污泥在桨叶式干燥机内干化特性研究

随着社会经济和城市化的发展 ,我国城市及工业污水排放量逐年上升 ,到 2005 年 ,全国工业及生活污水排放总量已经上升至 524. 5亿 t,其中工业废水 221. 1亿 t,生活污水 261. 3亿 t,比 2003 年上升了 14. 2%。与此同时 ,污水处理设施也在不断增加, 2005年全国废水治理设施达 69 231套, 比 2003年增加了 6. 3%。2005年城市污水的处理率为 39. 4% ,城市工业废水处理率为 99. 4% ,如果按每万吨废水产 10 t脱水污泥的话, 2005 年的脱水污泥排放量达 3 227万 t,而且逐年上升 。

污泥热干化处理法是一种污泥减量化、资源化的有效方法 ,其手段多种多样 ,包括直接接触式热干化法和间接接触式热干化法。间接接触式热干化法由于热效率高、尾气排放低等优点而日益受到重视 ,浆叶式干燥机就是一种有效的间接接触式热干化设备 ,本文研究了污泥在浆叶式干燥机内的干化特性。

实验论证

污泥干燥系统由桨叶式污泥干燥机、导热油炉、油泵、电机和电控柜组成 (见图 1 ) ,桨叶式干燥机干燥面积 2 m2 ,作为传热介质的导热油采用电阻丝加热 ,传热机构由一对空心热轴和加热干燥机机体的热夹套组成 ,湿污泥由进料口进入干燥机 ,空心热轴通过电机带动搅拌污泥 ,导热油通过空心热轴以及夹套将热量传递给湿污泥。

图 1 桨叶式污泥干燥系统

表 1 污泥工业分析和元素分析

样品 工业分析 /% 元素分析 /% 热值

本实验的对象为来自某生活污水处理厂的生活污泥 ,初始含水率为 79. 63% ,其工业分析和元素分析如表 1所示。

图 2 桨叶式污泥干燥机剥面图

1 - 桨叶; 2 - 采样口; 3 - 温度计; 4 - 桨叶式干燥机保温层; 5 - 电控柜; 6 - 油泵; 7 - 导热油炉; 8 - 电磁调速电机; 9 - 进料口; 10 - 空心热轴

 实验结果及讨论

2. 1 污泥在热重仪内的干燥特性

污泥中的水分主要由自由水、间隙水、毛细结合水、表面结合水和分子结合水组成 [ 2 ] , 其中自由水在机械脱水阶段已经被脱除,因此污泥的热干燥特性主要反应间隙水和结合水在加热条件下的脱水特性。实验首先研究了单污泥颗粒的失重曲线 ,将脱水污泥制成直径为 2 cm 的圆球 ,在热重仪内观察其不同温度下的失重曲线 ,如图 3 所示。随着温度升高 ,污泥的失重时间明显缩短 ,污泥颗粒在 150℃下的失重时间为 8 500 s,在 200℃ 时的失重时间为 5  000  s, 干燥时间减少了

41. 2%。图 4为三条失重曲线对应的失重速率曲线 ,初始阶段由于污泥颗粒进入失重仪后 ,颗粒温度从环境温度上升至炉内温度 ,因此失重速率逐渐提高 ,在此之后 ,污泥的失重速率几乎呈直线下降 ,这主要取决于两个因素。首先 ,由于污泥在失重过程中 ,往往是靠近颗粒外表面的水分先脱除掉 ,当干燥界面不断往颗粒内部收缩时 ,水分析出的扩散阻力也不断加大;其次 ,间隙水、毛细结合水、表面结合水和分子结合水与污泥颗粒的结合强度逐级增大[ 3 ] ,因此在热干燥过程中必然导致失重速率逐渐下降。

3. 2 污泥在桨叶式干燥机内的干燥过程

3. 2. 1 热轴转速的影响

将污泥从桨叶式干燥机的左端进料口连续给入 ,干燥机的两根热轴在调速电机的带动下缓慢转动 ,连续不间断地对污泥进行搅拌 ,同时污泥在叶片的带动下在干燥机内缓缓前行 ,采用桨叶式干燥机边搅拌边干燥污泥 ,污泥的受热面不断改变 ,污泥受热更加均匀。通过桨叶片的搅拌 ,使得污泥有效克服了第一个因素对失重速率的抑制作用。图 5 是在相同的导热油温下 ,不同热轴转速下污泥的含水率沿干燥机身的变化; 热轴转速提高两倍后 , 污泥的出口含水率由 42%上升到了60% ,可见热轴转速对干燥机出口污泥含水率有很大影响 ,这是由于桨叶片在污泥干燥过程中发挥着搅拌、传热和推动三大功能 ,而热轴转速和叶片对污泥的推动作用成正比 ,热轴转速提高之后 , 污泥在干燥机内的行进速度加快,导致在干燥机内的停留时间缩短 ,出口含水率提高。

3. 2. 2 导热油温的影响

图 6为导热油温对污泥含水率的影响 ,由图可知污泥含水率对导热油温的变化也很敏感 ,导热油温度从 160℃上升至 200℃,干燥机出口污泥的含水率由 54%下降至 32%。而且污泥沿机身的含水率曲线呈上凹形 ,这是由于蒸发相同的水分 ,高水分污泥的含水率下降百分比比低水分污泥的含水率下降百分比低的缘故。由于导热油温和热轴转速对污泥干化效果都有显著的影响 ,因此 ,在实际工程应用中 ,需要综合考虑干燥机的转速和导热油温对污泥干燥过程的影响 ,使得污泥在桨叶式干燥机内的干燥过程达到最优化。

3. 2. 3 干燥速率

由于污泥在干燥机内的不同位置含水率不同 ,污泥的形态及外形尺寸也不一样 ,叶片和污泥之间的传热效果也有所区别 ,因此沿机身方向污泥干燥的速率也必然不同。图 7为不同导热油温下污泥的干燥速率沿机身的变化 ,由图可知 ,在三种干燥温度下 ,污泥的干燥速率沿机身的变化趋势是先变大后变小 ,这和单颗粒污泥在热重仪内的干燥速率曲线有一定相似之处。分析其原因 , 初始阶段干燥速率的增加可能是污泥进入干燥机后温度逐渐上升 ,因此干燥速率得到很大提升 ,进入干燥后期 ,随着污泥含水率逐渐降低 ,水分和污泥间的结合强度逐渐增大 ,因此干燥速率随之降低。当然 ,这并不能完全解释其原因 ,由于干燥过程污泥形态也不断变化,而且干燥机首尾导热油温也不同,干燥系统传热系数也必然随着机身不断变化,这将在后续的工作中进一步深入研究。

4 小 结

(1) 桨叶式干燥机的热轴转速对污泥的干燥有很大影响 ,随着热轴转速提高 ,污泥在干燥机内停留时间缩短 ,污泥出口含水率提高。

(2) )随着导热油温的升高 ,污泥沿机身的含水率明显降低 ,实际工程应用中需要综合考虑干燥机的转速和导热油温对污泥干燥过程的影响, 使污泥在桨叶式干燥机内的干燥过程达到最优化。

(3) 污泥的干燥速率沿机身的变化趋势是先<span style="font-family: 宋体; lette