污泥薄層干化機的理論與實驗研究

中圖分類號：X703 文獻標(biāo)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(yè)過程等產(chǎn)生的含固廢棄物。污泥中通常含有大量的污染物質(zhì)，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(shù)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(xiàn)自持燃燒。經(jīng)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(shè)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(nèi)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子的驅(qū)動裝置組成。與其他類型設(shè)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(chǎn)生的二次蒸汽通過耦合熱泵技術(shù)進行循環(huán)使用，能夠極大降低蒸汽用量。因此，在“雙碳”目標(biāo)下，具有更好的應(yīng)用前景。

薄層干化機的工作機理復(fù)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(zhuǎn)速、蒸汽壓力和進料含水率對過程傳熱系數(shù)的影響，為設(shè)備放大提供

數(shù)據(jù)支撐。

1 理論研究

污泥薄層干化的傳質(zhì)傳熱相關(guān)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(shù)及活化能。研究認(rèn)為，薄層污泥干燥是水分向外部遷移的過程。根據(jù)菲克第二定律的解析解，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，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(shù)（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(shù)。其中有效擴散系數(shù)D_eff 與活化能的關(guān)系可根據(jù)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(shù)， T 為溫度。

從上述式子中可以看出，有效擴散系數(shù)和膜厚是影響干化速度的重要參數(shù)。其中，有效擴散系數(shù)取決于干化溫度。然而薄層干化機與文獻所述的區(qū)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(yīng)的影響，同時污泥層在轉(zhuǎn)子的作用下，不斷更新。因此，該模型并不能嚴(yán)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(fā)器發(fā)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(fā)器中，早期的如Lustenader等[8]認(rèn)為，熱傳遞是通過液膜的導(dǎo)熱進行。給熱系數(shù) α 為

α=λβ

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

式中： C_p 為比熱容 Δ，ρΔ 為流體密度， λ 為導(dǎo)熱系數(shù)， n 為

刮板數(shù)量， N 為刮板轉(zhuǎn)速。

從上述的文獻中可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速、溫度是影響干化效率的重要參數(shù)。但由于污泥有別于液體，且薄層干化機的工作特點，相關(guān)研究關(guān)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(jīng)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(shè)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(jié)構(gòu)。實驗原料通過濕污泥進料泵輸送至原理樣機內(nèi)層的污泥腔；干化后產(chǎn)生的干污泥經(jīng)卸料閥送出污泥腔；干化后產(chǎn)生的氣體經(jīng)二次蒸汽出口排出；原理樣機通過電機驅(qū)動，并采用變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。干化所需的熱量來源于外部電加熱蒸汽發(fā)生器；發(fā)生的蒸汽進入原理樣機外層的加熱腔供熱；產(chǎn)生的凝結(jié)水進入集液罐；產(chǎn)生的不凝氣經(jīng)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(shè)備為，薄層干化原理樣機：自制，處理量 40L/h ;驅(qū)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(fā)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(zhuǎn)，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(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)圓筒傳熱計算公式

q=hΔTΠDL ，

蒸汽至污泥蒸發(fā)側(cè)對流換熱系數(shù)為

其中，對流換熱量

薄層干化機單位面積蒸發(fā)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(nèi)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(jié)果與分析討論

3.1 轉(zhuǎn)速對污泥傳熱效果的影響

污泥薄層干化機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心加速度應(yīng)能克服重力，確保污泥能被甩向筒壁，且保證筒壁上側(cè)的污泥不落下。通常薄層干化機轉(zhuǎn)子刀片設(shè)置一定的斜角，軸向推動污泥前移。

實驗過程采用變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后，結(jié)果如圖3所示。

圖3轉(zhuǎn)速對傳熱效率的影響

根據(jù)上述結(jié)果，隨著轉(zhuǎn)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(fā)速度和傳熱系數(shù)變化趨勢一致。由于熱側(cè)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(cè)。濕污泥在接觸熱壁面后，產(chǎn)生的氣泡經(jīng)刀片刮磨后，將翻新至表面，有利于擴散至污泥內(nèi)部。但與刮膜蒸發(fā)器的理論模型相比較，轉(zhuǎn)速與傳熱系數(shù)幾乎成線性，高于液體刮膜蒸發(fā)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(cè)而言，蒸汽壓力越低，相應(yīng)的飽和溫度也越低，密度越小。此時，相同質(zhì)量流量下的蒸汽流速更高，有利于獲得更高的傳熱系數(shù)。但如前述，熱側(cè)并不是主要的熱阻，因此該作用影響有限。

根據(jù)污泥薄膜干化的擴散理論，溫度越高，有效擴散系數(shù)越大，此時傳熱系數(shù)應(yīng)越大，但在污泥薄層干化機中，情況更為復(fù)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(nèi)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(yīng)下，傳熱速率可能顯著下降。

實驗通過電加熱功率調(diào)整蒸汽壓力，同時控制原理樣機的轉(zhuǎn)速在 250RPM ，入口含水率 76.5%_lt; 實驗數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后，結(jié)果如圖4所示。

圖4蒸汽壓力對傳熱系數(shù)的影響

換熱量同時受到換熱系數(shù)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(shù)的影響。根據(jù)圖4，隨著蒸汽壓力的提高，傳熱系數(shù)先下降后平穩(wěn)。這一現(xiàn)象可以初步推斷，在較低蒸汽溫度下，濕污泥蒸發(fā)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(fā)強度提高，蒸汽的排出速度小于產(chǎn)生的速度，從而形成一定的熱阻。但當(dāng)壓力高至一定程度后，萊頓弗羅斯特效應(yīng)顯現(xiàn)，

此時換熱系數(shù)趨于穩(wěn)定。

根據(jù)試驗結(jié)果顯示，該轉(zhuǎn)折點在 0.6～0.8MPaG 。蒸汽壓力較低時，由于傳熱系數(shù)大，污泥的蒸發(fā)效果明顯，在萊特斯頓效應(yīng)發(fā)生的區(qū)間內(nèi)，由于換熱系數(shù)降低，導(dǎo)致污泥的蒸發(fā)效果也有所降低，但是后續(xù)繼續(xù)提高蒸汽壓力的過程中，換熱系數(shù)變化不大，隨著溫差的增加，污泥的蒸發(fā)效果也在提高。考慮蒸汽壓力成本問題，最優(yōu)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(gòu)成比例，主要影響傳熱傳質(zhì)過程的物性參數(shù)包括：導(dǎo)熱系數(shù)、黏度、比熱容、密度等。相關(guān)研究表明[]，導(dǎo)熱系數(shù)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(dá)到峰值（粘滯區(qū)）。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(qū)、快速區(qū)、降速區(qū)和低速區(qū)]。不同的污泥種類區(qū)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(zhuǎn)速在 250RPM ，蒸汽壓力在 1.2MPaG 。實驗數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后，結(jié)果如圖5所示。

圖5入口含水率對傳熱系數(shù)的影響

如圖5所示，隨著入口含水率的增加，傳熱系數(shù)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(fā)速度和傳熱系數(shù)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(qū)和快速區(qū)。

4結(jié)論

根據(jù)污泥薄層干化樣機的實驗結(jié)果，可以得到以下結(jié)論。

1）轉(zhuǎn)速越高，污泥薄層更新越快，污泥換熱系數(shù)更大，干化效果越好，其對流換熱系數(shù)與轉(zhuǎn)速接近線性關(guān)系。

2）蒸汽壓力升高過程中，污泥換熱系數(shù)先增大，后因萊特斯頓效應(yīng)降低，發(fā)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(shù)影響，最優(yōu)蒸汽壓力約在 0.6MPaG 。

3）隨著入口含水率的增加，傳熱系數(shù)先降低后略微增加。

污泥薄層干化機的工作機理復(fù)雜。通過對轉(zhuǎn)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(shè)計和放大提供一定的數(shù)據(jù)支撐。同時，為未來開展熱泵技術(shù)耦合薄層干化時的工藝參數(shù)確定提供參考。

參考文獻：

[1]徐效燦，李強，章丹，等.關(guān)于市政污泥干化幾種工藝路線的介紹[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2020（8）：15-19.

[2]王爭剛.薄層干化技術(shù)在含油污泥處置中的應(yīng)用[J].安徽化工，2021（6）：138-141.

[3]毛夢梅，劉嘉南.薄層干化機污泥干化過程能耗及污染物特性研究[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2019（3）：37-40.

[4]劉國榮，劉晨璐，李鴻莉，等.蘭州石化泥油薄層干化特性及干化模型建構(gòu)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019（7）：310-315.

[5]胡成明，張斌，張振，等.渦輪薄層污泥干化的熱質(zhì)傳遞過程與關(guān)鍵參數(shù)研究[J].熱能動力工程，2022（5）：79-85，100.

[6] TUTUNCU M A，LABUZA T P. Efect of geometry on theeffective moisture transfer diffusion coefficient [J].Journal ofFood Engineering，1996，30（3/4） ：433-447.

[7]MADAMBAP S，DRISCOLL R H，BUCKLE K A.Thethin-layer drying characteristics of garlic slices [J]. JournalofFood Engineering，1996，29（1）：75-97.

[8]LUSTENADER J.Journal ofHeat Transfer[J].Trans ASMESer C.1959，81（4）：297-307.

[9]KOOL J.Heat Transfer in Scraped Vessels andPipesHandling Viscous Materials [J].Transactions ofthe Instituteof Chemical Engineers.1958（36）：253-258.

[10]王瑞.污泥干化基礎(chǔ)特性及工藝研究[D].沈陽：沈陽航空工業(yè)學(xué)院，2010.

[11]徐永亮.市政污泥基礎(chǔ)特性及低溫負(fù)壓干化技術(shù)研究[D].南京：江蘇大學(xué)，2020.