污泥低溫冷凝干化機運行效果影響因素和蒸發(fā)除濕控制參數(shù)

文_梁靜 薛會鴿 袁剛

1 上海凈泥新能源科技有限公司 2 蓋羅（上海）自動化控制設(shè)備有限公司 3 MTI環(huán)境工程(北京)有限公司

常規(guī)污泥脫水工藝如離心機或板框脫水機，減水效果有限，而污泥熱干化能有效脫水減量，是污泥處理過程的重要環(huán)節(jié)。熱干化技術(shù)中一種利用密閉式帶式干化耦合制冷除濕技術(shù)不僅具有能有效脫水、所得污泥顆粒性質(zhì)穩(wěn)定、熱值高、無病原微生物的特點，而且由于采用密閉式干燥箱，沒有尾氣排出，系統(tǒng)配置簡單節(jié)省，現(xiàn)場僅需提供電能或者熱能，非常適合污水廠內(nèi)進行減容減量，近年來該技術(shù)在市場上得到大量應(yīng)用。但隨著項目建成落地，低溫冷凝干化在污泥處理領(lǐng)域的應(yīng)用問題也隨之而來，亟需工程技術(shù)人員解決。本文就實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題，探討低溫冷凝干化機運行效果的影響因素和蒸發(fā)除濕控制參數(shù)，以便為現(xiàn)場操作人員和工藝設(shè)計人員提供參考。

1 工程背景

撫州市城市污水處理廠位于江西省撫州市撫北路與夢湖東路交叉口東南側(cè)的西津渡，污水廠總占地面積約107.6畝。三期項目提標改造工程設(shè)計規(guī)模按遠期18.0×104m3/d，出水水質(zhì)標準由一級B提高至一級A排放標準，污泥處理采用板框脫水→低溫冷凝干化→制備燃料棒→協(xié)同處置工藝路線。設(shè)計市政污泥日處置量100t/d（含水率80%計）。

該項目污泥處置采用兩套每天脫水量20t的低溫冷凝干化機，將板框污泥含水率從65%脫水至20%左右。干化后的污泥顆粒混合生物質(zhì)秸稈，通過造粒機制成8mm燃料棒，送往固廢處置中心協(xié)同焚燒。

1.1 工藝原理

污泥低溫冷凝干化機采用密閉網(wǎng)帶式冷凝除濕技術(shù)，系統(tǒng)內(nèi)配置有污泥造粒機、網(wǎng)帶機運系統(tǒng)、回熱循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)、低溫冷凝除濕系統(tǒng)、污泥上料出料系統(tǒng)等。其運行原理是濕污泥經(jīng)造粒成型并靜態(tài)鋪攤在透氣網(wǎng)帶上，并由網(wǎng)帶機運轉(zhuǎn)輸，網(wǎng)帶機運系統(tǒng)一般設(shè)計多層，上下疊加布置，首尾錯開。網(wǎng)帶上污泥顆粒在干燥通道內(nèi)緩慢的往前送，由上層網(wǎng)帶跌落至下層網(wǎng)帶并轉(zhuǎn)換方向繼續(xù)移動，推進過程中，污泥的體積和重量都不斷下降，最終通過出料機構(gòu)排至系統(tǒng)外。污泥水分蒸發(fā)至箱體內(nèi)，通過循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)將濕冷空氣帶至冷卻器進行降溫除濕，所得冷凝水經(jīng)收集后排至廠區(qū)污水管網(wǎng)。

由于整個干燥過程在密封箱體內(nèi)進行，且在除濕腔體內(nèi)形成局部負壓，不會有臭味和粉塵逸出，所以不需配套復(fù)雜的尾氣處理裝備和排放煙囪。系統(tǒng)內(nèi)采用低于80℃的蒸發(fā)溫度，能有效避免污泥中除硫化氫和氨以外更多有機份的揮發(fā)，減少系統(tǒng)腐蝕和臭氣問題。熱風(fēng)干燥干化過程約90～150min，有效殺滅90%以上大腸桿菌和病原生物。

低溫冷凝干化機內(nèi)循環(huán)空氣加熱所需的外界熱能可以由電能提供，也可以是廠區(qū)熱能如余熱蒸汽、鍋爐熱水所得，加熱器設(shè)計采用90℃熱水進水，70℃熱水回水；除濕冷卻器的冷卻熱量由冷卻塔或者廠區(qū)中水提供，設(shè)計采用33℃冷卻進水，45℃冷卻回水。

1.2 污泥減量效果

經(jīng)測算，經(jīng)干燥機熱干化脫水后，干泥含水率保持在20%左右，減量比例達57%，污泥減量效益顯著。同時，污泥干燥后污泥顆粒物質(zhì)穩(wěn)定，污泥顆粒熱值約3000kcal，經(jīng)摻加生物質(zhì)秸稈制備燃料棒后其熱值可作為傳統(tǒng)燃煤的替代熱源，運輸至協(xié)同處置公司進行摻燒處理。

2 運行效果影響因素

2.1 外界氣溫變化的影響

低溫冷凝干化機采用全密閉結(jié)構(gòu)，在箱體內(nèi)污泥水分經(jīng)蒸發(fā)除濕后收集排至系統(tǒng)外，除濕污泥進口、干污泥出口和冷凝水排出口外，系統(tǒng)沒有任何和外界相連通的接口，因而從其工作原理上分析，外界氣溫環(huán)境對密閉式干燥設(shè)備主機本身沒有影響。然而從實際使用上看，外部條件如濕料溫度、循環(huán)冷卻水水溫，季節(jié)性變化等，對除濕效果和穩(wěn)定性仍有較大影響，以致影響處理能力。

當冬季出現(xiàn)氣溫-10℃以下的偶發(fā)天氣，濕污泥氣溫與夏季相比溫差30℃左右，循環(huán)熱空氣需先將物料升溫再蒸發(fā)水分，此時的蒸發(fā)效果和能效都在下降，現(xiàn)場管理人員需要增加網(wǎng)帶停留時間以保證出料效果。夏季冷卻塔循環(huán)冷卻水需全馬力開機保障干燥機內(nèi)部能量差及時排出，而冬季嚴寒天氣冷卻水僅需要部分循環(huán)。此時，需要工藝設(shè)計時考慮短流保護措施和相應(yīng)管道保溫措施，防止停機后管路結(jié)冰。

2.2 擠條裝置卡堵問題

來料污泥內(nèi)如有硬質(zhì)固體如螺絲頭，或者污泥塊本身較硬，如使用高壓板框工藝添加石灰和鐵鹽藥劑，并壓濾至固含量38%以上時，如果設(shè)計時沒有考慮防止卡堵的措施，硬質(zhì)固體沒有被排除，則會經(jīng)常性卡堵污泥擠條機。主要排除措施為①機械優(yōu)化：可以在擠條機設(shè)備本體加裝對輥伸縮裝置，通過伸縮器的彈性變化，使得硬質(zhì)固體通過時，對輥產(chǎn)生相對位移。建議相對位移8～10mm，以防位移變量太大而影響恢復(fù)初始位置的準確性。②自控優(yōu)化：擠條機運行加入過載保護程序，PLC設(shè)定額定電流和預(yù)警電流時，硬質(zhì)固體通過時，運行電流達到預(yù)警電流，擠條機啟動反轉(zhuǎn)程序，同時要求PLC能夠區(qū)分是達到了過載極限還是在允許的范圍內(nèi)的微量過載，PLC能夠監(jiān)測功率變化和臨界時間的關(guān)系，避免不必要的停機。

2.3 兩器腐蝕問題

耐腐蝕性能也是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素之一。腐蝕出現(xiàn)的部件主要是兩器（蒸發(fā)器、冷凝器），腐蝕機理主要是前述蒸發(fā)成分如硫化氫、氨形成的離子腐蝕，濃度越高、溫度越高，腐蝕問題越嚴重。為此工藝設(shè)計時，需考察污水或污泥性質(zhì)，針對含氯離子、硫酸根離子較高的污泥，建議選擇耐腐蝕材料，如對兩器進行整體電泳防腐，或者選擇不銹鋼材料制作兩器翅片和管路，都能有效延長其使用壽命。但是，不銹鋼管導(dǎo)熱系數(shù)較低，僅為銅管的1/8～1/10，為保證模塊機結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計時需考慮導(dǎo)熱系數(shù)對換熱器尺寸的影響，而選擇電泳防腐處理的銅管銅翅片也需要考慮管壁厚度和涂層厚度對換熱效率的影響。

2.4 灰塵堵塞問題

隨著循環(huán)空氣夾雜著一些干灰塵顆粒，部分灰塵穿透空氣過濾網(wǎng)，堵塞表冷器和兩器，使得其通過的風(fēng)量減少，降低了表冷器和兩器的換熱效率，使得壓縮機排氣壓力升高，吸氣壓力降低，壓縮比增大。表現(xiàn)的主要故障是壓縮機報警，如報高壓和電流過載。不及時排除故障會縮短壓縮機使用壽命，蒸發(fā)除濕能力下降，并導(dǎo)致壓縮機和循環(huán)風(fēng)機功耗增大。主要解決措施：①及時清灰。空氣過濾器和表冷器需要按照操作說明上的要求及時清理灰塵，同時可以配備手持式工業(yè)吸塵器或者安裝自動吸灰裝置來解決。②結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)特別注重空氣濾網(wǎng)短流的部位，如鈑金結(jié)合部位和兩個濾網(wǎng)銜接的部位的氣密性。同時，由于一級加熱器處于結(jié)構(gòu)上部，詳見圖1，上部灰塵相對更容易聚集，現(xiàn)場運行大多也是一級制熱系統(tǒng)報故障，所以建議將一級初效過濾網(wǎng)風(fēng)道前移以便保護一級系統(tǒng)的潔凈。

圖1 污泥低溫干燥機溫濕度與空氣流速分區(qū)圖

3 蒸發(fā)除濕控制參數(shù)

3.1 空氣溫濕度的控制

干燥箱內(nèi)溫度和濕度是影響其運行影響的主要因素之一，國內(nèi)外相關(guān)研究已經(jīng)證實，污泥干燥效果隨干燥空氣溫度升高而升高、隨相對濕度升高而下降。

干燥器每個分區(qū)的溫濕度均不同，污泥干燥器出口的循環(huán)空氣溫度約80℃，相對濕度約5%，循環(huán)空氣進入下層網(wǎng)帶污泥表面有效蒸發(fā)溫度70℃左右，相對濕度50%左右，此時空氣內(nèi)含濕量未達到飽和，進入到上層網(wǎng)帶有效蒸發(fā)溫度60℃左右，相對濕度95%左右，空氣內(nèi)含濕量接近飽和。此時一路循環(huán)空氣進入干燥器降溫除濕，除濕后空氣溫度約40℃，相對濕度20%左右，另一路循環(huán)空氣進入一級加熱器，制熱后溫度約70℃，制熱后的熱空氣與箱體內(nèi)氣體混合。通過表冷器和冷卻器除濕溫度差約30℃，空氣濕度飽和而凝結(jié)成冷凝水。

干燥器出口溫度和濕度的控制對整個系統(tǒng)蒸發(fā)除濕效果至關(guān)重要。上層機運網(wǎng)帶的污泥主要是濕污泥，水分蒸發(fā)主要是表面蒸發(fā)，而隨著干燥進行，下層機運網(wǎng)帶的污泥水分的蒸發(fā)主要是內(nèi)部水分遷移和表層蒸發(fā)，污泥干燥路徑長，所需干燥時間長，因此對干燥箱體下層要求高溫度低濕度，溫度越高更容易克服表面水分壓差，內(nèi)部水分更容易遷移并蒸發(fā)。

3.2 空氣流速的控制

干燥器內(nèi)風(fēng)速也是影響污泥干燥和空氣除濕的關(guān)鍵因素之一。干燥器上層部分要求大風(fēng)量，污泥表面風(fēng)量風(fēng)速越大，污泥水分更容易盡快蒸發(fā)。上層部分設(shè)計風(fēng)量是下層的3倍，主要通過循環(huán)風(fēng)回路加大循環(huán)風(fēng)量實現(xiàn)。循環(huán)風(fēng)由上而下穿過一級制熱器，由下而上穿過上層機運網(wǎng)帶，和污泥表面充分接觸。建議下層部分設(shè)計風(fēng)速1m/s，上層部分設(shè)計風(fēng)速3m/s，冷凝除濕部分風(fēng)速1m/s,一級加強循環(huán)風(fēng)部分2m/s。

3.3 污泥成型比表面積的控制

污泥比表面積也是影響蒸發(fā)效果的因素之一，主要體現(xiàn)在污泥堆積厚度、擠條成型尺寸、網(wǎng)帶蒸發(fā)面積等參數(shù)。污泥和空氣接觸的面積直接影響干燥的效果，顆粒越小接觸面積越大，水分蒸發(fā)效果越好，但是顆粒越小干燥后的粉塵越多，容易堵塞過濾網(wǎng)和兩器，反而影響除濕效果，因此污泥堆積厚度、擠條成型尺寸、網(wǎng)帶蒸發(fā)面積需要按照設(shè)計規(guī)范，考慮三個因素疊加對蒸發(fā)強度的影響。建議參數(shù)為污泥堆積厚度20mm、含水率高的污泥擠條成型尺寸5mm、含水率低的污泥擠條成型尺寸6mm、蒸發(fā)強度按10～12kg/m2·h設(shè)計。

4 結(jié)語

密閉帶式熱干化耦合低溫冷凝除濕技術(shù)，適用于污泥含水率65%～83%的濕污泥干化處理，干化后污泥含水率達20%以下，污泥顆粒性質(zhì)穩(wěn)定熱值高，非常適合污水廠內(nèi)污泥減容減量。同時，基于近幾年在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題，工程設(shè)計人員和設(shè)備廠家可以注重了三個方面的研究研發(fā)，即污泥擠條機防卡堵裝置的研究、蒸發(fā)器和冷凝器耐腐蝕材料的研究、表冷器和空氣過濾器自動清灰裝置的研究。