市政污泥干燥特性與工業化試驗

摘要： "針對高濕高粘污泥干燥難題，對市政污泥水分特性和干燥特性進行分析，對普通回轉圓筒干燥機關鍵部件結構進行了優化設計，并進行了工業模擬試驗。結果表明：內部帶鏈條、抄板、打散軸等自清理構件的自清理打散回轉干燥機與普通回轉圓筒干燥機相比，具有防粘、防團聚效果好，干燥強度大，干燥效果理想等優點，為市政污泥深度脫水工藝與裝置的開發與應用推廣提供了有益的理論支持。

關鍵詞： 市政污泥；工業化試驗；回轉圓筒

中圖分類號： X703 文獻標志碼：A文章編號：1002-4026（2023）02-0112-06

開放科學（資源服務）標志碼（OSID）：

Drying characteristics and industrial test of municipal sludge

YIN Fengjiao1， ZHAO Gaiju2， WU Jing1， WANG Shouquan1， LIU Feng1，SHI Yongchun1

（1.Shandong Tianli Energy Co.， Ltd.， Jinan 250104， China; 2. Energy Research Institute， Qilu University of Technology

（Shandong Academy of Sciences）， Jinan 250014， China）

Abstract∶ Owing to the problems of drying high-humidity and high-viscosity sludge， this paper analyzes the water characteristics and drying characteristics of municipal sludge to optimize the design of the key components of ordinary rotary cylinder dryer and conduct industrial simulation test. The results show that the self-cleaning and dispersing rotary cylinder dryer with internal self-cleaning components such as chains， scraping plates， and dispersing shafts has better a antisticking and antiagglomeration effect as well as higher drying power and more ideal drying effect than the ordinary rotary drum dryers. It provides useful theoretical support for the development and application promotion of municipal sludge deep dewatering processes and devices.

Key words∶ municipal sludge; industrial test; rotary cylinder dryer

目前我國市政污泥年產量超過4 000 萬噸，其含水率高、成分復雜，含有多種病原微生物、重金屬、有機污染物等，給污泥的處理處置造成了很大的困難[1-2]。如果不能妥善處置，將會造成嚴重的二次污染，讓污水減排成果也大打折扣[3-4]。

市政污泥出廠含水率約80%，較高的含水率致使污泥填埋、堆肥、焚燒困難，而且污泥含水率只有降至20%～30%才能避免發霉發臭，達到穩定狀態，因此，必須對污泥進行脫水干化處理[5-6]。目前，國內外比較成熟的污泥干燥工藝主要有回轉圓筒干燥工藝、盤式干燥工藝、流化床干燥工藝及槳葉干燥工藝等，其中回轉圓筒干燥工藝具有處理量大、電耗量小等優勢，但該工藝能耗大[7-8]。若改進并優化回轉圓筒干燥設備內部結構，改善對流換熱，則污泥回轉圓筒干燥工藝在污泥處理處置中有著廣泛的應用前景。劉峰[9]對污泥回轉圓筒干燥機進行了工業模擬試驗，開發了自清理打散回轉干燥機，但對污泥干燥特性研究不夠深入，導致工業化轉化應用時還存在困難。本文對市政污泥水分特性及干燥特性進行了研究，優化設計普通回轉圓筒干燥機關鍵部件結構，并進行了工業化驗證實驗，為研制污泥回轉圓筒干燥裝備，解決污泥的深度脫水難題提供理論基礎。

1實驗材料與方法

1.1實驗樣品

本實驗采用的市政污泥來自光大水務（濟南）有限公司污水污泥，水分含量為78%左右，形狀如圖1所示，元素分析結果為：w（Cad）=22.44%、w（Had）=4.57%、w（Nad）=5.54%、w（Sad）=0.54%；工業分析結果為：水分質量分數w（Mad）=5.18%、灰分質量分數w（Aad）=61.82%、揮發分質量分數w（Vad）=29.53%、固定碳質量分數w（FCad）=3.57%。其中下標ad表示空氣干燥基。

1.2實驗裝置及方法

（1）污泥水分特性分析

污泥水分特性分析實驗所用的裝置是德國耐馳STA409PC熱重差熱聯用儀（圖2）。實驗條件為升溫速率1 ℃/min，溫度范圍為室溫—設定溫度，載氣氮氣N2，載氣流速20 mL/min，樣品進樣量20 mg左右，對比實驗樣品為20 mg左右的去離子水。

市政污泥中單位質量水蒸發所需要的能量為：

Es= Q-Qs Δm = pΔt-mCsΔt Δm ，（1）

其中，Es為污泥單位質量水蒸發所需能量，J/g；Δm為一段時間內污泥蒸發水分的質量，g；p為一段時間內的平均功率，W；Δt為時間間隔，s；ΔT為該段時間樣品的升溫度，K；Cs為樣品的熱容，J/（g·K）；Δm為該段時間樣品的平均質量，g。

市政污泥中水分的結合能可近似認為是污泥水分蒸發時消耗的能量和純水蒸發時消耗的能量的差值，可用下式表述：

EB=ES1-ES2，（2）

其中，EB為污泥單位質量水分的結合能，J/g；ES1為污泥單位質量水蒸發所需能量，J/g；ES2為純水單位質量水蒸發需要的能量，J/g。

（2）污泥干燥特性分析

污泥干燥特性實驗所用的裝置為奧豪斯-MB27快速水分分析儀（圖3）。采用減重法測定物料含水量隨時間的變化。

干化過程中污泥樣品的含水率：

wn= mn-md mn ，（n=1，2，3，…），（3）

其中，mn為第n分鐘時污泥的質量，g；md為污泥絕干物質的質量，g。

干燥過程中污泥樣品的干基含水率：

xn= mn-md[]md 。（4）

干燥速率為：

vn=xn-1-xn[]Δt 。（5）

實驗中采集的污泥重量數據經過上述關系式進行處理，并通過origin作圖分析，可得到污泥的干燥速率。

污泥的干燥階段可分為恒速干燥階段和降速干燥階段，恒速干燥階段主要是表面水分的蒸發，干燥速率取決于干燥介質的溫度、濕度及流速等外部條件，干燥速率保持恒定；降速干燥階段主要是內部水分（結合水）的蒸發，干燥速率是物料性質、溫度及濕含量的函數，干燥速率不斷下降；而臨界含濕量是污泥恒速干燥階段和降速干燥階段的轉折點，可通過上述實驗獲得的干燥速率曲線獲得。

（3）污泥干燥工業模擬試驗

污泥干燥工業模擬試驗臺系統工藝流程圖如圖4所示，干燥機的直徑是1 000 mm，長度是5 000 mm，進風溫度為650 ℃，進料量為250 kg/h，轉速控制為2 r/min左右，對不帶自清理構件的普通回轉干燥機和內部帶具清理功能的鏈條、抄板、打散軸等自清理構件的自清理打散回轉干燥機分別進行工業化模擬試驗，兩次實驗過程各運行2 h左右，在正常運轉時停下，通過取樣口每隔15 min采集樣品，且取樣位置相同，取樣位置如圖5所示，并分析樣品的含水率的分布變化。

2實驗結果與討論

2.1市政污泥水分特性分析

圖6是污泥樣品失水過程中水分結合能的變化，從圖6中可以可出，污泥中絕大部分水屬于物理-機械結合水，該樣品中這類水占總水分的80%以上，隨著污泥中水分的減少，水分結合能越來越大，從而污泥中水分也越來越難脫除。當污泥水分含量＜15%時，水分結合能急劇增大，這時污泥中水分主要以物理-化學結合水的形式存在，水分很難脫除。因此，在污泥工業化干燥過程中，將其水分降低到＜15%不經濟。

2.2顆粒粒徑對臨界含濕量的影響

臨界含水量作為恒速干燥階段和降速干燥階段的分界點，數值越小，表示轉入降速段的時間越晚，也就是完成相同的干燥任務需要的時間越短。120 ℃時不同粒徑的臨界含濕量如圖7所示。從圖7中可以看出，粒徑越小，臨界含濕量越低；當污泥顆粒粒徑＞10 mm時，污泥的臨界含濕量變化不大；當污泥顆粒粒徑＜10 mm時，污泥的臨界含濕量下降很快，2 mm的僅為25%。故對污泥干燥而言，污泥粒徑越小而均勻，臨界含濕量則越小，完成相同的干燥任務所需的時間越短，對干燥過程有利。

2.3污泥顆粒干燥過程的體積變化

將含水率78%濕污泥手工制成半徑2～20 mm的球狀顆粒，在快速水分分析儀中120 ℃下恒溫干燥至水分不再變化（終水分近似0%），利用直尺等工具測量干燥前后污泥顆粒的尺寸。

經過一定時間干燥，濕污泥顆粒體積逐漸變小，干燥前后的污泥尺寸變化如表1所示。干燥后污泥顆粒的體積為干燥前濕顆粒體積的37％～59%，而直徑為2 mm的顆粒干燥前后體積變化相對較小。將不同粒徑污泥干燥20 min后的顆粒切開，發現干燥前污泥粒徑越大，內部濕物料越多，剛切開后污泥水分迅速向外移動，出現水汽現象；干燥前污泥粒徑越小，內部濕物料越少，粒徑最小的樣品已經全部硬化。

2.4市政污泥回轉式干化裝置實驗研究及改進

針對污泥水分特性和干燥的特點，本研究對普通回轉圓筒干燥設備進行以下改造，以提高污泥干燥速率，降低能耗：（1）在普通回轉干燥機內前部設有打散軸（圖8）；（2）在普通回轉干燥機前半段設置鏈條抄板組合揚料裝置（圖9）；（3）內部設置中心導料板抄板（圖10）。

在實驗過程中，通過對加料量、進風溫度、排風溫度、轉筒轉速等系統參數的不斷調整，最后得出穩定狀態下的實驗數據：①處理量：300 kg/h；②初水分：80%；③進風溫度：（650±10） ℃；④出風溫度：（120±5） ℃；⑤干燥機轉速：2 r/min：⑥打散軸轉速：內部帶清理功能的鏈條、抄板、打散軸等自清理構件的自清理打散回轉干燥機為130 r/min。

實驗過程中，采用雙螺旋給料機進料，進料流暢，沒有產生架橋、抱軸的現象；實驗完畢，通過人口門觀察，干燥機內并無粘壁、積料現象的發生。

兩種回轉圓筒干燥設備干燥污泥見圖11和圖12。從圖中可以看出，普通回轉干燥機干燥后出料的污泥顆粒直徑略大，直徑2～10 mm的顆粒約占70%左右；內部帶具清理功能的鏈條、抄板、打散軸等自清理構件的自清理打散回轉干燥機出料的污泥顆粒略小，直徑2～10 mm的顆粒約占90%左右；

兩個回轉圓筒干燥機的水分分布曲線見圖13。從圖13可以看出，普通回轉干燥機所干燥出來的污泥含水量為57.2%，比自清理打散回轉干燥機高18%左右，而打散回轉干燥機在取樣點6污泥含水率已達到了56%左右，在取樣點5污泥含水率為50%左右，脫水至不發生粘結的目的就達到了，即打散回轉干燥機前段為脫水速率最快的地方。這主要是因為相對于普通的回轉干燥機而言，自清理打散回轉干燥機中打散軸將物料充分地打散，顆粒直徑變小，濕污泥與熱風之間的接觸面變大，從而提高了干燥強度，而且自清理裝置在干燥圓筒的開始階段也充當了“熱核”的作用，同樣也加大了換熱效率，強化了傳熱傳質過程，加大了高濕黏性固體廢棄物在圓筒內部的干燥強度，使濕物料表面快速地脫水，快速地跨過粘壁階段；鏈條則有效防止進入干燥機內的濕物料結團，進而粘壁；抄板隨著筒體轉動將污泥顆粒揚起又撒落，減少了粘壁，也增大了濕污泥與熱風之間的接觸面積；抄板不僅能夠使物料在筒體內部良好的運行，有利于物料的干燥，還可以減小各個干燥行程的空間，在滿足干燥效果的前提下，減少設備體積，降低成本，同時在干燥機產生的熱風湍流作用也比較均勻，從而可獲得較理想的干燥效果。

利用本次實驗的參數計算，普通回轉干燥機的干燥強度在38.61 kg/（m3·h）、干燥效率為60.4%，而自清理打散回轉干燥機的干燥強度為53.42 kg/（m3·h）、干燥效率為71.2%。

停機后，打開人孔，進入內部進行觀察，觀測圓筒內部的粘壁現象，發現：

（1）普通回轉干燥機1～4取樣點間壁面粘結現象比較嚴重，在靠近進料端前1 m的地方，粘結的厚度達到30 mm左右，分布比較均勻，在1.0 m到2.3 m之間粘結現象略輕，粘結的厚度約為10 mm，分布并不均勻，有的地方有，有的地方沒有；

（2）自清理打散回轉干燥機的壁面基本沒有粘結現象，在前1 m的距離有“濕壁”現象，即圓筒的內壁面是濕潤的，偶爾有粘結的一塊，面積最大的一塊不超過50 mm，且只有3～4塊。

由此可以看出，自清理打散回轉干燥機有效地解決了污泥粘壁的問題如果利用回轉干燥機進行干燥，可以判斷在60%含水量以下，在設備內部就不粘壁，可以形成圓球狀顆粒，在回轉干燥機內部可以依靠重力做回轉運動。

3結論

（1）污泥濕基含水率小于15%時，結合能急劇增大，將污泥水分降低到15%以下不經濟；

（2）污泥粒徑越小，內部濕物料的比重越來越小，臨界含濕量越低，跨過污泥粘性區所需的時間就越短，越利于污泥干燥；

（3）對普通回轉圓筒干燥設備進行加打散裝置、抄板改造后，帶自清理的打散回轉圓筒干燥機比普通回轉圓筒干燥機換熱效率高、出料顆粒小、干燥效果理想。

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