有機硅污泥干燥技術研究現狀及進展

摘 要 分析了有機硅污泥產生的過程及主要特性，簡述了污泥干燥的機理，梳理了現階段具有良好應用潛力的污泥干燥技術及其核心裝備結構特點，旨在為污泥干燥技術與有機硅領域的結合以及工程化應用提供必要的理論依據。

關鍵詞 有機硅污泥 干燥技術 干燥裝備

中圖分類號 TQ051.8+92" "文獻標識碼 A" "文章編號 0254?6094（2023）01?0011?05

有機硅是重要的基礎化工材料之一，被譽為“工業味精”，其主要產品包括硅橡膠、硅樹脂、硅油及二次加工品、硅烷偶聯劑等。因為兼備有機材料和無機材料的優異性能，具有良好的耐高低溫、電氣絕緣、耐輻射、耐臭氧、難燃、耐腐蝕及無毒無味等特性，目前廣泛應用于新能源、電子電氣、建筑、紡織及醫療等領域。隨著有機硅行業進入高速發展階段，我國已經成為全球最主要的有機硅生產國和消費國之一，所產生的污水和污泥量也快速攀升，環保壓力和處理成本與日俱增。有機硅生產廠家普遍將污泥進行簡單壓力過濾后外運或做填埋處理，經過機械脫水后的污泥含水率高、體積過大，導致后續的運輸和處理難度加大。因此，降低含水率是實現有機硅污泥無害化、減量化、資源化的基礎。污泥干燥處理是降低含水率的關鍵，國內外對于污泥干燥的研究日趨成熟，但針對有機硅污泥干燥技術的研究相對滯后，這間接制約了有機硅行業的發展。

1 有機硅污泥來源及性質

1.1 污泥來源

典型的有機硅生產工藝主要包括氯甲烷合成、氯硅烷單體合成及有機硅高聚物合成等環節，各工序均會產生含有不同類型污染物的廢水。硅粉制備工序產生攜帶未被除塵系統分離的小粒徑硅粉塵的含懸浮物廢水;甲基氯硅烷單體合成工序周期性產生的廢觸體中含有大量銅和鋅;醇解法制取聚硅氧烷工序中部分有機硅高聚物不易溶解且密度比水大，容易在廢水中凝結成塊狀沉淀。

如圖1所示，有機硅生產過程形成的各類廢水首先進入廢水預處理系統的預中和池調節pH值，隨后通過隔油沉淀池和均質調節池，去除大部分的細硅粉和油類并為后續微電解及生化處理創造適當的進水條件，經過均質調節后的廢水進入氣浮池進一步去除油類物質，廢水經過微電解處理后在中和絮凝沉淀池加堿中和、沉淀。生化池采用厭氧好氧（AO）工藝，廢水中的有機物通過微生物生化作用深度降解，最后廢水在二沉池進行泥水分離，清液進入出水監測池經在線儀表監測達標后外排。氣浮池產生的油泥、中和處理產生的無機污泥以及生化處理產生的污泥等均進入污泥收集池，并通過投泥螺桿泵送入污泥脫水間，采用機械式壓濾機進行簡單壓濾處理形成污泥濾餅，濾液返回污水處理系統。

1.2 污泥性質

由于有機硅原料、中間體和最終產品種類繁多，生產過程產生廢水的環節較多，所含污染物差異較大且普遍為間歇性排放，加之廢水采用多效協同處理，需要外加多種藥劑，導致有機硅污泥化學成分復雜且波動大，除有機硅中間體、硅樹脂、硅橡膠、硅偶聯劑及中間體、硅油、浮渣等有機物外，還包括銅、鋅等重金屬以及無機鹽類。同時，經板框壓濾機處理后的污泥濾餅，含水量仍達到50%～70%。

2 有機硅污泥干燥機理分析

2.1 污泥含水特性

有機硅污泥中主要的揮發分為水，從污泥固體顆粒與所含水分結合特性的角度，水分主要以4種形態存在于污泥中，即間隙水、表面吸附水、毛細結合水和內部水。其中，間隙水處于污泥團塊之間，相互作用力較弱，相對易分離，約占污泥水分的70%，是有機硅污泥干燥的主要對象;表面吸附水是指以膠狀形式附著在污泥固體表面上的水分，約占污泥水分的7%;毛細結合水是指由于毛細壓力結合在污泥顆粒接觸面上或裂隙間的水分，相互作用力較大，常規的濃縮或物理脫水方法無法脫除，約占污泥水分的20%;內部水主要指所含微生物的細胞液，約占污泥水分的3%。表面吸附水和內部水需要采用持續高密度能量深度脫除。

2.2 有機硅污泥干燥機理

目前，隨著對污泥干燥相關研究的日益深入，典型污泥干燥過程主要分為3個階段：

a. 加速階段，是指濕污泥表面水分受熱快速汽化蒸發的過程;

b. 恒速階段，是指由于污泥表面水分不斷蒸發，污泥內部水分受熱并在溫度場的作用下不斷遷移至表面并且持續蒸發的過程;

c. 減速階段，是指污泥內部水分從表面溢出的速率低于水分汽化速率的過程。

目前普遍認為，污泥干燥溫度處于100～

200 ℃范圍時，上述3個階段特性顯著，而當干燥溫度達到300 ℃以上時，并不存在真正的恒速階段。污泥干燥溫度、環境濕度及顆粒粒徑等因素都會直接影響污泥干燥效率。當環境濕度等條件恒定，污泥干燥溫度低于100 ℃時，污泥顆粒粒徑對污泥干燥效率起主導作用;污泥干燥溫度高于100 ℃時，干燥溫度成為干燥效率主要的影響因素。整體而言，各類干燥技術的應用都是將污泥顆粒以及干燥溫度的調節和組合作為提升污泥干燥速率的重要途徑。在相同條件下，污泥顆粒粒徑的變化對于干燥效率的影響更加顯著，因為其不但增大了污泥顆粒比表面積，同時還提高了單位面積干燥速率。

3 污泥干燥技術及核心裝備

自20世紀初，英國首次開發了轉筒式污泥干燥系統并成功運用于工程實踐，經過百余年的發展，在熱干燥、太陽能干燥等傳統污泥干燥技術逐漸得到完善的同時，以過熱蒸汽干燥、微波輻射干燥等為代表的新型污泥干燥技術也得到了蓬勃發展。

3.1 熱干燥技術

污泥熱干燥技術是最早試驗和應用的污泥干燥技術之一，其技術成熟度高，擁有大量工業化應用業績。按照污泥與熱介質的傳熱形式和是否直接接觸分類，主要可分為直接熱干燥、間接熱干燥、紅外干燥及其組合技術。

直接熱干燥技術基本原理為熱介質與濕污泥直接接觸，進行對流換熱并帶走蒸發出的氣體。在干燥過程中，熱介質如高溫蒸汽、熱氣體（煙氣、空氣、惰性氣體）低速通過污泥層，完成熱量交換并作為載氣帶走揮發分，經過冷凝、加熱等后處理系統再生實現循環利用，廢氣處理后達標排放或回到污水處理系統。由于污泥與熱介質直接接觸，因此需要專門配置尾氣后處理系統，處理單位污泥的廢氣排放量高達1.0～1.5 kg/kg。其干燥效率在80%～90%左右，主要影響因素包括污泥固體顆粒粒徑及表面積、污泥及其揮發分的物理特性、污泥與熱介質的運動速度、干燥溫度、環境濕度等。直接污泥熱干燥需要投入的熱介質量較多、干燥處理系統規模龐大、尾氣處理系統也較復雜且設備操作和維護難度高。目前，工程實際中常用的直接熱干燥設備有帶式干燥機、轉盤式干燥器、噴霧式干燥器、閃蒸式干燥器、多效蒸發器及轉窯式干燥器等。

與直接熱干燥不同，間接熱干燥技術中熱介質與物料不直接接觸，導熱油、蒸汽及熱煙氣等熱介質加熱干燥設備器壁或設備內部的換熱管，通過設備整體或熱軸的轉動強化污泥與加熱面的接觸，實現污泥與熱介質的熱量交換。這種干燥方式無需設置熱介質與干污泥的后續分離步驟，同時導熱油等熱介質經過加熱后大部分可以回到原系統中循環使用，可有效節約能源。整個干燥系統工藝路線短、設備相對簡單，運行管理方便、安全。間接熱干燥設備主要包括蒸汽管回轉干燥機、薄膜干燥器、蝶式干燥機、槳葉式干燥機及圓盤式干燥機等。

3.1.1 帶式干燥機

帶式干燥機是典型的對流傳導直接加熱型干燥設備，由若干個獨立的干燥單元組成，每個單元由動力系統、新風系統、傳送系統、加熱系統及排氣系統等組成。其工作原理為污泥由加料器均勻地分散在整個接觸帶上，加熱空氣或煙氣由下往上或由上往下穿過鋪在接觸帶上的濕污泥，加熱干燥并帶走水分。帶式干燥機可設計成單層、雙層和多層干化結構，通過調節傳送帶速度和干燥溫度，以適應不同種類污泥干燥所需停留時間的需要。主要特點為干燥速率高、蒸發強度高、產品質量好，但設備進料需要污泥具有一定的形狀，通常通過摻混一定比例的返料干泥實現。

3.1.2 蒸汽管回轉干燥機

蒸汽管回轉干燥機（圖2）是一種間接熱干燥設備，主要由筒體、加熱系統、傳動系統、支撐系統、進出料系統及旋轉接頭等組成。筒體內以同心圓方式設置有一圈或多圈換熱管，筒體低速旋轉并具有一定的斜度，加熱蒸汽在換熱管內冷凝放熱后通過管壁將熱量傳遞給濕污泥，濕組分達到沸點后汽化蒸發，干燥蒸發出的氣體經過負壓引出，污泥實現干燥。蒸汽管回轉干燥機的主要特點為熱效率高，處理能力大，適用范圍廣，干燥溫度均勻，干燥效果好，設備密閉性好，可應用于防爆環境。

3.1.3 槳葉式干燥機

槳葉式干燥機（圖3）主要由熱軸、機身、端片、上蓋及傳動系統等組成，其工作過程為水蒸氣或導熱油等熱介質通過干燥機的熱軸及葉片和W型夾套對濕污泥同時進行加熱，蒸發出的氣體由載氣帶出并進入后處理系統。污泥在設備內不斷受熱干燥的同時，由于機身傾斜度、熱軸轉動攪拌以及抄料板的作用逐漸向出料端移動，調節設備出料端堰板高度可控制停留時間，最終合格產品從干燥機出料口排出。空心熱軸的轉速和導熱油（或水蒸氣）的溫度對污泥干燥效率具有重要影響。槳葉干燥機的特點為干燥后污泥粒度均勻，熱介質可重復使用，污泥顆粒運動規律性強，熱軸可相互嚙合具有自清潔作用，防止污泥粘壁。

3.2 太陽能干燥技術

作為傳統污泥干燥技術之一的太陽能干燥技術，利用太陽能與溫室干燥方法對污泥進行干燥處理，根據其結構可分為溫室型、集熱型太陽能干燥系統以及與其他能源方式聯合應用的太陽能干燥系統。

太陽光輻射平鋪在溫室的濕污泥，污泥溫度持續升高，采用翻泥機強化傳熱使污泥表面水分汽化不斷蒸發，空氣濕度逐步增加隨著通風和自然循環排出并不斷循環完成污泥干燥過程。通過對污泥開展集熱-儲熱技術的太陽能干燥試驗，結果表明，在夏季經過7～12 d，污泥含水率從85%降低至6%，冬季需要9～33 d，污泥含水率減少約80%。相較其他干燥工藝，太陽能污泥干燥技術最大的特點為節能、運行費用低，我國太陽能資源豐富，為該干燥技術的推廣應用提供了條件，但由于太陽能熱流密度低且不具有穩定的連續性，導致污泥太陽能干燥工程項目尤其是大型項目并不多見。

3.3 過熱蒸汽干燥技術

過熱蒸汽干燥技術是一種新型污泥干燥技術，與普通熱風式干燥技術相比，最顯著的特點在于采用過熱蒸汽代替熱煙氣、空氣等傳統熱介質，雖然過熱蒸汽干燥機內與污泥換熱后產生的廢氣仍以蒸汽形式排出，但后續系統可通過冷凝的方法回收蒸汽潛熱并循環利用，熱效率高。由于水蒸氣熱容量是空氣的一倍，因此提供單位熱量的熱介質消耗量顯著降低。

普遍認為，在相同流體條件及溫度環境下，水分在濕空氣、干空氣和過熱蒸汽中蒸發存在一個顯著的溫度“轉折點”，過熱蒸汽干燥在高于此“轉折點”的環境下速率明顯高于普通的熱風干燥，反之干燥速率則大幅降低，且余熱回收的效果也會下降。從原理上分析，傳統熱風式干燥技術均可采用過熱蒸汽作為熱介質。與此同時，當喂入常溫污泥時，將其加熱到蒸發溫度的過程可能會產生凝結現象，導致干燥時間增加以及設備和管路的腐蝕。

3.4 其他干燥技術

微波輻射干燥技術通過發射波長為0.001～

1 m、頻率為3×102～3×105 MHz的電磁波，在微波電場作用下，污泥內部的水分子劇烈振蕩、摩擦，且由內向外溫度遞減，具備高能量的內部水分快速向表面移動并不斷受熱汽化。該技術的特點是熱效率高，加熱時間短，后處理簡單、高效，但對于連續流動污泥在微波場中的變化規律還有待進一步研究。在工程應用方面，微波發生需要耗電，這也成為該技術大規模工業化應用的瓶頸。

熱泵干燥技術是公認的環保干燥技術之一，其基本原理為經過冷凝器的高溫低濕熱介質與濕污泥接觸、換熱并將其中的水分帶出干燥機，成為相對濕度為70%～80%的高濕氣體，通過蒸發器實現氣液分離并排出冷凝液。熱泵干燥系統通常采用干燥熱介質部分循環模式，有效降低熱量吸收和熱泵的壓縮功，干燥過程不需要排放含有復雜成分的廢氣，環境污染小，但存在初期投資大、單機容量小的問題。

近年來，各類污泥干燥處理技術的組合利用也成為污泥干燥研究領域的熱點，如物理脫水預干燥和熱干燥組合，生化處理和熱干燥法組合，直接熱干燥與間接熱干燥組合等兩級甚至多級干燥模式。相較于單一的污泥干燥技術，組合干燥技術可根據污泥特性和資源條件進行針對性的分級化處理，處理效率和處理效果更好。

4 結束語

有機硅污泥有效處理已經成為制約有機硅行業發展的瓶頸之一，有機硅污泥成分復雜、產量不連續且波動較大。目前，我國對有機硅污泥干燥處理的研究仍處于起步階段，應重點從技術可靠性、熱介質可得性、能耗、安全性、投資及運行成本等角度選擇適當的污泥處理方向。現階段傳統干燥技術的干燥機相對成熟并具有大量商業應用業績，仍然是當前有機硅污泥處理重要的潛在手段。

隨著污泥處理技術不斷創新，傳統污泥干燥技術與新型干燥技術結合不斷深入，更多新的污泥干燥技術將應用于有機硅污泥處理領域。對污泥干燥技術及其核心裝備開展的深入研究，將積極推動有機硅污泥干燥技術的革新和完善，拓寬有機硅污泥處置的手段，實現有機硅污泥的資源化和減量化利用。

（收稿日期：2022-08-08，修回日期：2023-01-10）

Research Status and Progress in Development of Organosilicon

Sludge Drying Technology

HONG Tao

（Tianhua Chemical Machinery and Automation Institute Co.， Ltd.）

Abstract" "In this paper， the organosilicon sludge’s generation and its main characters were analyzed and its drying mechanism was described， including characteristics of sludge drying technologies and sludge drying device’s structural features with good application potentials presently so as to provide theoretical basis for combining sludge drying technologies with organosilicon industry and their engineering application.

Key words" "organosilicon sludge， drying technology， drying equipment

作者簡介：洪濤（1983-），高級工程師，從事化工機械研發及應用工作，ht3972@163.com。

引用本文：洪濤.有機硅污泥干燥技術研究現狀及進展[J].化工機械，2023，50（1）：11-15.