污泥帶式干化系統的理論研究

文_宋磊 福建龍凈環保股份有限公司

常規的污泥熱干化技術主要包括薄層干化技術、圓盤干化技術、槳葉式干化技術、帶式干化技術等。其中帶式干化技術不同于其它幾種干化技術，熱介質穿過污泥與污泥實現直接熱交換，從而達到干化污泥的目的。帶式干化過程因具有無粘滯階段、幾乎不產生粉塵、干化機內磨損很小的特點而備受青睞。另外，帶式干化技術也可以和其它干化技術聯合使用。

污泥帶式干燥機能適應多種熱源，尤其是可以有效利用低溫低品質的熱源，如熱水、廢熱煙氣等，進而降低運行成本；同時污泥帶式干燥機具有設備結構簡單、粉塵產生量極少、操作安全以及產品干度調節方便等優點。本文從理論上分析了帶式干化系統的特點，并就帶式干化系統運行過程中的物料平衡與熱平衡進行計算，結合工程經驗，分析了循環風比率對帶式干化系統節能效果的影響，對帶式干化系統設計及運行具有指導意義。

1 污泥帶式干化系統簡介

污泥帶式干化系統是由污泥帶式干燥機、多組循環風機、預熱器、蒸汽凝結水換熱器、蒸汽相變換熱器、冷卻器及冷凝器等多種設備組成的干化系統（圖1）。

污泥帶式干燥機一般由多個獨立的干燥段組成，利用被熱蒸汽、熱介質油、熱水等加熱的熱空氣，以及熱煙氣等對移動的干燥帶上的污泥進行干燥，熱源不同，則結構存在差異。如圖1所示，本文所述的帶式干燥機主要工作流程如下：

圖1 典型帶式干化系統工藝圖

①所處理的濕污泥首先經過設置在干燥機端部的成型裝置成型，然后均勻的平鋪在傳送帶上，傳送帶在傳動裝置作用下，在干燥機內平穩緩慢的移動。

②采用熱蒸汽為干燥熱源加熱空氣，自上而下進入帶式干燥機內，與平鋪在傳送帶上的污泥進行對流換熱，進而將污泥中的水分蒸發。

③隨著污泥中水分的不斷蒸發，干燥機內氣體含濕率不斷提高；離開干燥帶的一大部分尾氣被循環風機抽出加熱后再參與干燥過程，一小部分被風機抽出后經過冷凝器冷凝除濕。

④經冷凝除濕后的大部分廢氣經加熱后循環使用，小部分則排出系統進行除臭處理。

干燥機獨立的單元可以根據用戶需求靈活配備，數量可根據需求選取，各單元的風量和溫度可以進行調整。

2 帶式干燥機物料與熱平衡分析

通過建立典型帶式污泥干化系統工藝，初步計算分析帶式干燥機的能量平衡和物料平衡，其中輸入項包括濕污泥、飽和蒸汽、循環空氣等；輸出項包括蒸汽凝結水、干化污泥和尾氣等。通過對各項的物料及其能量的關鍵參數進行統計，根據這些物料的流量和能量參數建立污泥干化系統的熱量和物料平衡方程。

2.1 系統參數的確定

本次分析的污泥帶式干化系統濕污泥處理量為60t/d，該系統將含水率為80%的濕污泥干化至含水率為35%的半干污泥，基本參數如表1所示。

表1 污泥干化基本參數

2.2 物料及熱平衡分析

污泥干化過程的質量平衡為：

式中M—污泥處理量，kg/h；

Mw—污泥干化過程中蒸發水分量，kg/h；

Mn—干化后污泥量，kg/h；

w1—干燥機進口污泥含水率，%；

w2—干燥機出口污泥含水率，%。

根據式（1）計算可得，污泥干化過程中蒸發的水量為1730.8kg/h，35%含水率的半干污泥產量為769.2kg/h。

污泥干化過程中所需的干空氣量為：

式中ma—污泥干化過程中所需的干空氣量：kg/h；

x1—干燥機進口空氣絕對濕度，kg/kg；

x2—干燥機出口空氣絕對濕度，kg/kg。

干燥機進口空氣絕對濕度：

式中 ×x3—冷凝器出口空氣絕對濕度，kg/kg；

φ—循環風比率。

循環空氣和冷凝器返回的空氣混合后進入空氣加熱系統并加熱至130℃后進入干燥機干燥污泥，熱空氣將熱量傳遞給污泥后溫度降低至80℃排出。

則熱空氣降溫釋放的熱量為：

式中Qa—熱空氣降溫釋放的熱量，kJ/h；

Cp—干空氣的比熱，1.01kJ/kg·K；

T1—干燥機出口熱空氣溫度，80℃；

T2—干燥機進口熱空氣溫度，130℃；

Cv—水蒸氣比熱，1.885kJ/kg·K。

在污泥帶式干燥機系統內，熱空氣降溫釋放的熱量一部分用于污泥中的水分升溫、蒸發、過熱過程的吸熱；一部分用于干燥機出口的干污泥升溫吸熱。

則污泥干化過程中蒸發出來的水分所吸收的熱量為：

式中Qw—污泥干化過程中蒸發出來的水分所吸收的熱量，kJ/h；

Cw—水的比熱容，4.175kJ/kg·K；

t1—濕污泥溫度，25℃；

ht—水的氣化潛熱，2381.9kJ/kg；

T—環境下濕球溫度，50℃。

根據式（5）計算可得，污泥干化過程中蒸發出來的水分所吸收的熱量為4398.8MJ/h。

污泥干化過程中干污泥帶走的熱量為：

式中Qn—污泥干化過程中干污泥帶走的熱量，kJ/h；

Cs—半干污泥比熱，2.245kJ/ kg·K；

t2—干燥污泥溫度，65℃。

根據式（6）計算可得，污泥干化過程中干污泥帶走的熱量為68.99MJ/h。

基于能量守恒，干燥機內熱空氣降溫釋放的熱量全部用于污泥水分蒸發吸熱和干污泥升溫吸熱，考慮系統的熱效率和富裕度，則干燥機內熱量平衡為：

式中η—干燥機熱效率，94%。

該污泥帶式干化系統中空氣加熱系統分為兩部分。一是蒸汽凝結水換熱器：利用蒸汽相變后凝結水降溫釋放的熱量將預熱器出口的約60℃左右的外循環廢氣加熱至80℃左右。二是蒸汽相變加熱器：利用蒸汽相變潛熱將80℃的混合空氣加熱至130℃。進入蒸汽相變換熱器的蒸汽參數是0.6Mpa，150℃，排出凝結水換熱器的凝結水的溫度是70℃。根據能量平衡原理，其能量平衡方程為：

式中Qs—蒸汽凝結釋放的熱量，kJ/h；

Qx—循環空氣升溫吸收的熱量，kJ/h；

Qy—預熱器后空氣升溫吸收的熱量，kJ/h。

0.5Mpa、160℃的蒸汽凝結變成70℃水所釋放的熱量：

式中ms—蒸汽消耗量，kg/h；

hs—0.5Mpa，160℃蒸汽焓值，2767.4kJ/kg；

hw—70℃凝結水的焓值，293kJ/kg。

將80℃的循環空氣加熱至130℃時，吸收的熱量：

式中Φ—廢氣循環比率，以0.75為主；

將預熱器出口60℃的空氣加熱至130℃時，吸收的熱量：

式中Ty—預熱器后空氣溫度，60℃。

根據公式（2）至公式（11）計算，結果如表2。

表2 帶式干化系統主要理論數據

3 不同內循環風比率對干燥系統能耗的影響

空氣的含濕量是影響污泥水分蒸發的主要因素之一，在特定環境下，空氣含濕量越低，污泥中的水分越容易蒸發。而內循環風比率則決定了空氣中的含濕量，內循環風比率越高，空氣中累積的含濕量越高，因此內循環風比率越低越有利于污泥水分的蒸發。但是由于帶式干燥機干化溫度較低，所需介質氣量大，因此干燥后的廢氣中含有較多的熱能，直接排放會造成系統能量損失，所以從節能角度考慮，需要對廢氣進行一定程度的循環利用。本文重點研究了內循環風比率對帶式干化系統的干化性能及節能效果的影響。

3.1 不同內循環風比率下空氣含濕度的變化

由圖2可知，隨著廢氣內循環比率的增加，干燥機進、出口空氣濕度越大，且表現為在廢氣內循環比率不太大時呈現緩慢增加趨勢，當超過60%時呈現快速增加趨勢。例如60t/d濕污泥處理量的帶式干燥機，當廢氣內循環比率為0時，干燥機出口廢氣絕對濕度為0.06kg/kg，相對濕度為17.8%，當廢氣內循環比率為80%時，干燥機出口廢氣絕對濕度為0.15kg/kg，相對濕度為41.3%。

圖2 不同廢氣循環比率下干燥機進、出口空氣絕對濕度

對于帶式干燥機這種以對流傳熱蒸發為主的工藝來說，污泥的水分蒸發主要是通過污泥顆粒表面與工藝氣體之間的水蒸氣壓差來實現的，壓差越大，說明干燥的推動力越大，反之則越小，反映這種干燥推動力的最主要因素之一就是工藝氣體的含濕量。隨著廢氣內循環比率的增大，帶式干燥機出口的絕對濕度就增大，相應的水蒸氣分壓力就增大，則污泥顆粒表面與工藝氣體之間的水蒸氣壓差就變小，對干燥系統的水分蒸發存在不利影響。

3.2 不同內循環風比率下蒸發能耗的變化

帶式干燥機出口氣量大，干燥后的廢氣中還帶有較多的余熱。因此，在污泥干化所需總能量不變的情況下，充分利用廢氣中的多余熱量，可以減少蒸汽熱源的消耗，進而起到節能效果。但是，廢氣中含有較多的水蒸氣，由于污泥顆粒表面與干燥氣體之間的水蒸氣壓差變小，又會導致能量利用效率降低，因此需要考慮干燥機排放廢氣的內循環比率。根據物料及能量平衡理論，分析了廢氣內循環比率在0%～80%變化范圍內，帶式干化系統對熱蒸汽耗量的變化特征。

由圖3可知，隨著廢氣內循環比率的增加，單位水蒸發所消耗的熱蒸汽量下降。當廢氣循環比率為0時，每蒸發1kg水，需要消耗3456kJ的熱能；當內循環比率為80%時，每蒸發1kg水，需要消耗2971kJ的熱能。因此，干燥系統內廢氣內循環比率越高，則整個系統能耗就越低。考慮到內循環比率的增加會導致污泥中水分蒸發的難度增加，在總能量不變的情況下，需要增加干燥機的尺寸來實現污泥的干化目標，這無疑會增加整套系統的投資成本，根據實際運行工況的經驗，綜合考慮帶式干化系統的經濟性及節能性，以廢氣內循環比率75%為優。

圖3 不同廢氣內循環比率下單位水蒸發能耗

4 工程應用案例

4.1 項目概況

南通某公司配有75t/h中溫中壓煤粉鍋爐，采用熱干化+鍋爐焚燒方式協同處置污泥。項目建設60t/d80%含水率污泥干化至35%含水率以下，其工藝流程為利用廠區提供的0.5MPa，160℃飽和蒸汽加熱空氣，加熱后的空氣通過循環風機使其不斷的與污泥進行接觸從而帶走污泥中的水份，大部分高濕空氣通過循環風機使其通過蒸汽加熱器加熱后繼續與污泥接觸干化污泥；另一部分高濕的氣體再經過冷卻水進行冷凝，達到干燥目的。整個流程為全封閉形式，無異味溢出。干化后的污泥通過干污泥輸送系統送入廠區鍋爐焚燒處置。其主要設備為：成型機、干燥腔室及傳送帶、風機、熱交換器、濕污泥料倉、干污泥料倉及污泥輸送裝置及自動化控制系統等。

圖4 南通某60t/d污泥干化項目工藝系統圖

4.2 項目運行情況

該項目建設竣工后，通過調試、性能驗收，于2020年5月投入生產運行。在調試階段，通過調整內循環風機的頻率來改變干化機廢氣內循環比率，以此達到降低系統蒸汽能耗的目的。如表3為不同內循環比率下污泥干化系統部分參數測定值，其中污泥含水率通過含水率檢測儀測定，蒸汽的溫度、壓力及消耗量通過管路儀器、儀表監測統計。從表3中可以看出，當廢氣內循環比率越低，蒸汽消耗量越大，內循環比率為30%時，蒸汽消耗量達2305kg/h。當內循環比例增加時，蒸汽消耗量減少，但表現出干化系統單天處理量下降，尤其當內循環比率＞75%時，干化系統處理污泥量不足60t/d。綜合考慮，在內循環比率為75%下運行較優。

表3 不同廢氣內循環比率污泥干化機運行數據

5 結論

本文以處理量為60t/d濕污泥的帶式干化系統為研究對象，利用物料和能量守恒理論充分分析該系統在干化污泥過程中物料與能量平衡特征。為降低系統對熱源的消耗，將干燥后產生的廢氣循環使用，從理論上分析了廢氣內循環比率對廢氣含濕量及熱源消耗的影響，并在工程應用中加以試驗驗證，具體結論如下：

①帶式干燥機濕污泥處理量為60t時，污泥含水率從80%干燥至含水率35%，污泥蒸發出來的水分為1730.8kg/h，干污泥產量769.2kg/h，脫水率為69.23%，污泥減量化明顯。

②隨著帶式干燥機的廢氣內循環比率增加，空氣含濕度增加，而消耗的熱源蒸汽減少。提高帶式干燥系統的廢氣內循環比率，一方面可以降低干燥系統的單位水蒸發能耗，但另一方面會降低污泥干燥的效果，從帶式干化系統經濟與節能性考慮，并結合南通60t/d污泥干化工程項目經驗，干燥機的廢氣循環比率在75%左右為優，對帶式干化系統運行具有指導意義。

③污泥處理量為60t時，隨著廢氣循環比率的上升，干化機外排廢氣量降低，當廢氣循環比率為30%時，廢氣排放量為7296m3/h；當廢氣循環比率為75%時，廢氣排放量為2365m3/h；當廢氣循環比率為90%時，廢氣排放量為730m3/h。提高廢氣內循環比率可以有效減少污泥干化系統廢氣處理量，降低投資和運行成本。

④污泥處理量為60t時，廢氣循環比率為75%時，需要絕干空氣量為78850.4kg/h，干燥機進口空氣絕對濕度為0.103kg/kg，相對濕度為5.3%；干燥機出口空氣絕對濕度為0.125kg/kg，相對濕度為35.3%。污泥水分蒸發消耗的蒸汽量為2094.4kg/h，相比于無廢氣內循環，單位蒸發水能耗降低了13.37%，節能效果明顯。