污泥干化過程中主要影響因素分析研究

張光輝，張 鵬，吳順勇，李佳林，馬天添

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

隨著城市化進程的加快，我國各城市面臨的污水污泥處置壓力也日益陡升。污泥作為污水處理過程中的副產物，富集了污水中大量的重金屬以及有毒有害物質，如果污泥不經過妥善處理，將對環境造成很大危害，對人和動物的健康造成潛在威脅[1]。目前污泥最終處理的主要方法有衛生填埋、生物堆肥、焚燒等，污泥含水率是污泥處理的主要制約因素，污泥含水率從95%降至60%是填埋與堆肥的起點，50%是焚燒的起點[2]。由此可以看出，無論采用何種方法進行處理，污泥干化脫水是污泥減量化最為關鍵的一環。

污泥干化是指采用人工熱源的方式強化污泥中水分的蒸發強度，達到降低污泥含水率的方法[3]。目前污泥干化設備具有多種形式，按照傳熱方式可以分為直接干化和間接干化。由于直接干化是高溫氣體與污泥直接接觸，減少了熱傳遞過程的損失，熱值利用率高[4]。以某項目污泥處理量100 t/d干化機為研究對象，對其物理模型進行簡化，采用數值模擬的方法對污泥直接干化的影響因素（風速、溫度、污泥厚度）進行研究。

1 模型描述

1.1 幾何模型

圖1 污泥干化的幾何簡化模型

如圖1所示，污泥平鋪在污泥干化設備履帶表面，高溫氣體從一端流入，在流動過程中與濕污泥進行熱量傳遞，污泥溫度升高，污泥水分蒸發后隨高溫氣體流出。本模型將污泥簡化成具有一定孔隙結構的多孔介質，污泥中水分填充在多孔介質的孔隙結構中[5]。

1.2 控制方程

式中u——速度，m/s

F——體積力源項，N/m3

Cp——定壓比熱容，J/（kg·K）

q——熱通量，W/m3

Ci——氣體組分濃度，mol/m3

Ri——質量源項，mol/（m3·s）

mvap——質量蒸發速率，mol/（m3·s）

Kvap——蒸發速率，s-1

aw——水分活度，取值為1

cvsat——蒸汽飽和濃度，mol/m3

cv——空氣中水蒸汽濃度，mol/m3

2 結果分析

主要分析了不同的風速u、不同氣體溫度Tair以及不同污泥高度h對污泥干化的影響。由圖2、圖3、圖4分析可知，污泥干化過程分為恒速干化和降速干化2個階段，這是因為污泥中水分主要分為自由水和結合水，在干化的前期階段主要是自由水受熱蒸發。隨著自由水的逐漸減少，逐漸進入降速干化階段，這是因為結合水污泥多孔結構毛細現象的存在，需要克服毛細力的影響才能將結合水蒸發出去，導致蒸發速率降低。

圖2 不同氣體流速條件下污泥內部含水率變化

2.1 高溫氣體不同速度對污泥干化的影響

圖3 不同氣體溫度條件下污泥內部含水率變化

由圖2可知，在污泥高度h為5 mm、氣體溫度為50℃時，隨著氣體速度的增加，污泥恒速干燥速率緩慢增加，污泥干化所需要的時間也逐漸減少，在速度為1 m/s時，污泥完全干化所需時間約400 min；在速度為2 m/s時，污泥完全干化所需時間約300 min。隨著高溫氣體速度的提高，污泥干化過程中恒速干化的速率的也逐漸增大，污泥干化時間也逐漸縮短。

圖4 不同污泥平鋪厚度條件下污泥內部含水率變化

2.2 不同氣體溫度對污泥干化的影響

由圖3可知，在污泥厚度h為5 mm，氣體速度u為1 m/s時，隨著進氣溫度的提高，污泥恒速干燥速率逐漸增加，污泥干化所需要的時間逐漸縮短。在溫度為50℃時，污泥完全干化所需時間為400 min左右，進氣溫度100℃時，污泥干化所需時間為180 min左右，且隨著溫度的升高，恒速干燥速率呈現明顯增加的趨勢。但是，隨著溫度的提升，污泥干化的強化效果有減緩趨勢。

2.3 不同污泥厚度對污泥干化的影響

由圖4可知，在氣體速度u為1 m/s、氣體溫度Tair為50時，隨著污泥高度的增加，污泥恒速干燥速率逐漸降低，污泥干化所需時間逐漸增加。在高度為5 mm時，污泥完全干化所需時間約為350 min，在高度為15 mm時，污泥完全干化所需時間超過1000 min。說明污泥平鋪厚度越小越利于污泥干化，減小污泥平鋪層厚度有利于污泥快速干化。

3 結論

污泥干化過程中，氣體速度、溫度以及污泥鋪層厚度對污泥干化過程中都具有明顯的影響。隨著氣體速度、溫度的增加，能夠強化污泥干化的效果，但是強化效應逐漸降低；污泥鋪層厚度的降低也能有效減少干化時間，且隨著污泥厚度降低強化效果也逐漸提高。在氣體速度滿足要求時，提高氣體溫度、減少污泥鋪層厚度所達到的干化效果更為明顯。