水率可以在2h內(nèi)降至10%以下?？紤]到相對低風(fēng)速工況下能夠更顯著地區(qū)分出污泥在其他成型泥條直徑d、泥層鋪設(shè)厚度h等干燥條件下的干燥特性，因此，選取熱空氣風(fēng)速0.67m/s作為其他干燥條件的試驗風(fēng)速。

2.4 泥條直徑對污泥干燥性能的影響

帶式干化需要將污泥預(yù)先壓制成條狀，常用的給料機(jī)切割尺寸為5～11mm。實驗所用的污泥條在加熱托盤上堆積成一定厚度的污泥層，具體的污泥成型效果（見圖2），當(dāng)泥條直徑較小時污泥保持條狀，而當(dāng)泥條直徑增大時泥條容易斷裂成較粗的粒狀。

圖2 不同直徑污泥條的成型效果

本文在T=80℃、h=50mm、v=0.67m/s、0.033kg水/kg干空氣、下進(jìn)風(fēng)條件下干燥120min，考察不同泥條直徑對污泥干燥效果的影響。實驗結(jié)果表明，直徑不同的污泥條的干燥曲線和干燥速率曲線的重合度較高，這是因為在堆積成一定厚度的污泥層后，污泥的最終成型效果類似。其中，泥條直徑11mm時污泥的干燥效率略低于泥條直徑5、6mm時污泥的干燥效率，這是由于污泥在干燥過程中要經(jīng)歷傳質(zhì)過程和蒸發(fā)過程，污泥內(nèi)部的水分需要傳遞到泥條表面進(jìn)一步蒸發(fā)，而增大泥條直徑無疑會增加污泥傳質(zhì)過程所需的時間。

不同泥條直徑下，污泥干燥完成后的形貌特征，和干燥前的污泥對比，污泥干燥后的體積大幅收縮，最終都呈現(xiàn)干顆粒狀。在2h干燥時間內(nèi)，5、8和11mm直徑的污泥條干燥后最終含水率分別為3.24%、10.2%和10.11%，泥條直徑越大，污泥干燥后的含水率越高。此外，從干燥曲線的斜率和干燥速率上看，泥條直徑越高，污泥的干燥效果更差，泥條直徑過小會增加給料機(jī)的成型難度，同時也增加給料機(jī)功率，后續(xù)研究選用6mm作為污泥干燥的基準(zhǔn)泥條直徑。

2.5 泥層厚度對污泥干燥性能的影響

考慮到實際帶式干燥機(jī)運(yùn)行時堆積在網(wǎng)帶上的泥層厚度通常為30～90mm，因此本實驗涉及的泥層厚度工況為30、40、50、60、70、80和90mm。本文著重考察了在T= 80℃、v=0.67m/s、d=6mm、0.033kg水/kg干空氣、下進(jìn)風(fēng)條件下干燥120min，泥層厚度不同的條件下，污泥的干燥特性。在相同實驗條件下，盡管干燥初始階段污泥的干燥曲線有部分交叉重疊，但是隨著干燥過程的進(jìn)行，污泥的干燥速率隨著泥層厚度的增加而顯著降低，原因為在干燥過程中，泥層厚度越高，污泥熱質(zhì)傳遞路徑就越長，且干燥形成的表面硬化層越厚，阻力增加，從而降低了污泥干燥效率。此外，熱風(fēng)經(jīng)過污泥層時是一個降溫增濕的過程，越往后蒸發(fā)動力越差。在30、40、50、60、70、80和90mm泥層厚度下，污泥經(jīng)過2h干燥后的最終含水率分別為2.09%、6.65%、0.18%、13.34%、8.78%、26.86%和50.45%，近似與泥層厚度成正相關(guān)。當(dāng)泥層厚度為30mm時，污泥的最大干燥速率為0.155kg水·（kg干基·min）-1，是90mm泥層厚度下污泥最大干燥速率的兩倍。

從效果上看，當(dāng)污泥層厚度過高時，污泥的干燥效果未能達(dá)到理想狀態(tài)；當(dāng)污泥層厚度過低時，盡管污泥的干燥效果更好，但是會整體降低污泥處理量。此外污泥在干燥過程中會收縮，在網(wǎng)帶上形成局部的孔隙，這會使熱風(fēng)從阻力更低的孔隙穿過，從而降低干燥過程的換熱效率，進(jìn)一步導(dǎo)致熱能損失。結(jié)合帶式干燥機(jī)的項目運(yùn)行經(jīng)驗，推薦選用50～60mm作為污泥干燥的厚度。

2.6 進(jìn)風(fēng)方向和進(jìn)風(fēng)溫度對污泥干燥性能的影響

污泥帶式干燥機(jī)通常有上進(jìn)風(fēng)和下進(jìn)風(fēng)兩種方式，本實驗同時比較了兩種進(jìn)風(fēng)方式的干燥情況。結(jié)合實際污泥干燥機(jī)的工況，在干燥條件為熱空氣含濕量0.1kg水/kg干空氣下，分別考察了100、115、130、145、160℃下污泥的干燥性能。其他工況條件還包括v=0.67m/s、d=6mm、0.1kg水/kg干空氣、h=50mm。

從干燥速率曲線上看，無論是上進(jìn)風(fēng)工況還是下進(jìn)風(fēng)工況，污泥的干燥效果都隨溫度的上升而增加，尤其是在160℃的高溫條件下，污泥60min即可干燥完全。干燥溫度越高，污泥的干燥效果越好。原因為干燥溫度的升高，有效加強(qiáng)了污泥水分向熱空氣遷移，污泥內(nèi)部傳熱驅(qū)動力增大，從而提高污泥干燥效率，干燥溫度是影響干燥效率的重要因素。而在干燥過程后期，干燥曲線的斜率顯著降低，說明干燥的主要影響因素由溫度控制外部因素轉(zhuǎn)化為污泥傳質(zhì)的內(nèi)部因素。

進(jìn)一步將不同進(jìn)風(fēng)方向下的污泥干燥曲線和干燥速率曲線進(jìn)行比較：①下進(jìn)風(fēng)條件下污泥的干燥曲線整體低于上進(jìn)風(fēng)條件下污泥干燥曲線，這說明下進(jìn)風(fēng)條件下污泥的干燥效果略優(yōu)于上進(jìn)風(fēng)條件下污泥的干燥效果。出現(xiàn)這一現(xiàn)象可能是因為蒸發(fā)產(chǎn)生的水汽趨于向上流動，在下進(jìn)風(fēng)條件下污泥的進(jìn)風(fēng)方向和蒸發(fā)后水汽的流動方向相一致，干燥熱空氣更易于流動，而在上進(jìn)風(fēng)條件下，進(jìn)風(fēng)方向與水汽對流流動，阻礙了污泥的干燥進(jìn)程。②污泥干燥產(chǎn)物都呈現(xiàn)干顆粒的形態(tài)，干污泥產(chǎn)物的含水率都能夠低至5%以下。綜合所述，干燥溫度越高，污泥的干燥效果越好，干燥溫度是影響低溫干燥效率的主要重要因素。而在工況相同的條件下，下進(jìn)風(fēng)時污泥的vS略高于上進(jìn)風(fēng)時污泥的vS。

3 結(jié)語

通過實驗研究表明，不同工況下污泥表現(xiàn)出了不同的干燥性能。干燥熱空氣保持較低的含濕量，可以有效提高污泥的干燥效果，熱干空氣條件下污泥的干燥效果最佳。熱空氣風(fēng)速在0.5～1m/s范圍內(nèi)，風(fēng)速越高，污泥的干燥效果越好，干燥時間越短。泥條直徑在5～11mm范圍內(nèi)，泥條直徑過粗會增加干燥傳質(zhì)過程所需時間，從而降低污泥的干燥效果；泥條直徑過細(xì)，泥條成型不易，容易斷裂結(jié)塊，進(jìn)而降低干燥效果。攤鋪厚度在30～90mm范圍內(nèi)，泥層厚度越高，污泥越不易于干燥；但為了保證設(shè)備額定處理量，50～60mm泥層厚度適宜。干燥溫度是影響污泥干燥效率的重要因素，干燥溫度越高，污泥的干燥效率越高。在相同條件下，進(jìn)風(fēng)方向為下進(jìn)風(fēng)時污泥的干燥效率略高于上進(jìn)風(fēng)時污泥的干燥效率。