新型污泥干燥裝置的研發

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(北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

0 引言

傳統干燥設備具有干燥溫度低、設備密閉性好、保質及不破壞物料固有性能的優點，在石油化工、食品、醫藥、染料等行業得到廣泛應用[1]。傳統的干燥設備，加熱是由夾套完成，軸上的耙齒在軸旋轉時對物料起到攪拌和破碎的作用，在干燥設備內設置耙齒以攪拌被干燥物料，使物料在耙齒的翻動下，與干燥器的傳熱壁面或熱載體接觸，加快傳熱速度和濕分蒸發，達到干燥目的。由于殼體夾套是加熱面，物料與夾套加熱面接觸，達到強化換熱的目的，適用于松散物料的干燥[2]。

污泥是污水處理過程中的副產物，含水率高達95%～98%，國內應用的機械脫水方式出泥含水率在80%左右，由于污泥含水率高，導致了污泥堆放占地面積大，運輸成本高[3-4]。本文在傳統干燥設備的基礎上研發了一種干燥效率高、出泥含水率低的新型污泥干燥裝置，旨在達到減量化、穩定化、無害化的環保處理原則，并可在后續實現資源化利用[5-6]。

1 新型污泥干燥設備的工作原理

新型的污泥干燥設備的原理是，被干燥物料經由筒體上方的對輥擠條機均勻落入筒體內部，同時，特制噴嘴以1～2 Ma速度噴出的過熱空氣，與物料顆粒正面碰撞，在高溫作用及高速所產生的沖量作用下將物料中所吸附或包含的水分蒸出。接著，物料在被轉動耙齒的攪拌輸送的過程中，再與通入的熱煙氣充分混合，使物料中的水分進一步排出。在筒體的另一端上方，干化后的氣固兩相混合物進入除塵設備中進行氣固分離，可以自然沉降的干灰從筒體底部直接搜集外運。污泥干燥系統圖如圖1。

2 污泥干燥設備的研制開發

常規干燥設備結構上存在著諸多問題，一般情況下，軸和耙齒均沒有內部加熱結構[7]。有的盡管采用了空心軸和空心耙齒，但由于流體流道結構設計不合理，干燥效率較低，直接制約了設備的規模化、大型化；其次，干燥設備通常是間歇作業，限制了其處理量[8]。通過實驗研究，研制開發出高效連續生產的污泥干燥設備。新型污泥干燥設備示意圖如圖2。

2.1 型式與結構

圖4 耙齒示意圖

圖3 噴射嘴示意圖

污泥干燥系統的主要設備是污泥干燥設備，以圖2為例介紹干燥設備的具體結構。干燥設備的筒體(序號7)，從制造及耐壓方面考慮，采用圓筒形。進料口(序號9)處由對輥擠條機落下待處理物料，與此同時，噴射嘴(序號10)噴射出的過熱空氣瞬間氣化物料中的水分，噴射嘴示意圖如圖3。通過調整噴射孔的尺寸與加工工藝，達到所需要的射流速度和品質。傳動裝置(序號1、3)帶動攪拌軸轉動，攪拌軸上的耙齒帶動物料翻轉，可使物料作軸向移動。耙齒固定在中心軸上，與軸線夾角為15°左右，葉片方向朝左，為防止物料堆積在筒體左側，最后一組葉片朝右。葉片的形式如圖4，其優點是被翻起的物料多，可以充分與熱煙氣進行二次熱交換。

2.2 傳熱

污泥干燥設備的熱源主要是高速噴射的過熱空氣和熱煙氣。過熱空氣由過熱爐產生，熱煙氣是過熱爐運行時產生的高溫廢氣。

2.3 轉速

轉速和攪拌效果直接有關，同時對干燥速度產生相當大的影響。一般轉速提高，干燥速度也加快，但過高的話，將引起物料與漿葉同步旋轉，粉塵飛揚也嚴重。轉速提高，動力消耗增大。通常取最佳轉速為15～25 r/min。

3 計算實例

3.1 設計參數

以處理污泥為例，對干燥過程進行質能衡算。

污泥處理量：M=2500 kg/h

初始污泥含水率：W1=40%

初始污泥含固量：W2=60%

環境溫度：T=20℃

過熱空氣溫度：T1=550℃

熱煙氣進口溫度：T2=300℃

干燥設備出口溫度：T3=250℃

水的沸點：100℃

水的比熱：C1=4.186 kJ/kg·℃

過熱蒸汽比熱：C2=2.1 kJ/kg·℃

灰的比熱：C3=0.8 kJ/kg·℃

過熱空氣比熱：C4=1.35 kJ/kg·℃

煙氣的比熱：C5=1.122 kJ/kg·℃

水的氣化潛熱：h=2258.4 kJ/kg

過熱空氣的質量流量：M4

煙氣的質量流量：M5=10000 kg/h

3.2 物料衡算

進入干燥設備的污泥中水的含量為：

M1=M×W1=2500×40%=1000 kg/h

進入干燥設備的污泥中灰的含量為：

M2=M×W2=2500×60%=1500 kg/h

3.3 熱量衡算

干燥設備出口污泥含水率為5%，則蒸發的水量為：

M3=M-M2/(1-5%)=921 kg/h

則干燥設備內的污泥吸收的熱量為：

Q=C1×M3×(100-T)+h×M3+C2×M3×(T3-100)+C3×M2×(T3-T)=2954526 kJ/h

此熱量應為過熱空氣和熱煙氣在干燥設備內交換的熱量Q1：

Q1=C4×M4×(T1-T3)+C5×M5×(T2-T3)

由此得出，過熱空氣的供應量至少應為：M4=5910 kg/h。

3.4 干燥筒體尺寸估算

經過噴射后，原料污泥中含水率可以降低到15%，該含水率下污泥的密度ρ=1300 kg/m3，噴射后污泥體積流量V為：

物料在筒體內停留時間t=1 h，一般筒體直徑d=1.5 m，為了使物料與熱煙氣混合充分，取填充率為20%，則筒體長度L為：

4 結語

本文利用高速噴射的原理研發了一種新型的污泥干燥設備，干燥效率高，出泥含水率可低至5%，沒有污染隱患，干燥系統配套簡單，解決了傳統污泥脫水設備不能連續生產、出泥含水率高的問題，達到了減量化、穩定化、無害化的環保處理要求。