國內(nèi)外污泥熱干燥工藝的應用進展及技術要點_圖文

1、國內(nèi)外污泥熱干燥工藝的應用進展及技術要點王興潤,金宜英,聶永豐(清華大學環(huán)境科學與工程系,北京100084摘要:介紹了國內(nèi)外污泥干化設備的研究進展、常用工藝類型及其工作原理,分析了各種工藝設備的優(yōu)、缺點及技術難點,歸納總結了污泥干燥設備選型和開發(fā)過程中的關鍵技術點。強調(diào)能耗和系統(tǒng)安全性是衡量污泥干燥設備的關鍵因素,其中能耗應從熱源和干燥工藝兩方面入手,采取相應的技術手段來降低熱損失以提高干燥效率;對于污泥干燥設備安全性的控制,則應從降低粉塵濃度和含氧量兩方面考慮。關鍵詞:污泥干化;污泥熱干燥技術;污泥干燥器中圖分類號:X703.1文獻標識碼:B 文章編號:1000-4602(200708-00

2、05-04Appli ca ti on Progress and Techn i ca l M a i n s of Therma l Sludge D ry i n gProcesses a t Hom e and AbroadWANG Xing 2run,J I N Yi 2ying,N I E Yong 2feng(D epart m ent of Environm ental Science and Eng ineering,Tsinghua U n iversity,B eijing100084,Ch ina Abstract:The research p r ogress of s

3、ludge drying equi pment,common drying p r ocess types and their working p rinci p le at home and abr oad were intr oduced .The advantages,disadvantages and techni 2cal difficulties of different drying p r ocesses and equi pment were analyzed .The key technical mains during the type selecti on and de

4、vel opment of sludge drying equi pment were summarized .It was put for ward that energy consu mp ti on and syste m security were the key fact ors f or drying equi pment selecti on and design .For the energy consu mp ti on,the heat s ource and drying p r ocess should be considered,and the heat l oss

5、should be decreased using the relevant technical means t o i m p r ove the drying efficiency;for the contr ol of the security,considerati on should be given t o reducing dust concentrati on and oxygen content .Key words:sludge drying;ther mal sludge drying technol ogy;sludge dryer基金項目:清華大學基礎研究基金資助項目

6、(JC20030101污泥干化設備工藝類型及工作原理111熱對流干燥系統(tǒng)早期的直接熱干燥系統(tǒng)是將外部熱介質(zhì)(熱空氣、燃氣或蒸汽等加熱后通入干燥器與污泥直接接觸,蒸發(fā)污泥中的水分并運送污泥。熱介質(zhì)離開干燥器后與干污泥顆粒分離,經(jīng)除塵、熱氧化除臭后排放。由于系統(tǒng)所需熱風量很大,故尾氣處理成本較高。目前該工藝采用了氣體循環(huán)回用的設計,使尾氣處理成本高這一缺陷得到明顯改善。在其干燥工藝中,熱介質(zhì)經(jīng)除塵、冷凝、水洗后,只需對15%的熱介質(zhì)進行熱氧化除臭并排放,其余的85%可直接返回干燥器。這不僅減小了尾氣處理的負擔,更重要的是大大降低了外部熱介質(zhì)的引入量,將干燥器內(nèi)的氧氣含量維持在較低水平,從而大幅提高

7、了系統(tǒng)的安全性能1、2。直接加熱轉鼓式干燥機是最常用的熱對流干燥設備3,其工藝流程見圖1。第23卷第8期2007年4月中國給水排水CH I N A WATER &WASTE WATER Vol .23No .8Ap r .2007圖1直接加熱轉鼓式干燥工藝流程Fig.1Fl ow chart of r otating dru m drying technique熱對流干燥系統(tǒng)具有如下優(yōu)、缺點:熱對流工藝對污泥進行全干化時傳熱傳質(zhì)效率較高,對污泥進行半干化時能耗較高,因此該干燥系統(tǒng)更適于全干化工藝。熱對流干燥系統(tǒng)的強擾動和機械作用對污泥顆粒的堅硬外殼具有較強的破壞能力,可使內(nèi)部的潮濕污泥

8、外露,提高熱傳輸效率及蒸發(fā)速率。后續(xù)冷凝洗滌廢水量大,處理費用較高。系統(tǒng)的額外能耗增加。這是由于熱對流干燥系統(tǒng)采用的氣體循環(huán)回用設計實際上是對循環(huán)載氣進行反復的加熱、冷凝和洗滌,致使熱損失很大。該系統(tǒng)內(nèi)部的氣體流動量大,粉塵濃度高,因此安全性較低。整個系統(tǒng)龐大、復雜,給操作和管理帶來一定的麻煩。112熱傳導干燥系統(tǒng)熱傳導干燥系統(tǒng)不存在大量工藝載氣的循環(huán),系統(tǒng)僅抽取相當于蒸發(fā)量的部分進行冷凝,通常采用抽取微負壓方式,也有部分工藝采用少量載氣的方式,因此尾氣處理的負擔較輕,且載氣熱損失也較低。目前國內(nèi)外常用的熱傳導干燥機主要有多層臺階式干燥機、轉盤式干燥機等。圖2是典型的多層臺階式干燥機的工藝流程

9、 。圖2多層臺階式干燥工藝流程Fig.2Fl ow chart of multi p le step drying technique熱傳導干燥系統(tǒng)具有如下優(yōu)、缺點:熱傳導工藝系統(tǒng)進行全干化時能耗高、效率低,更適于半干化工藝。無需載氣或所需載氣量較小,因此氣體產(chǎn)量少,后續(xù)尾氣處理費用較低。系統(tǒng)內(nèi)部氣體流動性小,因此粉塵濃度低,系統(tǒng)安全性較高。干燥器內(nèi)部的運動部件較多,維修費用較高。目前歐美等國家常用的干化系統(tǒng)主要以直接干燥轉鼓式工藝、多層臺階式干化工藝、轉盤式干化工藝、流化床干化工藝等為主。此外還有碟片式、帶式、日光式等干化工藝,但在大型工程中的應用很少4。目前幾種常用干化工藝的主要參數(shù)特點、

10、主要設備供貨商及應用實例見表1。表1常用工藝的參數(shù)特點Tab.1Characteristics of common drying techniques干燥器形式干燥方式干燥產(chǎn)品是否需要返料系統(tǒng)安全性能耗粉塵含量安全性熱量/(kJkg-1水電量/(k Whm-3水供應廠商應用實例轉鼓式熱對流全干化需要/不需要較高填充度高,運行溫度高,含氧高320035005090Andritz公司、B i oGr o公司、S wiss Combi公司和Oka w ara公司等美國佛羅里達州Largo污水處理廠、瑞士Basel污水處理廠、加拿大魁北克污泥干燥廠等轉盤式熱傳導半干化/全干化需要/不需要低污泥溫度低,

11、氧氣含量低27504555A tlas2St ord公司荷蘭S NB污泥干燥焚燒站、丹麥Lynetten污水處理廠和挪威I.V.A.R污水處理廠等多層臺階式熱傳導全干化需要低接觸傳熱面溫度高32604560Andritz公司、Seghers公司等巴塞羅那間接加熱污泥干化廠流化床熱對流、熱傳導全干化需要/不需要很高污泥易粘于設備內(nèi)壁,設備中干燥污泥量大2750100200WABAG公司4、維奧技術瓦巴格德國有限公司和Andritz公司等上海石洞口污水處理廠第23卷第8期中國給水排水 113干料返混工藝為避免全干化過程中的污泥粘結、干燥效率低等問題,目前多采用干料返混工藝手段,該工藝具有如下特點。

12、由于城市污泥干燥過程存在“膠粘相”階段(含水率為60%左右,在此過渡段內(nèi)污泥極易結塊,具有表面堅硬、難以粉碎而里面卻仍是稀泥的特點,這給污泥的進一步干燥和滅菌帶來較大困難。而干料返混方式可使污泥的含水率降至50%左右,使其直接越過“膠粘相”,大大減輕了污泥在干燥器內(nèi)的粘結,從而提高了熱傳輸效率及蒸發(fā)速率。干料返混工藝還可改善初始進料濕污泥含水率變化的敏感性。一般干燥系統(tǒng)在運行過程中,供熱量及其相關的工藝氣體量已經(jīng)確定,當進料含水率變化而進料量不變時,系統(tǒng)內(nèi)部的濕度平衡被破壞,從而引發(fā)如下問題:a.濕度增加可能導致干化不均;b.濕度減少則意味著粉塵量的增加和顆粒溫度的上升,使系統(tǒng)安全性大大降低。

13、而采用干料返混工藝則能夠擴大可允許的濕泥波動范圍。干料返混實際上就是用510倍的絕干物質(zhì)來混合初始污泥,例如用5倍含固率為90%的干泥顆?；旌蠞衲?則當濕泥的含固率為10%20%時,混合污泥的含固率為50%55%,可見干料返混可擴大濕泥波動范圍,提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。干料返混工藝的熱損失能耗高。這是由于濕泥的含固率一般較低,致使返混比例較高,從而形成對大量干污泥載體的反復加熱、冷卻造成的。干料返混工藝的熱損失由兩個因素決定:a.返混的目標含固率。含固率越高則所需返混干泥的比例越高,形成熱損失的物質(zhì)總量越高;b.干燥器進口混合料和出口產(chǎn)品的溫差。該值決定了單位質(zhì)量物質(zhì)的熱損失幅度,由此可以計

14、算干料返混工藝的熱損失。2干燥工藝的技術要點211能耗污泥干燥是一個能量凈支出的過程,耗能費用在一個標準干化系統(tǒng)運行成本中的比例>80%,因此對熱能損耗的研究是干化系統(tǒng)研究及改進的重點。干化的熱損失主要來自熱源和干燥工藝兩方面。不同類型熱源的熱利用效率不同,傳輸距離、保溫狀況均對熱源的熱利用效率產(chǎn)生較大影響,減少這部分熱損失的原則是:優(yōu)化熱源,優(yōu)化選擇和組合換熱器,縮短傳輸距離,強化保溫效果。不同的工藝類型對熱損失的影響很大,含水率較高時熱傳導通過傳熱面發(fā)生固液傳熱,傳熱效率高于熱對流的氣液傳熱,干燥后期污泥進入“膠粘相”階段,此時熱對流的傳熱效率較高;全干化工藝干燥載氣的反復冷凝、洗滌

15、、加熱過程具有較大的熱損失;此外干料返混工藝的特點也決定了其熱損失較大。減少這部分熱損失的原則是:合理降低最終產(chǎn)品含固率,使之優(yōu)化并適應污泥的最終處置要求;選擇適合最終產(chǎn)品含固率的工藝類型;改善冷凝條件如減少載氣量、分步冷凝等,減少工藝步驟、縮短工藝路線,優(yōu)化運行參數(shù)以提高干燥效率。212安全性老式干燥器存在起火或爆炸頻繁的缺點,使污泥干燥設備的安全性能倍受質(zhì)疑1。對工藝安全性具有重要影響的要素包括:粉塵濃度,一般要求粉塵濃度<60g/m3;工藝允許的最高含氧量(燃燒氣氛的惰性化,一般要求氧氣含量<12%;顆粒溫度(點燃能量;濕度(氣體的濕度和物料的濕度對提高或降低粉塵爆炸下限具有

16、重要影響。由于污泥的粉塵爆炸濃度下限值較低,當含氧量條件具備時,污泥顆粒的點燃溫度較低。因此,降低污泥顆粒溫度并不是排除粉塵爆炸的根本性條件。此外,提高干燥器內(nèi)的濕度,易使水蒸氣的平衡分壓增大,導致濕污泥中水分的干燥速率降低,同樣也不是提高干燥器安全性的主要手段。這表明保障系統(tǒng)的安全性應從降低粉塵濃度和降低含氧量兩方面考慮,對干燥器內(nèi)的粉塵濃度和含氧量進行實時監(jiān)測,并采取針對性措施來完善設計和加強管理。3結語降低污泥含水率是解決目前污泥處理所面臨困難的關鍵。污泥干化處理是污泥處理、處置重要的“第一步”,為后續(xù)的污泥處理處置及資源化提供了多種選擇。目前國內(nèi)外污泥干燥工藝主要分為熱對流工藝和熱傳導

17、工藝兩種類型。熱對流工藝更適合污泥的全干化,熱傳導則更適合污泥的半干化。與熱傳導相比,熱對流具有對尾氣、洗滌水等二次污染處理費用高、系統(tǒng)安全性低、循環(huán)載氣導致的熱損失大等缺點。但熱傳導干燥器內(nèi)部較多的運動部件將導致系統(tǒng)的維修費用很高。干料返混工藝是目前許多干燥工藝常用的王興潤,等:國內(nèi)外污泥熱干燥工藝的應用進展及技術要點第23卷第8期操作單元,可以避免干化過程污泥粘壁、干燥效率低等問題,同時可改善初始進料濕污泥含水率變化的敏感性,但干料返混單元導致的系統(tǒng)熱損失能耗較大。污泥干燥是一個能量凈支出的過程,干燥工藝的能量消耗高低是衡量一種干燥工藝優(yōu)劣的關鍵因素,而整個干燥系統(tǒng)的安全性則是干燥工藝的首

18、要控制條件。目前干燥工藝技術均引自化工行業(yè)的熱干燥技術,而污泥與晶體物質(zhì)的干燥特性有較大的差異,因此需對污泥的熱干燥特性、污泥干燥過程的形態(tài)變化、干燥過程的有機物反應機理等加以深入研究,以期為適合污泥干燥的設備開發(fā)和研究提供必要的理論基礎。參考文獻:1楊小文,杜英豪.國外污泥干化技術進展J.給水排水,2002,28(2:35-36.2楊小文,杜英豪.污泥熱干化在美國的應用J.中國給水排水,2002,18(1:90-92.3郭淑琴,胡大衛(wèi),盧心虹,等.介紹幾種污泥熱干化技術設備J.中國給水排水,2003,19(5:105-106. 4王釗.北京污水處理廠污泥干化處理工藝選擇的探討J.市政技術,2004,22(6:374-378.電話:(01062794483E-ma il:wangxr99收稿日期:2006-09-12水業(yè)公司信息“東方管業(yè)”為北京奧運輸送綠色環(huán)保之水2007年2月1日北京城建集團國家體育場(鳥巢工程總承包部與我國鋼絲網(wǎng)骨架復合管生產(chǎn)的龍頭企業(yè)廣東東方管業(yè)有限公司正式簽約,國家體育場(鳥巢工程的全部埋地生活用水和部分承壓的雨洪利用管道,將采用廣東東方管業(yè)有限公司生產(chǎn)的“東方伍拾年