有機(jī)硅污泥干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

摘 要 分析了有機(jī)硅污泥產(chǎn)生的過程及主要特性，簡述了污泥干燥的機(jī)理，梳理了現(xiàn)階段具有良好應(yīng)用潛力的污泥干燥技術(shù)及其核心裝備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，旨在為污泥干燥技術(shù)與有機(jī)硅領(lǐng)域的結(jié)合以及工程化應(yīng)用提供必要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 有機(jī)硅污泥 干燥技術(shù) 干燥裝備

中圖分類號 TQ051.8+92" "文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A" "文章編號 0254?6094（2023）01?0011?05

有機(jī)硅是重要的基礎(chǔ)化工材料之一，被譽(yù)為“工業(yè)味精”，其主要產(chǎn)品包括硅橡膠、硅樹脂、硅油及二次加工品、硅烷偶聯(lián)劑等。因?yàn)榧鎮(zhèn)溆袡C(jī)材料和無機(jī)材料的優(yōu)異性能，具有良好的耐高低溫、電氣絕緣、耐輻射、耐臭氧、難燃、耐腐蝕及無毒無味等特性，目前廣泛應(yīng)用于新能源、電子電氣、建筑、紡織及醫(yī)療等領(lǐng)域。隨著有機(jī)硅行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，我國已經(jīng)成為全球最主要的有機(jī)硅生產(chǎn)國和消費(fèi)國之一，所產(chǎn)生的污水和污泥量也快速攀升，環(huán)保壓力和處理成本與日俱增。有機(jī)硅生產(chǎn)廠家普遍將污泥進(jìn)行簡單壓力過濾后外運(yùn)或做填埋處理，經(jīng)過機(jī)械脫水后的污泥含水率高、體積過大，導(dǎo)致后續(xù)的運(yùn)輸和處理難度加大。因此，降低含水率是實(shí)現(xiàn)有機(jī)硅污泥無害化、減量化、資源化的基礎(chǔ)。污泥干燥處理是降低含水率的關(guān)鍵，國內(nèi)外對于污泥干燥的研究日趨成熟，但針對有機(jī)硅污泥干燥技術(shù)的研究相對滯后，這間接制約了有機(jī)硅行業(yè)的發(fā)展。

1 有機(jī)硅污泥來源及性質(zhì)

1.1 污泥來源

典型的有機(jī)硅生產(chǎn)工藝主要包括氯甲烷合成、氯硅烷單體合成及有機(jī)硅高聚物合成等環(huán)節(jié)，各工序均會產(chǎn)生含有不同類型污染物的廢水。硅粉制備工序產(chǎn)生攜帶未被除塵系統(tǒng)分離的小粒徑硅粉塵的含懸浮物廢水;甲基氯硅烷單體合成工序周期性產(chǎn)生的廢觸體中含有大量銅和鋅;醇解法制取聚硅氧烷工序中部分有機(jī)硅高聚物不易溶解且密度比水大，容易在廢水中凝結(jié)成塊狀沉淀。

如圖1所示，有機(jī)硅生產(chǎn)過程形成的各類廢水首先進(jìn)入廢水預(yù)處理系統(tǒng)的預(yù)中和池調(diào)節(jié)pH值，隨后通過隔油沉淀池和均質(zhì)調(diào)節(jié)池，去除大部分的細(xì)硅粉和油類并為后續(xù)微電解及生化處理創(chuàng)造適當(dāng)?shù)倪M(jìn)水條件，經(jīng)過均質(zhì)調(diào)節(jié)后的廢水進(jìn)入氣浮池進(jìn)一步去除油類物質(zhì)，廢水經(jīng)過微電解處理后在中和絮凝沉淀池加堿中和、沉淀。生化池采用厭氧好氧（AO）工藝，廢水中的有機(jī)物通過微生物生化作用深度降解，最后廢水在二沉池進(jìn)行泥水分離，清液進(jìn)入出水監(jiān)測池經(jīng)在線儀表監(jiān)測達(dá)標(biāo)后外排。氣浮池產(chǎn)生的油泥、中和處理產(chǎn)生的無機(jī)污泥以及生化處理產(chǎn)生的污泥等均進(jìn)入污泥收集池，并通過投泥螺桿泵送入污泥脫水間，采用機(jī)械式壓濾機(jī)進(jìn)行簡單壓濾處理形成污泥濾餅，濾液返回污水處理系統(tǒng)。

1.2 污泥性質(zhì)

由于有機(jī)硅原料、中間體和最終產(chǎn)品種類繁多，生產(chǎn)過程產(chǎn)生廢水的環(huán)節(jié)較多，所含污染物差異較大且普遍為間歇性排放，加之廢水采用多效協(xié)同處理，需要外加多種藥劑，導(dǎo)致有機(jī)硅污泥化學(xué)成分復(fù)雜且波動大，除有機(jī)硅中間體、硅樹脂、硅橡膠、硅偶聯(lián)劑及中間體、硅油、浮渣等有機(jī)物外，還包括銅、鋅等重金屬以及無機(jī)鹽類。同時(shí)，經(jīng)板框壓濾機(jī)處理后的污泥濾餅，含水量仍達(dá)到50%～70%。

2 有機(jī)硅污泥干燥機(jī)理分析

2.1 污泥含水特性

有機(jī)硅污泥中主要的揮發(fā)分為水，從污泥固體顆粒與所含水分結(jié)合特性的角度，水分主要以4種形態(tài)存在于污泥中，即間隙水、表面吸附水、毛細(xì)結(jié)合水和內(nèi)部水。其中，間隙水處于污泥團(tuán)塊之間，相互作用力較弱，相對易分離，約占污泥水分的70%，是有機(jī)硅污泥干燥的主要對象;表面吸附水是指以膠狀形式附著在污泥固體表面上的水分，約占污泥水分的7%;毛細(xì)結(jié)合水是指由于毛細(xì)壓力結(jié)合在污泥顆粒接觸面上或裂隙間的水分，相互作用力較大，常規(guī)的濃縮或物理脫水方法無法脫除，約占污泥水分的20%;內(nèi)部水主要指所含微生物的細(xì)胞液，約占污泥水分的3%。表面吸附水和內(nèi)部水需要采用持續(xù)高密度能量深度脫除。

2.2 有機(jī)硅污泥干燥機(jī)理

目前，隨著對污泥干燥相關(guān)研究的日益深入，典型污泥干燥過程主要分為3個(gè)階段：

a. 加速階段，是指濕污泥表面水分受熱快速汽化蒸發(fā)的過程;

b. 恒速階段，是指由于污泥表面水分不斷蒸發(fā)，污泥內(nèi)部水分受熱并在溫度場的作用下不斷遷移至表面并且持續(xù)蒸發(fā)的過程;

c. 減速階段，是指污泥內(nèi)部水分從表面溢出的速率低于水分汽化速率的過程。

目前普遍認(rèn)為，污泥干燥溫度處于100～

200 ℃范圍時(shí)，上述3個(gè)階段特性顯著，而當(dāng)干燥溫度達(dá)到300 ℃以上時(shí)，并不存在真正的恒速階段。污泥干燥溫度、環(huán)境濕度及顆粒粒徑等因素都會直接影響污泥干燥效率。當(dāng)環(huán)境濕度等條件恒定，污泥干燥溫度低于100 ℃時(shí)，污泥顆粒粒徑對污泥干燥效率起主導(dǎo)作用;污泥干燥溫度高于100 ℃時(shí)，干燥溫度成為干燥效率主要的影響因素。整體而言，各類干燥技術(shù)的應(yīng)用都是將污泥顆粒以及干燥溫度的調(diào)節(jié)和組合作為提升污泥干燥速率的重要途徑。在相同條件下，污泥顆粒粒徑的變化對于干燥效率的影響更加顯著，因?yàn)槠洳坏龃罅宋勰囝w粒比表面積，同時(shí)還提高了單位面積干燥速率。

3 污泥干燥技術(shù)及核心裝備

自20世紀(jì)初，英國首次開發(fā)了轉(zhuǎn)筒式污泥干燥系統(tǒng)并成功運(yùn)用于工程實(shí)踐，經(jīng)過百余年的發(fā)展，在熱干燥、太陽能干燥等傳統(tǒng)污泥干燥技術(shù)逐漸得到完善的同時(shí)，以過熱蒸汽干燥、微波輻射干燥等為代表的新型污泥干燥技術(shù)也得到了蓬勃發(fā)展。

3.1 熱干燥技術(shù)

污泥熱干燥技術(shù)是最早試驗(yàn)和應(yīng)用的污泥干燥技術(shù)之一，其技術(shù)成熟度高，擁有大量工業(yè)化應(yīng)用業(yè)績。按照污泥與熱介質(zhì)的傳熱形式和是否直接接觸分類，主要可分為直接熱干燥、間接熱干燥、紅外干燥及其組合技術(shù)。

直接熱干燥技術(shù)基本原理為熱介質(zhì)與濕污泥直接接觸，進(jìn)行對流換熱并帶走蒸發(fā)出的氣體。在干燥過程中，熱介質(zhì)如高溫蒸汽、熱氣體（煙氣、空氣、惰性氣體）低速通過污泥層，完成熱量交換并作為載氣帶走揮發(fā)分，經(jīng)過冷凝、加熱等后處理系統(tǒng)再生實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，廢氣處理后達(dá)標(biāo)排放或回到污水處理系統(tǒng)。由于污泥與熱介質(zhì)直接接觸，因此需要專門配置尾氣后處理系統(tǒng)，處理單位污泥的廢氣排放量高達(dá)1.0～1.5 kg/kg。其干燥效率在80%～90%左右，主要影響因素包括污泥固體顆粒粒徑及表面積、污泥及其揮發(fā)分的物理特性、污泥與熱介質(zhì)的運(yùn)動速度、干燥溫度、環(huán)境濕度等。直接污泥熱干燥需要投入的熱介質(zhì)量較多、干燥處理系統(tǒng)規(guī)模龐大、尾氣處理系統(tǒng)也較復(fù)雜且設(shè)備操作和維護(hù)難度高。目前，工程實(shí)際中常用的直接熱干燥設(shè)備有帶式干燥機(jī)、轉(zhuǎn)盤式干燥器、噴霧式干燥器、閃蒸式干燥器、多效蒸發(fā)器及轉(zhuǎn)窯式干燥器等。

與直接熱干燥不同，間接熱干燥技術(shù)中熱介質(zhì)與物料不直接接觸，導(dǎo)熱油、蒸汽及熱煙氣等熱介質(zhì)加熱干燥設(shè)備器壁或設(shè)備內(nèi)部的換熱管，通過設(shè)備整體或熱軸的轉(zhuǎn)動強(qiáng)化污泥與加熱面的接觸，實(shí)現(xiàn)污泥與熱介質(zhì)的熱量交換。這種干燥方式無需設(shè)置熱介質(zhì)與干污泥的后續(xù)分離步驟，同時(shí)導(dǎo)熱油等熱介質(zhì)經(jīng)過加熱后大部分可以回到原系統(tǒng)中循環(huán)使用，可有效節(jié)約能源。整個(gè)干燥系統(tǒng)工藝路線短、設(shè)備相對簡單，運(yùn)行管理方便、安全。間接熱干燥設(shè)備主要包括蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)、薄膜干燥器、蝶式干燥機(jī)、槳葉式干燥機(jī)及圓盤式干燥機(jī)等。

3.1.1 帶式干燥機(jī)

帶式干燥機(jī)是典型的對流傳導(dǎo)直接加熱型干燥設(shè)備，由若干個(gè)獨(dú)立的干燥單元組成，每個(gè)單元由動力系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)等組成。其工作原理為污泥由加料器均勻地分散在整個(gè)接觸帶上，加熱空氣或煙氣由下往上或由上往下穿過鋪在接觸帶上的濕污泥，加熱干燥并帶走水分。帶式干燥機(jī)可設(shè)計(jì)成單層、雙層和多層干化結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)傳送帶速度和干燥溫度，以適應(yīng)不同種類污泥干燥所需停留時(shí)間的需要。主要特點(diǎn)為干燥速率高、蒸發(fā)強(qiáng)度高、產(chǎn)品質(zhì)量好，但設(shè)備進(jìn)料需要污泥具有一定的形狀，通常通過摻混一定比例的返料干泥實(shí)現(xiàn)。

3.1.2 蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)

蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)（圖2）是一種間接熱干燥設(shè)備，主要由筒體、加熱系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、進(jìn)出料系統(tǒng)及旋轉(zhuǎn)接頭等組成。筒體內(nèi)以同心圓方式設(shè)置有一圈或多圈換熱管，筒體低速旋轉(zhuǎn)并具有一定的斜度，加熱蒸汽在換熱管內(nèi)冷凝放熱后通過管壁將熱量傳遞給濕污泥，濕組分達(dá)到沸點(diǎn)后汽化蒸發(fā)，干燥蒸發(fā)出的氣體經(jīng)過負(fù)壓引出，污泥實(shí)現(xiàn)干燥。蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的主要特點(diǎn)為熱效率高，處理能力大，適用范圍廣，干燥溫度均勻，干燥效果好，設(shè)備密閉性好，可應(yīng)用于防爆環(huán)境。

3.1.3 槳葉式干燥機(jī)

槳葉式干燥機(jī)（圖3）主要由熱軸、機(jī)身、端片、上蓋及傳動系統(tǒng)等組成，其工作過程為水蒸氣或?qū)嵊偷葻峤橘|(zhì)通過干燥機(jī)的熱軸及葉片和W型夾套對濕污泥同時(shí)進(jìn)行加熱，蒸發(fā)出的氣體由載氣帶出并進(jìn)入后處理系統(tǒng)。污泥在設(shè)備內(nèi)不斷受熱干燥的同時(shí)，由于機(jī)身傾斜度、熱軸轉(zhuǎn)動攪拌以及抄料板的作用逐漸向出料端移動，調(diào)節(jié)設(shè)備出料端堰板高度可控制停留時(shí)間，最終合格產(chǎn)品從干燥機(jī)出料口排出。空心熱軸的轉(zhuǎn)速和導(dǎo)熱油（或水蒸氣）的溫度對污泥干燥效率具有重要影響。槳葉干燥機(jī)的特點(diǎn)為干燥后污泥粒度均勻，熱介質(zhì)可重復(fù)使用，污泥顆粒運(yùn)動規(guī)律性強(qiáng)，熱軸可相互嚙合具有自清潔作用，防止污泥粘壁。

3.2 太陽能干燥技術(shù)

作為傳統(tǒng)污泥干燥技術(shù)之一的太陽能干燥技術(shù)，利用太陽能與溫室干燥方法對污泥進(jìn)行干燥處理，根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為溫室型、集熱型太陽能干燥系統(tǒng)以及與其他能源方式聯(lián)合應(yīng)用的太陽能干燥系統(tǒng)。

太陽光輻射平鋪在溫室的濕污泥，污泥溫度持續(xù)升高，采用翻泥機(jī)強(qiáng)化傳熱使污泥表面水分汽化不斷蒸發(fā)，空氣濕度逐步增加隨著通風(fēng)和自然循環(huán)排出并不斷循環(huán)完成污泥干燥過程。通過對污泥開展集熱-儲熱技術(shù)的太陽能干燥試驗(yàn)，結(jié)果表明，在夏季經(jīng)過7～12 d，污泥含水率從85%降低至6%，冬季需要9～33 d，污泥含水率減少約80%。相較其他干燥工藝，太陽能污泥干燥技術(shù)最大的特點(diǎn)為節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低，我國太陽能資源豐富，為該干燥技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了條件，但由于太陽能熱流密度低且不具有穩(wěn)定的連續(xù)性，導(dǎo)致污泥太陽能干燥工程項(xiàng)目尤其是大型項(xiàng)目并不多見。

3.3 過熱蒸汽干燥技術(shù)

過熱蒸汽干燥技術(shù)是一種新型污泥干燥技術(shù)，與普通熱風(fēng)式干燥技術(shù)相比，最顯著的特點(diǎn)在于采用過熱蒸汽代替熱煙氣、空氣等傳統(tǒng)熱介質(zhì)，雖然過熱蒸汽干燥機(jī)內(nèi)與污泥換熱后產(chǎn)生的廢氣仍以蒸汽形式排出，但后續(xù)系統(tǒng)可通過冷凝的方法回收蒸汽潛熱并循環(huán)利用，熱效率高。由于水蒸氣熱容量是空氣的一倍，因此提供單位熱量的熱介質(zhì)消耗量顯著降低。

普遍認(rèn)為，在相同流體條件及溫度環(huán)境下，水分在濕空氣、干空氣和過熱蒸汽中蒸發(fā)存在一個(gè)顯著的溫度“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，過熱蒸汽干燥在高于此“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”的環(huán)境下速率明顯高于普通的熱風(fēng)干燥，反之干燥速率則大幅降低，且余熱回收的效果也會下降。從原理上分析，傳統(tǒng)熱風(fēng)式干燥技術(shù)均可采用過熱蒸汽作為熱介質(zhì)。與此同時(shí)，當(dāng)喂入常溫污泥時(shí)，將其加熱到蒸發(fā)溫度的過程可能會產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致干燥時(shí)間增加以及設(shè)備和管路的腐蝕。

3.4 其他干燥技術(shù)

微波輻射干燥技術(shù)通過發(fā)射波長為0.001～

1 m、頻率為3×102～3×105 MHz的電磁波，在微波電場作用下，污泥內(nèi)部的水分子劇烈振蕩、摩擦，且由內(nèi)向外溫度遞減，具備高能量的內(nèi)部水分快速向表面移動并不斷受熱汽化。該技術(shù)的特點(diǎn)是熱效率高，加熱時(shí)間短，后處理簡單、高效，但對于連續(xù)流動污泥在微波場中的變化規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。在工程應(yīng)用方面，微波發(fā)生需要耗電，這也成為該技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。

熱泵干燥技術(shù)是公認(rèn)的環(huán)保干燥技術(shù)之一，其基本原理為經(jīng)過冷凝器的高溫低濕熱介質(zhì)與濕污泥接觸、換熱并將其中的水分帶出干燥機(jī)，成為相對濕度為70%～80%的高濕氣體，通過蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)氣液分離并排出冷凝液。熱泵干燥系統(tǒng)通常采用干燥熱介質(zhì)部分循環(huán)模式，有效降低熱量吸收和熱泵的壓縮功，干燥過程不需要排放含有復(fù)雜成分的廢氣，環(huán)境污染小，但存在初期投資大、單機(jī)容量小的問題。

近年來，各類污泥干燥處理技術(shù)的組合利用也成為污泥干燥研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，如物理脫水預(yù)干燥和熱干燥組合，生化處理和熱干燥法組合，直接熱干燥與間接熱干燥組合等兩級甚至多級干燥模式。相較于單一的污泥干燥技術(shù)，組合干燥技術(shù)可根據(jù)污泥特性和資源條件進(jìn)行針對性的分級化處理，處理效率和處理效果更好。

4 結(jié)束語

有機(jī)硅污泥有效處理已經(jīng)成為制約有機(jī)硅行業(yè)發(fā)展的瓶頸之一，有機(jī)硅污泥成分復(fù)雜、產(chǎn)量不連續(xù)且波動較大。目前，我國對有機(jī)硅污泥干燥處理的研究仍處于起步階段，應(yīng)重點(diǎn)從技術(shù)可靠性、熱介質(zhì)可得性、能耗、安全性、投資及運(yùn)行成本等角度選擇適當(dāng)?shù)奈勰嗵幚矸较颉，F(xiàn)階段傳統(tǒng)干燥技術(shù)的干燥機(jī)相對成熟并具有大量商業(yè)應(yīng)用業(yè)績，仍然是當(dāng)前有機(jī)硅污泥處理重要的潛在手段。

隨著污泥處理技術(shù)不斷創(chuàng)新，傳統(tǒng)污泥干燥技術(shù)與新型干燥技術(shù)結(jié)合不斷深入，更多新的污泥干燥技術(shù)將應(yīng)用于有機(jī)硅污泥處理領(lǐng)域。對污泥干燥技術(shù)及其核心裝備開展的深入研究，將積極推動有機(jī)硅污泥干燥技術(shù)的革新和完善，拓寬有機(jī)硅污泥處置的手段，實(shí)現(xiàn)有機(jī)硅污泥的資源化和減量化利用。

（收稿日期：2022-08-08，修回日期：2023-01-10）

Research Status and Progress in Development of Organosilicon

Sludge Drying Technology

HONG Tao

（Tianhua Chemical Machinery and Automation Institute Co.， Ltd.）

Abstract" "In this paper， the organosilicon sludge’s generation and its main characters were analyzed and its drying mechanism was described， including characteristics of sludge drying technologies and sludge drying device’s structural features with good application potentials presently so as to provide theoretical basis for combining sludge drying technologies with organosilicon industry and their engineering application.

Key words" "organosilicon sludge， drying technology， drying equipment

作者簡介：洪濤（1983-），高級工程師，從事化工機(jī)械研發(fā)及應(yīng)用工作，ht3972@163.com。

引用本文：洪濤.有機(jī)硅污泥干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].化工機(jī)械，2023，50（1）：11-15.