污泥薄層干化機的理論與實驗研究

中圖分類號：X703 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0061-04

Abstract：Basedonthetwotheoriesofthin-layersludgedryingandwipedfilmevaporator，themainfactorsaffectingthe heattransfereficiencyofthin-layerdryerwerestudied.Throughprototypeexperiments，theefectsofrotationalsped，steam presureandinletmoisturecontentonheattransfereficiencywereinvestigated.Theresultsshowthat withinthestudiedworking range，increasingtherotationalspeedisconducivetotheimprovementoftheheattransfercoeficient；increasingthesteam presure，theheattransfercoefcientfirstdecreasesandthenstabilizes；increasingtheinletwatercontent，theheattransfer coeficientfirstdecreasesandthenincreases.Theexperimentalresultscanprovidereferenceforthedesignofsludgethinlayer drying machines.

Keywords： sludge； thin layer drying; heat transfer;experimental research；wiped film evaporator

污泥主要來自污水處理、油田開采和工業過程等產生的含固廢棄物。污泥中通常含有大量的污染物質，如重金屬、病原菌、寄生蟲、有機污染物及臭氣等，因此需對其進行無害化處理。其中以焚燒為核心的污泥處理技術是最徹底的處理方法。污泥含水率是影響燃燒的主要因素，在含水率 40% 以下才可實現自持燃燒。經離心脫水后的含水率在 80% 左右，因此需要進一步干化。

污泥常見的干化工藝設備類型有帶式、槳葉式、圓盤式和薄層式等。薄層干化機由帶加熱層的圓筒形殼體、殼體內轉動的轉子、轉子的驅動裝置組成。與其他類型設備相比，薄層式干化機在工作過程中，無需通入載濕空氣，因此具有更好的安全性、更少的尾氣含量和更高的干化效率。薄層干化機產生的二次蒸汽通過耦合熱泵技術進行循環使用，能夠極大降低蒸汽用量。因此，在“雙碳”目標下，具有更好的應用前景。

薄層干化機的工作機理復雜，影響干化傳熱的因素較多[3-5]。本文通過原理樣機，考察轉速、蒸汽壓力和進料含水率對過程傳熱系數的影響，為設備放大提供

數據支撐。

1 理論研究

污泥薄層干化的傳質傳熱相關研究包括2種方式：一種方式是基于污泥本身，從干燥機理研究污泥中水分的有效擴散系數及活化能。研究認為，薄層污泥干燥是水分向外部遷移的過程。根據菲克第二定律的解析解，結合試驗數據，不同時間污泥水分比MR的公式如下

式中： D_eff 為有效擴散系數（均為國際單位）， Φ_t 為試驗時間，8為污泥厚度， n 為試驗采樣數。其中有效擴散系數D_eff 與活化能的關系可根據Arrhenius方程建立

式中： D₀ 為指前因子， E_a 為活化能， R 為氣體常數， T 為溫度。

從上述式子中可以看出，有效擴散系數和膜厚是影響干化速度的重要參數。其中，有效擴散系數取決于干化溫度。然而薄層干化機與文獻所述的區別在于，薄層干化機中的污泥無載濕空氣，且傳熱受萊頓弗羅斯特效應的影響，同時污泥層在轉子的作用下，不斷更新。因此，該模型并不能嚴格描述薄層干化機的工作過程。

另一種方式，薄層干化機由薄膜蒸發器發展而來，二者的傳熱過程具有較多的相似之處（無載濕空氣、液層更新等）。因此其傳熱模型對薄層干化機具有一定的參考意義。在薄膜蒸發器中，早期的如Lustenader等[8]認為，熱傳遞是通過液膜的導熱進行。給熱系數 α 為

α=λβ

式中： λ 為導熱系數（以下均為國際單位），δ為膜厚。但后續的相關研究表明，傳熱速率更多取決于不斷更新液層的瞬間導熱，而非穩態過程。這與滲透表明更新模型相似，因此給熱系數可以按如下關系[9]

式中： C_p 為比熱容 Δ，ρΔ 為流體密度， λ 為導熱系數， n 為

刮板數量， N 為刮板轉速。

從上述的文獻中可以發現，轉速、溫度是影響干化效率的重要參數。但由于污泥有別于液體，且薄層干化機的工作特點，相關研究關系式僅能作為定性參考。實際傳熱速率仍需通過實驗測試。

2 實驗部分

污泥采用上海某污水處理廣的市政污泥。經板框壓濾后，污泥的含水率約為 65% 。通過與水互配后，形成實驗所需的不同含水率的污泥原料。

2.1 實驗設備

本文的實驗流程如圖1所示。薄層干化原理樣機（圖2）為雙層結構。實驗原料通過濕污泥進料泵輸送至原理樣機內層的污泥腔；干化后產生的干污泥經卸料閥送出污泥腔；干化后產生的氣體經二次蒸汽出口排出；原理樣機通過電機驅動，并采用變頻器調節轉速。干化所需的熱量來源于外部電加熱蒸汽發生器；發生的蒸汽進入原理樣機外層的加熱腔供熱；產生的凝結水進入集液罐；產生的不凝氣經背壓閥排出；蒸汽壓力通過背壓閥控制。

圖1實驗流程圖

圖2實驗臺

本文的實驗設備為，薄層干化原理樣機：自制，處理量 40L/h ;驅動電機（帶變速箱）：浙江新誠減速機科技有限公司， 15kW，0～300RPM ；蒸汽發生器：武漢諾貝思， 72kW，0～1.5MPa ；濕污泥進料泵：溫州開泉泵閥有限公司， 0～13L/min ；卸料閥：常州市凱瑟琳機械有限公司，1.2L/轉，0.4RPM；壓力變送器：羅斯蒙特，0～1.6MPa （ Π_±1Π_kPa） 。溫度變送器：EJA， 0～200^°C （ ±0.5^°C? ；含水率檢測儀：上海力辰儀器科技有限公司，溫度控制范圍： 50～180^°C ，控溫精度為 ±1^°C ，最大稱重量值 110g ，可讀性為 0.001g 0

2.2實驗數據處理方法

根據圓筒傳熱計算公式

q=hΔTΠDL ，

蒸汽至污泥蒸發側對流換熱系數為

其中，對流換熱量

薄層干化機單位面積蒸發速率為式中： D 為干化機圓筒直徑， m;L 為干化機圓筒長度，m;T_v 為蒸汽溫度， C;T_s 為干化機內部污泥溫度， C;m_in 為污泥進口量， kg;m_out 為污泥出口量， kg;T_in 為污泥入口溫度， C;T_out 為污泥出口溫度， C

3實驗結果與分析討論

3.1 轉速對污泥傳熱效果的影響

污泥薄層干化機的轉速主要影響污泥表面的更新速度，高頻率的污泥表面更新有利于污泥傳熱。同時，轉子旋轉所產生的離心加速度應能克服重力，確保污泥能被甩向筒壁，且保證筒壁上側的污泥不落下。通常薄層干化機轉子刀片設置一定的斜角，軸向推動污泥前移。

實驗過程采用變頻器調節轉速，同時控制加熱蒸汽的壓力為 1.2MPaG ，入口污泥含水率 75% 。實驗數據經分析處理后，結果如圖3所示。

圖3轉速對傳熱效率的影響

根據上述結果，隨著轉速的提高，刀片更新污泥表面速度加快，污泥運動加劇，傳熱速率提高。由于溫差維持不變，單位面積的水分蒸發速度和傳熱系數變化趨勢一致。由于熱側為蒸汽冷凝，金屬壁面為熱阻較低的薄壁不銹鋼，傳熱的熱阻主要在于污泥側。濕污泥在接觸熱壁面后，產生的氣泡經刀片刮磨后，將翻新至表面，有利于擴散至污泥內部。但與刮膜蒸發器的理論模型相比較，轉速與傳熱系數幾乎成線性，高于液體刮膜蒸發器的效果。

3.2蒸汽壓力對污泥傳熱效果的影響

蒸汽壓力影響加熱壁面溫度。從熱側而言，蒸汽壓力越低，相應的飽和溫度也越低，密度越小。此時，相同質量流量下的蒸汽流速更高，有利于獲得更高的傳熱系數。但如前述，熱側并不是主要的熱阻，因此該作用影響有限。

根據污泥薄膜干化的擴散理論，溫度越高，有效擴散系數越大，此時傳熱系數應越大，但在污泥薄層干化機中，情況更為復雜。一方面，高溫的壁面有利于與之接觸的污泥沸騰，并形成氣泡，提高傳熱速率；另一方面，氣泡內的蒸汽未及時排出時，將形成傳熱阻力層，降低傳熱速率。尤其在萊頓弗羅斯特效應下，傳熱速率可能顯著下降。

實驗通過電加熱功率調整蒸汽壓力，同時控制原理樣機的轉速在 250RPM ，入口含水率 76.5%_lt; 實驗數據經分析處理后，結果如圖4所示。

圖4蒸汽壓力對傳熱系數的影響

換熱量同時受到換熱系數和溫差的影響，在變蒸汽壓力的情況下，其傳熱溫差也在變化。因此，干化效果同時受到傳熱溫差和換熱系數的影響。根據圖4，隨著蒸汽壓力的提高，傳熱系數先下降后平穩。這一現象可以初步推斷，在較低蒸汽溫度下，濕污泥蒸發出的蒸汽能夠及時地排出污泥層，從而避免了蒸汽熱阻層的形成。隨著蒸汽壓力的升高，蒸發強度提高，蒸汽的排出速度小于產生的速度，從而形成一定的熱阻。但當壓力高至一定程度后，萊頓弗羅斯特效應顯現，

此時換熱系數趨于穩定。

根據試驗結果顯示，該轉折點在 0.6～0.8MPaG 。蒸汽壓力較低時，由于傳熱系數大，污泥的蒸發效果明顯，在萊特斯頓效應發生的區間內，由于換熱系數降低，導致污泥的蒸發效果也有所降低，但是后續繼續提高蒸汽壓力的過程中，換熱系數變化不大，隨著溫差的增加，污泥的蒸發效果也在提高。考慮蒸汽壓力成本問題，最優蒸汽壓力約在 0.6MPaG 附近。

3.3進口含水率對污泥傳熱效果的影響

進口含水率反映水和污泥的構成比例，主要影響傳熱傳質過程的物性參數包括：導熱系數、黏度、比熱容、密度等。相關研究表明[]，導熱系數隨含水率增加而增大。黏度隨含水率增加先降低后增大，在某一含水率將達到峰值（粘滯區）。比熱容和密度通常按平均值處理。污泥的干化速率主要分為吸熱區、快速區、降速區和低速區]。不同的污泥種類區間略有差異。

實驗通過配制不同含水率的污泥進行實驗考察，同時控制轉速在 250RPM ，蒸汽壓力在 1.2MPaG 。實驗數據經分析處理后，結果如圖5所示。

圖5入口含水率對傳熱系數的影響

如圖5所示，隨著入口含水率的增加，傳熱系數先降低后略微增加。由于溫差維持不變，單位面積的水分蒸發速度和傳熱系數變化趨勢一致。本次考察的入口含水率范圍偏窄，從曲線的整個過程可以看出，該過程僅能反映出吸熱區和快速區。

4結論

根據污泥薄層干化樣機的實驗結果，可以得到以下結論。

1）轉速越高，污泥薄層更新越快，污泥換熱系數更大，干化效果越好，其對流換熱系數與轉速接近線性關系。

2）蒸汽壓力升高過程中，污泥換熱系數先增大，后因萊特斯頓效應降低，發生點介于蒸汽壓力 0.6～ 0.8MPaG 。污泥干化效果受到蒸汽溫度和換熱系數影響，最優蒸汽壓力約在 0.6MPaG 。

3）隨著入口含水率的增加，傳熱系數先降低后略微增加。

污泥薄層干化機的工作機理復雜。通過對轉速、蒸汽壓力和進口含水率的實驗研究，有助于了解各因素對過程傳熱的影響，為干化機的設計和放大提供一定的數據支撐。同時，為未來開展熱泵技術耦合薄層干化時的工藝參數確定提供參考。

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