用于市政污泥干化的干燥機(jī)選型及設(shè)計(jì)計(jì)算

許 杰 姜厚春

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司）

隨著我國城市化的不斷發(fā)展，污水產(chǎn)量逐年增加， 污水處理廠建設(shè)數(shù)量和規(guī)模逐漸加大，導(dǎo)致污水處理廠產(chǎn)生的污泥量也成倍增加。 因此，我國對(duì)市政污泥的資源化、減量化和無害化處理的需求越加緊迫。 目前，國內(nèi)外已開展較多污泥后處理研究，例如污泥炭化、熱解及協(xié)同焚燒等工藝，但這些技術(shù)基于工藝需求都要求待處理污泥含水率在30%左右。根據(jù)GB/T 24188—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》的規(guī)定，污水處理廠產(chǎn)生的污泥含水率約80%即可達(dá)標(biāo)。因此，對(duì)污水處理廠產(chǎn)生的污泥進(jìn)行干化處理，將污泥含水率降低到30%，對(duì)污泥后處理工藝具有關(guān)鍵性的作用。

1 市政污泥干燥特性

一般市政污水處理廠出來的不經(jīng)任何處理的生活污泥，其含水率高達(dá)99%以上，經(jīng)過機(jī)械壓濾脫水后含水率可降至80%左右， 為固體或流體狀物質(zhì)，其中固體成分含有有機(jī)殘片、細(xì)菌菌體、無機(jī)顆粒、膠體及絮凝劑等，元素主要以有機(jī)成分為主， 還包含一些具有潛在利用價(jià)值的有機(jī)質(zhì)、N、P、K和微量元素。污泥中的水分主要以自由水（或間隙水）和毛細(xì)結(jié)合水兩種形式存在。

市政污泥較工業(yè)污泥粘性更大，在干化過程中形態(tài)會(huì)發(fā)生變化。 隨著含水率的降低，市政污泥粘度直線上升，當(dāng)干燥到一定程度后污泥將進(jìn)入粘滯區(qū)［1］，經(jīng)研究表明粘滯區(qū)的污泥含水率在50%～60%范圍內(nèi)， 呈內(nèi)部含水而外部干化的狀態(tài)，此時(shí)對(duì)污泥繼續(xù)進(jìn)行干化，干化效率極低。 因此，不同于常規(guī)普通物料的干燥，正確選擇合理的與市政污泥特性匹配的干燥機(jī)，直接決定了污泥干化效果能否實(shí)現(xiàn)，甚至決定干化設(shè)備能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 干燥機(jī)選型

2.1 帶式干燥機(jī)

帶式干燥機(jī)采用一定量的熱風(fēng)， 垂直通過由12～60目不銹鋼絲網(wǎng)構(gòu)成的傳送帶，對(duì)傳送帶上平鋪的濕物料進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)的交換， 以實(shí)現(xiàn)物料的干燥。 其中， 傳送帶通過傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)緩慢移動(dòng)， 通過傳動(dòng)裝置調(diào)速以實(shí)現(xiàn)不同物料對(duì)不同干燥時(shí)間的需求。 帶式干燥機(jī)是一種批量生產(chǎn)的連續(xù)式干燥設(shè)備，主要用于透氣性較好的片狀、條狀和顆粒狀物料（如小塊或纖維質(zhì)物料）的干燥。

2.2 轉(zhuǎn)筒式干燥器

轉(zhuǎn)筒式干燥器（圖1）廣泛應(yīng)用于冶金、糧食及糖類等行業(yè)［2］中的粒狀、塊狀或片狀物料的干燥。 該干燥器利用蒸汽、煙氣等熱源，采用直接接觸或間接加熱方式對(duì)物料進(jìn)行加熱以蒸發(fā)出內(nèi)部水分從而達(dá)到干燥的效果。 物料由干燥機(jī)高端進(jìn)入加料裝置， 并由加料裝置進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)部，轉(zhuǎn)筒按一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，使物料在筒體內(nèi)部一邊被加熱干燥一邊向出料口移動(dòng)。 物料在筒體內(nèi)部的加熱時(shí)間可通過調(diào)整轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到理想的干燥效果，并被順利排出。

圖1 轉(zhuǎn)筒式干燥器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 流化床干燥器

流化床干燥器（圖2）主要利用熱氣對(duì)散裝物料進(jìn)行流化，使氣體與物料顆粒充分接觸，促使顆粒與氣體間實(shí)現(xiàn)熱傳遞和水分傳遞，從而使物料干化，干化后的物料顆粒由底部排出，混合一定蒸汽的氣體由干燥器上部排出。 流化床干燥器的優(yōu)點(diǎn)為干燥時(shí)間可隨意調(diào)節(jié)，壓降小，物料與熱源接觸面積大且接觸充分，物料干化后顆粒性強(qiáng)，但也存在某些濕物料返混和未經(jīng)干燥的物料直接進(jìn)入出料口排出，導(dǎo)致排料口處物料顆粒含水率不均。 目前，該設(shè)備主要用于處理糧食、金屬粉等散粒狀物料，或用于懸浮液、溶液等流動(dòng)性物料的干燥，在褐煤干燥中也有應(yīng)用［3］。

圖2 流化床干燥器結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 立式多盤干燥機(jī)

立式多盤干燥機(jī) （圖3） 是一種間接干燥設(shè)備，其干燥熱源主要為飽和蒸汽、導(dǎo)熱油或其他一些熱媒介質(zhì)，熱源通入設(shè)備夾套和熱盤中對(duì)物料進(jìn)行加熱，從而達(dá)到蒸發(fā)水分實(shí)現(xiàn)物料干燥的目的。 該設(shè)備的工作原理為：通過傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，并帶動(dòng)軸上連接耙葉做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的耙葉撥動(dòng)分布在圓盤上的物料，使需要干燥的物料沿著加熱盤的內(nèi)緣或外緣逐層做螺旋交替運(yùn)動(dòng)，由此進(jìn)行干燥，同時(shí)脫除的濕蒸汽由風(fēng)機(jī)抽出。 該設(shè)備的優(yōu)勢為可以縮短干燥介質(zhì)與熱源分離的過程，蒸發(fā)水分可直接采用冷凝方式；但存在熱效率低、熱介質(zhì)用量大的缺點(diǎn)，若干燥物料成粘性或膏狀，則易出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象，從而造成處理量小的問題。

圖3 立式多盤干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 臥式槳葉式干燥機(jī)

臥式槳葉式干燥機(jī)（圖4）采用的是間接加熱方式，主要由槳葉軸、軸上槳葉片、帶夾套W殼體［4］、傳動(dòng)裝置、旋轉(zhuǎn)接頭及殼體支撐基座等組成，其中槳葉軸一般有單軸、雙軸和四軸結(jié)構(gòu)。 干燥熱源一般采用蒸汽或?qū)嵊偷雀邷亟橘|(zhì)，在殼體夾套、槳葉軸內(nèi)腔和中空槳葉片中流動(dòng)。 以雙軸結(jié)構(gòu)的槳葉軸為例，臥式槳葉式干燥機(jī)的工作原理為：濕物料由進(jìn)料口進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)部，與高溫殼體、軸和槳葉片接觸發(fā)生熱交換，雙軸結(jié)構(gòu)的槳葉軸由傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)做相向或相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，兩軸上葉片相互交錯(cuò)嚙合，對(duì)濕物料進(jìn)行推動(dòng)、破碎、擠壓和拌混。 臥式槳葉式干燥機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)為設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積和空間都相對(duì)較小；通過軸上槳葉對(duì)物料攪拌、混合使物料劇烈翻動(dòng)，可獲得較高的傳熱系數(shù)，并對(duì)粘性物料具有一定的剪切、擠壓和破碎作用，可實(shí)現(xiàn)干燥過程中的交替擠壓和松弛，從而強(qiáng)化干燥效果，同時(shí)還具有自清潔功能，該設(shè)備尤其對(duì)于膏狀、漿狀物料的干化具有明顯適用優(yōu)勢。 此外，通過調(diào)節(jié)傳動(dòng)裝置頻率，調(diào)整槳葉軸轉(zhuǎn)速，可以適應(yīng)干燥物料在設(shè)備內(nèi)停留時(shí)間的要求。

圖4 臥式槳葉式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)上述對(duì)各類干燥設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)及干燥物料適用性的分析， 并結(jié)合污泥干化過程中的特性，為提高市政污泥脫水干化效率，避免在干化過程中出現(xiàn)粘滯現(xiàn)象從而帶來的不利影響，推薦選用臥式槳葉式干燥機(jī)。 在此，筆者對(duì)污泥處理量為100 t/d的臥式槳葉式干燥機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3 臥式槳葉式干燥機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

臥式槳葉式干燥機(jī)的設(shè)計(jì)條件如下：

污泥處理量 100 t/d

初始含水率 80%

目標(biāo)含水率 30%

熱源 1 MPa飽和蒸汽

飽和蒸汽汽化潛熱γst2 014.8 kJ/kg

飽和溫度Tst180 ℃

出口溫度Two110 ℃

飽和蒸汽進(jìn)入殼體和槳葉區(qū)，利用熱傳導(dǎo)加熱方式對(duì)污泥進(jìn)行干化。

市政污泥物性參數(shù)如下：

堆積密度ρ 980 kg/m3

干基比熱Cp干0.84 kJ/（kg·℃）

污泥進(jìn)口溫度T120 ℃

污泥出口溫度T260 ℃

3.1 單位時(shí)間水分蒸發(fā)量W1

單位時(shí)間濕物料的處理量G1=100000/24=4167 kg/h； 單位時(shí)間水分的蒸發(fā)量W1=4167×［（80%-30%）/（100%-30%）］=2976 kg/h； 單位時(shí)間干基污泥量Gg=4167×（100%-80%）=833.4 kg/h；單位時(shí)間污泥產(chǎn)量Gc=4167-2976=1191 kg/h。

3.2 干燥所需熱量Qz

市政污泥干燥所需熱量Qz主要包括污泥中水分蒸發(fā)所需熱量Q1、污泥升溫帶走熱量Q2、干燥空氣帶走熱量Q3和設(shè)備散熱量Q4共4部分。

假定污泥中水分被加熱至60 ℃后蒸發(fā)，此時(shí)水分蒸發(fā)汽化潛熱γws=2354.9 kJ/kg，則Q1、Q2的計(jì)算值為：

其中，Cpw為水比熱容。

由于主要熱源為飽和蒸汽，空氣流動(dòng)僅用于帶走蒸發(fā)出的水分，停留時(shí)間較短，故由此假定Q3=0。 設(shè)備散熱量Q4取總熱量Qz的8%。 則計(jì)算得到污泥干化所需熱量Qz為：

3.3 間接傳熱面積A

對(duì)數(shù)平均溫差Δt的計(jì)算值為：

本算例中，取熱傳導(dǎo)性攪拌葉片和夾套殼體表面的平均傳熱系數(shù)α=135 W/（m2·℃）， 則計(jì)算得到間接傳熱面積A為：

3.4 飽和蒸汽量Wst

飽和蒸汽量Wst的計(jì)算值如下：

通過間接傳熱面積A對(duì)臥式槳葉式干燥機(jī)進(jìn)行選型， 選型時(shí)需要考慮10%～20%的面積余量。通過間接傳熱面積A及臥式槳葉式干燥機(jī)已有的成熟型號(hào)可以確定，100 t/d污泥處理量下宜選兩臺(tái)310 m2的干燥機(jī)，能滿足干化效果的要求。

4 結(jié)束語

針對(duì)市政污泥干燥過程中由于物性變化而出現(xiàn)的粘滯區(qū)這一特殊現(xiàn)象，臥式槳葉式干燥機(jī)是目前市場上最適合的干化設(shè)備，其特點(diǎn)如下：

a. 臥式槳葉式干燥機(jī)具備特殊的自清潔功能，可有效破壞污泥粘滯結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，防止設(shè)備局部堵塞，降低設(shè)備運(yùn)行功耗。 它利用自身多軸、槳葉交錯(cuò)重疊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在運(yùn)行過程中充分利用軸間互相嚙合的槳葉片，通過軸旋轉(zhuǎn)對(duì)污泥進(jìn)行不停的剪切、翻滾、攪拌，使污泥在干化過程中處于不停的成型-破壞-再成型狀態(tài)，有效避免了由于污泥結(jié)團(tuán)而導(dǎo)致的設(shè)備功耗陡增甚至無法正常運(yùn)行的不利工況。

b. 臥式槳葉式干燥機(jī)具有換熱面積利用率高的特點(diǎn)。 它可以將殼體夾套、槳葉和中心軸表面都設(shè)置為傳熱面，對(duì)膏狀污泥實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外包裹性傳熱，將傳熱面積利用最大化，有效提高傳熱效率。

c. 臥式槳葉式干燥機(jī)停留時(shí)間可調(diào)且較長，能夠保證理想的干化效果。 它采用可調(diào)式驅(qū)動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速、進(jìn)料速度及干燥溫度等，最長停留時(shí)間可達(dá)2 h以上，有利于脫水率跨度大的污泥達(dá)到出料要求。

雖然臥式槳葉式干燥機(jī)在國內(nèi)外污泥干化市場獲得推薦，認(rèn)可度較高且已有使用，但也存在單臺(tái)設(shè)備處理量低、污泥易在設(shè)備內(nèi)沉積無法排凈等缺陷。

近年來，國外又開發(fā)出一種新型針對(duì)污泥干化的薄層干燥機(jī)， 可極大地提高設(shè)備傳熱效率，且脫水率高，但由于設(shè)備造價(jià)高，目前我國使用的較少，但可作為污泥干化設(shè)備后續(xù)優(yōu)化選型時(shí)的備選項(xiàng)。