（热能工程专业论文）太阳能辅助桨叶式干燥机干燥污泥的研究.pdf

浙江人学硕士学位论文摘要 摘要 本文主要进行了太阳能辅助桨叶式干燥机干燥装置的设计和干燥研究，并分 析了干燥过程中污泥的排放特性。 在介绍了污泥的处理处置方法，综述了污泥干燥研究的发展和现状的基础 上，叙述了太阳能利用的特点和太阳能在干燥领域的运用，确定了本文的研究内 容和方向，提出了桨叶式干燥机太阳能辅助干燥的思路。干燥机的太阳能辅助干 燥的思路主要有两点：( 1 ) 太阳能加热循环导热油；( 2 ) 干燥机进行温室型改造， 使太阳能能够直接辐射干燥机内污泥。 试验通过搭设小型太阳能加热导热油循环回路研究太阳能加热导热油的情 况结果表明，冬季和夏季工况导热油都能够升温到6 0 8 0 度的温度区间， 能够保证稳定地进行6 0 8 0 区段的中温应用研究了导热油的升温速率， 以及升温速率同回路中循环导热油的总量、导热油流动速率的关系。并计算了太 阳能集热器在冬季和夏季工况中的吸热效率 根据导热油循环回路的升温数据，搭建了试验台研究在太阳能辅助下桨叶式 干燥机干燥污泥的情况。试验和无太阳能辅助的桨叶式干燥机以及太阳能温室干 燥工况相比较，发现结合太阳能辅助后干燥机单位干基蒸发水量明显高于后两 者。研究了太阳能辅助干燥对干燥机内温度、电能节约、冷凝液水质的影响。 最后研究了桨叶式干燥机太阳能辅助干燥装置中污泥干燥过程的排放。分析 不同的干燥温度下，污泥的干燥速率、气体排放和冷凝液生成状况。试验结果表 明，污泥在干燥过程中会释放出氨气、挥发性有机酸( 甲酸、丙酸) 和烷烃( 庚 烷) 等挥发性有机污染物，且升高干燥温度能够影响干燥过程中排放的气体量、 冷凝水的p h 值和c o d 值。通过对比冷凝前后的二次气体排放量，表明冷凝操 作有利于降低二次污染。 关键词：污泥太阳能干燥桨叶式干燥机有机污染物 浙江大学顾_ j j 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t as o l a ra s s i s t e dp a d d l ed r y e rf o rs e w a g es l u d g ed r y i n gw a sd e s i g n e da n ds t u d i e d i nt h i sp a p e r a n dt h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c si nt h ed r y i n gp r o c e s so fs e w a g es l u d g e w a sa l s oa n a l y z e d t h ew a yf o rs l u d g ed i s p o s a la n du t i l i z a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fs l u d g ed r y i n g s t u d y , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o l a re n e r g yu t i l i z a t i o na r ed i s c u s s e dt od e t e r m i n et h e r e s e a r c hc o n t e n t sa n db u i l dt h es o l a ra s s i s t e ds y s t e m t h e r ew e r et w ok e yp o i n t si n b u i l d i n gt h i ss o l a ra s s i s t e ds y s t e m ：( 1 ) o i lh e a t e db yt h es o l a re n e r g y ；( 2 ) m a k i n gt h e u p p e rc o v e ro ft h ep a d d l ed r y e rt r a n s p a r e n t ，t ol e tt h es o l a rr a d i a t i o ni n as m a l ls c a l eo i lc i r c u i tw a sb u i l tt oc o n d u c tt h ee x p e r i m e n t so fh e a t i n go i lb yt h e s o l a rr a d i a t i o n t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h et e m p e r a t u r eo ft h eo i lc a l lr e a c ht h e t e m p e r a t u r es c o p eo f6 0 t o8 0 ，t oi n s u r et h em i d t e m p e r a t u r eu t i l i z a t i o n t h e t e m p e r a t u r er i s i n gr a t e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e m p e r a t u r er i s i n gr a t ea n dt h eo i l v o l u m e ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e m p e r a t u r er i s i n gr a t ea n dt h eo i lf l o w i n g r a t ew e r ea n a l y z e d t h ee f f i c i e n c yo ft h es o l a rc o l l e c t o r sw a sc a l c u l a t e di nb o t hw i n t e r a n ds u m m e r b a s e do nt h et e m p e r a t u r er i s i n gr a t e ，as o l a ra s s i s t e dp a d d l ed r y e rw a sb u i l t c o m p a r i n gt h ed r y i n gc o n d i t i o ni np a d d l ed r y e rw i t hs o l a ra s s i s t e d ，w i t h o u ts o l a r a s s i s t e da n di ns o l a rd r y i n gc a b i n e t ，i ti sf o u n dt h a tt h ew a t e re v a p o r a t i o nr a t ei nt h e s o l a ra s s i s t e dp a d d l ed r y e ri st h eh i g h e s to fa 1 1 t h et e m p e r a t u r ei nt h ed r y e r , t h e e n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ec o n d e n s e dw a t e rq u a l i t yw e r ea l s os t u d i e d a tl a s t ，t h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g e ，e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff l u eg a s e s a n dc o n d e n s e dw a t e rq u a l i t yw e r ea n a l y z e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h r e ek i n d so f v o l a t i l ec o m p o u n d s ，i e ，a m m o n i a , v o l a t i l ef a t t ya c i d ( c h c o o h ，c h 3 c h 2 c o o h ) a n da l k a n e ( h e p t a n e ) w e r ef o u n di nt h et h e r m a ld r y i n gp r o c e s s t h ed r y i n gr a t eo f s l u d g e ，t h ec o n c e n t r a t i o no fv o l a t i l ec o m p o u n d s ，p hv a l u ea n dc o d v a l u ew e r e i n f l u e n c e db yd r y i n gt e m p e r a t u r e t h ec o n c e n t r a t i o no fv o l a t i l ec o m p o u n d sw a s m e a s u r e db e f o r ea n da f t e rc o n d e n s i n g i tw a sf o u n dt h a tc o n d e n s i n gc o u l dm a r k e d l y r e d u c et h ee m i s s i o no fg a s e o u sp o l l u t a n t s k e y w o r d s ：s e w a g es l u d g e ；s o l a rd y i n g ；p a d d l ed r y e r ；v o l a t i l ec o m p o u n d s i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：纺瘪彩舀 签字日期： 知穆年矽6 月，；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝至三盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：抹粗荛列孙 导师签名： 多伊 签字日期：汐矿g 年驴6 月弓日 签字日期：籼呀年月f 弓日 浙江大学硕l 学位论文致谢 致谢 在硕士论文完成之际，我首先要感谢我的两位导师：王飞教授和蒋旭光教授， 本文的全部工作都是在他们的悉心指导和热心关怀下完成的。两位导师严谨的治 学作风、敏锐的洞察力、积极地开拓精神和平易近人的处事方式都使我深受裨益， 在此谨向两位导师表示深深的谢意。感谢他们在攻硕期间的悉心指导。 特别感谢严建华教授、李晓东教授在试验方面的指导和建议。严建华教授所 提出的研究思路给了我很大的启发，李晓东教授在试验分析方面的指导使我受益 很深。同时感谢课题组的各位老师：池涌教授、黄国权教授、金余其副教授、陆 胜勇副教授多方面的帮助，在此表示深深的感谢。 感谢师兄邓文义博士，热情细心地指导了我的试验，让我能够顺利地了解并 进入课题，并在课题的研究过程中不断地给予指导和帮助，使研究能够顺利进行 下去。 感谢同一课题组的郑皎博士、陈耿博士、王波博士、徐梦侠博士，祝红梅博 士、刘亚纳博士、曲金星硕士在学习上的帮助。感谢废弃物组同级的唐昊渊、夏 积恩、毛艳艳、刘科、柴兴峰、米海波、余量同学，感谢你们在实验过程中给予 的支持，感谢同寝室的张薇同学以及同办公室的吴芳同学和盛锴同学，感谢你们 在生活和学习上给我的帮助，还要感谢与实验上给予我帮助的张春晓师弟和严密 师弟。感谢2 0 0 6 级硕士班全体同学。 感谢张宏声实验师，陈玲红老师，谷月玲老师以及其他实验室老师在实验方 面给与的帮助。 在此还要衷心的向父母和家人表示感谢。是你们在背后一直鼓励和支持我积 极自信的前进。希望我能够努力不辜负你们的希望。 朱晓琬 2 0 0 8 0 5 于玉泉 浙江人学硕十学位论文绪论 1 绪论 1 1 引言 在污水处理的过程中，会产生大量的沉淀物、颗粒物和漂浮物，这些被统称 为污泥。产生的污泥体积占处理的水量体积的0 3 0 5 左右，但污泥处理设施 的投资却占到总投资的3 0 4 0 ，甚至超过5 0 t 因此在污水处理过程中，污 泥处理是极其重要的环节。 近年来经济的不断发展使得污水处理厂的数量不断增加，产生的污泥总量也 随之增加1 9 9 1 年全国建成城市污水处理厂8 7 座，污水处理率达到1 4 8 6 2 0 0 3 年，全国已建成污水处理厂6 1 2 座，污水处理率也达到4 2 3 9 。污泥排出量一 般为原水处理量的o 3 0 5 ( 体积百分比) ，或者为原水处理量的1 一3 ( 质 量百分比) 。污水处理率的极大提高，导致了需要处理污泥数量的增加。据估算， 中国每天产生的含水8 0 的污泥，重量上几乎占到城市生产垃圾总量的2 0 ， 且年增长量大于2 0 。根据预测，全国年生产干污泥量将达到8 8 0 万吨 表1 1 中国城市污水处理概况 城市污水污水年排放总量污水年处理量污水处理宰 年份 处理厂( 座)( 亿吨，年)( 亿吨年)( ) 1 9 9 1 篮8 72 9 9 74 4 51 4 8 6 1 9 9 4 篮1 3 93 0 35 1 81 7 1 1 9 9 7 丘3 0 73 5 1 49 0 8 2 5 8 4 2 0 0 0 年4 2 73 3 1 81 1 3 63 4 2 5 2 0 0 3 年 6 1 23 4 9 21 4 84 2 3 9 注：部分数据引自2 0 0 3 年中国城市建设统计年报 污泥中含有大量的有害有毒物质，例如寄生虫卵、病原微生物、细菌、重金 属离子等，堆放的污泥还会产生大量有臭味的刺激性气体，对环境造成极大的影 响和危害。因此，必须充分重视对于每年产生的数量庞大的污泥进行安全性和可 持续性的减量化处理。 浙江大学硕士学位论文绪论 1 2 常用的污泥处置技术 由于在污泥处理的问题上面临着日益严峻的形势，各个国家开始研究污泥处 理处置技术。近年来污泥处理处置的理论在发生变化，从原来的单纯处置逐渐向 污泥有效利用发展。减量化、无害化、稳定化、资源化成为污泥处理处置中的指 导思想。 常见的污泥处置方法有以下几种： l 填埋 填埋的处置方法是污泥处置较早期就开始使用的方法，始于5 0 年代末到6 0 年代初这种处置方法较为简单和经济。污泥可以单独填埋，也可以与垃圾等其 他固体废弃物一起填埋。始于6 0 年代的污泥卫生填埋，是以保护环境为出发点 的，并需要在传统填埋的基础上经过科学选址和必要的场地防护处理，是一种具 有严格管理制度的科学的工程操作方法。 但是填埋处理仍然存在着问题【2 1 ：( 1 ) 由于污泥本身的性质而带来的稳定性问 题。污泥需要在填埋之前进行稳定性处理和脱水，以避免填埋中产生臭气、甲烷 等可燃气体和渗透水。这必然导致前期处理费用和场地建设费用的增加( 2 ) 可 供填埋的场地越来越少。在一些发达国家，这种方法所占比例逐年减少，正是由 于这一原因 2 土地利用 污泥中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，能够在堆肥化处理后提供给植物 生长所需。并可以用来调理土壤，减少化学肥料的使用。污泥还可以用于受破坏 的土地( 各种采矿后残留的矿场、建筑取土、排放废物用的深坑、森林采伐场、 垃圾填埋场、地表严重破坏区等) 的修复【3 1 污泥中含有较多重金属、病菌、有机污染物等成分，若不经过处理直接施用 会对人体和环境造成危害，因此许多国家都颁布了农用污泥的标准，从重金属浓 度等各方面进行要求。也提高了直接进行土地利用的门槛。 3 材料利用 污泥可用于制砖、生产水泥以及做混凝土的填料等污泥制砖可以用干燥的 污泥直接制砖，也可以用污泥灰渣制砖。p a v e ls t a s t a 等人研究在水泥窑中混烧污 泥制建筑材料【4 1 ，研究表明，污染物中的s ，c 1 等主要成分都和重金属烧结在一 2 浙江大学硕十学位论文绪论 起，固定在灰渣中。特定来源的污泥还可以制成特定的材料。朱建新等人【5 】利用 石粉污泥生产彩色路面砖，产品已经投产并已带来效益。徐建中等【6 】研究将粉煤 灰和制革污水污泥制备地聚合物材料，经检验具有一定的抗压强度，对于重金属 固化也有很好的效果。刘庆梅等【7 1 研究利用铝厂污泥和闽侯粘土合成莫来石刚玉 复相材料，经过检验，能够改善制品的宏观性能。 4 焚烧。 焚烧是污泥处置过程中最大化减量的手段。焚烧后的体积仅为机械脱水后污 泥体积的1 0 。且一般污泥干基热值接近于褐煤的热值，因此可以保证燃烧的进 行，且焚烧过程中能够进行能量的有效回收。焚烧的处理速度也很快，避免了在 长期储运过程中造成的污染和费用的支出。在燃烧过程中，污泥中的有机物被全 部氧化破坏，病原体被杀死，重金属也截留在灰渣中。随着焚烧技术的日趋成熟， 一系列的焚烧设备也被开发出来，主要有多段炉、多室焚烧炉、回转窑焚烧炉以 及流化床焚烧炉其中流化床结构简单，没有机械传动部件，故障少，空气过剩 系数较少，燃料适应性广、燃烧效率高。在安全性和普遍适用性上，具有很强的 优点。西班牙采用污泥掺混橄榄油焚烧的方法，处理橄榄油生产中污水处理生成 的污泥，焚烧发电提供生产使用的电量和热量。根据a rc e l m a l 8 1 等人的介绍， 1 2 万吨剩余污泥焚烧产生5 6 1 m w 的电量。 焚烧也存在着一些问题。焚烧过程中排放的烟气易含有二恶英和呋喃等剧毒 物质，对环境和人体可能造成危害。飞灰、炉渣和烟气中重金属聚集，也容易对 环境造成影响。污泥焚烧中的重金属和气体排放问题，仍然是大家积极展开研究 的课题。 图1 1 所示为欧洲国家污泥处理处置情况【9 1 大部分国家仍然以污泥农用为 主，但污泥热处理中减量化、稳定化的优点得到了欧洲国家越来越多的关注。我 国的污泥处理处置和资源化利用技术起步较晚，并在很长一段时间内由于资金、 人员及技术等多方面原因而未得到重视。除极个别城市对少量的污泥采取了卫生 填埋、堆肥或者干燥处理之外，多数城市污泥还是以堆放为主，对环境造成了不 好的影响。但近几年，污泥处理处置问题也开始得到关注，各地纷纷上马污泥处 理项目。其中最典型的为江苏常州。江苏苏常州2 0 0 5 年1 0 月起，市区所属5 座 城市污水处理厂产生的脱水污泥，通过常州广源热电有限公司循环流化床锅炉进 * i 学忾论空昆 行全量焚烧。焚烧排敲的s - 嗯英，氯氧化物、硫化物及铅、镐、汞等指标，均优 干生活垃圾焚烧污染控制标准限值，灰渣则制砖利用，所含重金属基盘固化，消 除7 二次污染。2 0 0 7 年5 月，江苏省南通市首个污泥焚烧工程调试成功，三台 锅炉日处理能力约2 0 0 吨，待热电厂二期工程投产后，日处理能力增加到4 0 0 吨 左右，是南通市现有污泥量的25 倍。 v a a es i 叫口ed h p 口“ 帅t 8 0 一 q ， 一 匿i l 欧洲国家污挹处置晴况 1 3 污泥干燥的研究和发展 坚污水厂机械脱水后的污泥含水率仍然达8 0 左右，如此高的水分不利于污 泥后续的资源化利用，因此必须对污泥进行干燥。污泥进行干燥处理具有以下优 点 1 ：污泥显著减客、体积可减少至原来的1 4 1 1 5 ；形成颗粒或粉状稳定产 品，污泥性状大大改善：产品无臭且无病原体，减轻了污泥有关的负面敛应，使处 理后的污泥更易被接受； 产品具有多种用途，如作肥料、土壤改良剂、替代能 源等。因此污泥干燥是污泥进行后续处理的重要的第一步。 将热干燥技术最早应用干污泥处理的是英国的b r a d f o r d 公司。该公司干 1 9 1 0 年首次开发了应用于污泥干燥实践的转窑式污泥干燥机，1 9 1 5 年， b u d d e r s f i e l d 采用了这套技术进行污泥干燥【i “。美国和英国也随后开发出了多种 污泥干燥设备，到了六七十年代，污泥干燥技术开始逐渐成熟起来。按照热介质 浙江大学硕士学位论文 绪论 是否与污泥接触，污泥干燥技术可以分为直接干燥技术、间接干燥技术和直接 间接联合干燥技术【1 3 】。直接热干燥是通过热空气从污泥表面去除水份，热介质与 污泥直接接触，传输及蒸发效率较高，但热介质将受到污染。闪蒸式干燥器、转 筒式干燥器、带式干燥器、喷淋式干燥器、螺环式干燥器和多效蒸发器都属于这 一类型。间接热干燥是通过热交换器将热传递给湿污泥，介质可用空气、热油、 水蒸气等，其热传输效率和蒸发效率都比直接热干燥技术低，但省却了后续的热 介质与干污泥分离的过程。这种技术的操作设备有薄膜热干燥器和圆盘式热干燥 器。直接间接式热干燥技术是对流一传导技术的整合，结合了两种干燥技术的优 点。 图1 2 中为维奥技术瓦巴格德国有限公司开发的流化床污泥干燥系统【】。流 化床干燥技术属于直接干燥技术。脱水污泥送至污泥计量储存仓，用污泥泵将污 泥送至流化床污泥干燥机中的进料口对污泥进行分配。流化床污泥干燥机从底部 到顶部基本由三部分组成。干燥机的最下面是风箱，用于将循环气体分送到流化 床装置的不同区域，底部还装有一块特殊的气体分部板，用于分送惰性流化气体 在中间段，用于蒸发水的热量将通过加热热油送入流化床内最上部为抽吸罩， 用来使流化的干颗粒脱离循环气体，循环气体带着污泥细颗粒和蒸发水分离开干 燥机。在干燥机内产生的污泥颗粒被循环气体流化并产生激烈的混合污泥颗粒 经过旋转气锁送至冷却器，冷凝到低于4 0 ，通过输送机送至产品料仓。被带 出的细颗粒在旋风分离器中分离，并在螺旋混合器中与脱水污泥混合后再送入干 燥机。 。 一一孵目匡亍 税水 飞茎鬯， 亏泥 墒譬 盯p 瞳、飞l 图1 2 流化床污泥干燥系统示意图 浙江大学硕十学位论文绪论 德国k a 公司【1 5 1 将污泥消化中产生的甲烷用于发电，消化后污泥被送至流化 床干燥后至垃圾焚烧厂焚烧。流化床干燥器中冷却介质为压力为1 0 1k p a 的空气， 流量为9 0 0m 3 h ，污泥处理能力为2 5 0 0k g h ，含湿量为2 5 。经过流化床干燥 处理，保证了焚烧时的热值。 间接干燥技术的代表之一就是桨叶式干燥机干燥。p a r l a b o s s e 等人研究了 污泥在桨叶式干燥机中的干燥【1 6 】。他将污泥在桨叶式干燥机中的干燥过程分为匀 速干燥的浆液区和线性降速干燥颗粒区两个区段，并根据两个分区各自的特点确 立了数学模型，用于模拟污泥在桨叶式干燥机中的干燥过程，以进一步改造桨叶 式干燥机的工艺。 马侠等在桨叶式干燥机中进行了污泥干燥的实验研究【”】，分析得出桨叶式干 燥机具有设备结构紧凑，装置占地面积小，热量利用率高，有自净能力的特点， 适宜进行污泥热干燥处理并针对实验情况提出了对桨叶式干燥机采取改善死 角、物料返混、尾气处理等机械改造措施。 徐小宁等研究了桨叶式干燥机转速和油温对干燥终污泥含水率的影响1 8 】。认 为热轴转速越高，污泥出1 ：2 含水率越高，导热油温的升高也会使污泥沿机身的含 水率明显降低。且污泥干燥速率沿机身的变化趋势是先变大后变小，和单颗粒污 泥在热重仪内的干燥速率存在一定的相似性 s e g h e r s 公司开发了以珍珠工艺为代表的湿料返混干燥技术【1 9 】。这一干燥技 术将干燥后的干污泥颗粒与输入的脱水污泥混合，在干颗粒核的外层涂上一层湿 污泥后形成颗粒。用这种方法使污泥直接越过“胶粘相”使含水率降至5 0 左右， 减轻了污泥在干燥器内的粘结，从而提高热传输效率和蒸发效率【2 0 1 。这一干燥过 程和造粒过程中氧气浓度 1 2 1 + 0 3 9 = 1 6 0 。说明桨叶式干燥机 太阳能辅助干燥对于提高物料的干燥效果是有一定成效的，且其干燥效果并不简 单是桨叶式干燥机干燥和太阳能辐射干燥的加成。 桨叶式干燥机的太阳能辐射干燥能够提高物料的干燥效果，据分析有以下两 点原因： 1 ) 与仅利用太阳能辐射的太阳能温室干燥相比较。 桨叶式干燥机和太阳能辐射干燥相结合的干燥方法，比仅利用太阳能辐 射干燥增加了受热面。干燥机内部夹套和楔形叶片都能够提供干燥热量并 且干燥机内两个热轴上的桨叶保持反方向旋转，分别在两轴桨叶片斜面相距 最近和相距最远的时候，交替地分段压缩和膨胀斜面上的物料，使传热面附 近的污泥被激烈搅动，从而提高了干燥机的传热效果【7 0 1 两热轴上的桨叶片 不断翻动污泥，也使得污泥干燥蒸发的水汽能够很好地析出，有利于污泥干 燥的进行 2 ) 与无太阳能辅助的桨叶式干燥机干燥相比较 桨叶式干燥机和太阳能辐射干燥相结合的干燥方法，比仅利用桨叶式干 燥机干燥增加了受热面。在桨叶式干燥机中，热传导主要是通过壁面夹套和 楔形叶片进行，将顶盖改成可透光有机玻璃后后，从上部又增加了太阳能辐 射热传导，相当于为桨叶式干燥机又增加了热传导面。从上部射入的太阳能 辐射使干燥机干燥腔体内的空气温度升高，有利于水分的析出。 因此，桨叶式干燥机和太阳能辐射相结合的干燥方式具备桨叶式干燥机干燥 的优点，又通过增加太阳能辐射的辅助手段为干燥增加了受热面，使干燥腔内温 度升高。因此，桨叶式干燥机太阳能辐射辅助干燥有利于干燥效率的提高。 3 6 折江大学硕学位皓文 太口能辅助辈叶式f 嫩机的试验分析 442 桨叶式干燥机内温度 图4 6 是在6 个小时的干燥过程中，桨叶式干燥机内空气温度的变化曲线。 由图可以看出，在加入太阳能辐射辅助干燥的工况下，干燥机内温度要明显高干 无辅助加热时的温度。随着抽气速度的增加，因为太阳能辐射而积聚在干燥机内 的热量随之带出，因此干燥机内平均温度水平有降低。西此也可看出，太阳能辅 助干燥能够使干燥机内空气温度升高，使得污泥表面温度增加，从而促进干燥的 进行。 7 。 6 0 5 0 i4 0 善。o 2 0 l 。 。的”o“。2 0 。2 加 3 0 譬度，害鲫 田46 不同工况下干燥机内温度随干燥时问的变化 在马侠的浙江大学硕士学位论文污泥干燥焚烧工艺的试验室研究中 v i i 研究了桨叶式干燥机及其改进，其中指出在桨叶式干燥机的干燥过程中会田为蒸 汽在上盖凝结成水而重新进入简体返湿的情况。在本试验中发现，利用太阳能辐 射辅助干燥可以使这一情况得到缓解。由于太阳能从有机玻璃上盖中射入，加热 了上部空气和上盖，能够避免蒸汽在上盖凝结成水的这一隋况。 因此，桨叶式干燥机加入太阳能辐射辅助干燥后，既可以提高干燥腔内空 气温度，又可以加热上盖避免返湿，对提高污泥的干燥效率是有利的。 4 43 抽气速率对干燥效果的影响 干燥系统尾部设风机抽气，帮助干燥过程中水蒸气排出。试验采用了o6 m 3 1 1 ，12m 3 h ，z 2m 3 h 三种风机抽气速率。三种抽气速率对干燥效果的影响如 浙江大学硕士学位论文太| 5 几能辅助桨叶式十燥机的试验及分析 图4 7 所示。 由图4 7 可以看出，抽气速率为1 2m 3 h 和2 2m 3 h 时，单位干基所蒸发水 量均大于抽气速率为0 6m 3 h 的工况。但抽气速率由1 2m 3 h 转变为2 2m 3 h 时， 单位干基蒸发水分量有略微减小，基本保持相同。即在抽气速率较低范围内提高 抽气速率对干燥效果有影响，但当抽气速率较高时，影响不明显。 9 0 0 0 8 0 0 0 。i _ - - 7 0 0 0 o6 0 0 0 毛5 0 0 0 苌4 0 0 0 苌3 0 0 0 粼2 0 0 0 1 0 0 0 0 61 22 2 抽气速率m 3 h 。1 图4 7 不同抽气速率下的干燥效果 增加抽气速率能够提高污泥的干燥效果，但二者并不是呈简单的线性关系。 增加抽气速率能够使污泥表层的饱和水蒸气更快散去，从而增加污泥表层传热、 传质的推动力。但在污泥湿度小的时候，过快的抽气速率容易将较干燥污泥携带 出，造成干燥机中粉尘扬析。据参考资料【7 2 1 ，当粉尘浓度高于6 0 咖3 时，可能 引起爆炸。因此，过高的抽气速率使干燥系统具有安全隐患，引起爆炸。必须将 抽气速率控制在适当的范围内。 4 4 4 干燥过程中能耗 桨叶式干燥机结合太阳能辅助干燥后，干燥机中导热油升温所需热量在太阳 能加热导热油循环油路中由太阳能辐射提供。整个干燥过程中的能耗就是驱动桨 叶式干燥机热轴转动的电动机的功耗。 几种工况下蒸发单位质量水分所消耗电能经计算如表4 3 所示。 浙江大学硕士学位论文太阳能辅助桨叶式干燥机的试验及分析 表4 3 蒸发单位质量水分消耗电能 工况 蒸发单位水份耗能( 1 c j g ) 桨叶式干燥机+ 太阳能( 抽气速率：0 6m 3 h ) 桨叶式干燥机+ 太阳能( 抽气速率：1 2m 3 彻 桨叶式干燥机+ 太阳能( 抽气速率：2 2i n 3 哟 桨叶式干燥机 1 6 1 1 1 3 1 3 3 2 8 4 桨叶式干燥机结合太阳能辐射辅助干燥的工况中，蒸发单位质量水分平均耗 能为1 3 6 1 ( j 。 没有太阳能辅助的工况下，蒸发单位质量水分平均耗能为2 8 4l ( j 太阳能温室干燥污泥的工况下，蒸发单位质量水消耗太阳能为3 9 8 k j 。 由上面的数据可以看出，桨叶式干燥机进行太阳能改造后，太阳能辐射不仅 提供了加热导热油的热量，同时也从干燥机透明顶盖直接辐射加热机内污泥。干 燥过程中的耗电量减少到改造前的一半。在a s r e e k u m a r 改造的间接太阳能干燥 箱的研究中【7 3 1 ，他也发现经过太阳能改造后的干燥装置运行费用能够比用电进行 干燥的装置节省约4 2 。桨叶式干燥机的太阳能辅助干燥装置能够有效降低干燥 过程中的耗电量，从而减少运行费用。 4 4 5 干燥过程能量利用效率计算 干燥效率是评价干燥器装置性能的一项重要指标，用于衡量输入干燥系统的 能量中被利用和被损失的部分。其定义是： 刁= 挚o o ( 2 ) 其中q l 是指单位时间物料水分蒸发所需要热量，q o 是单位时f q 投入干燥器 的能量。 q l = , d m y ( 3 ) 其中，么m 是指单位干基在单位时间内所蒸发出的水蒸气量，y 是指水蒸气 的潜热，为2 2 5 7 2k j k g 。 浙江大学硕上学位论文 太阳能辅助桨叶式干燥机的试验及分析 单位时间投入干燥器的能量q o 分为三部分：通过有机玻璃顶盖输入的太阳 辐射能鳊d ，加热导热油的能耗q h t i 。g ，轴功能耗q a x i 。 队q + q h e a t i 。g + q a x i 。 ( 4 ) 其中，是投射在单位面积上的辐射能量，其计算方法为： q r a d = h r h s xt ( 5 ) 式中，h r h 为平均辐射强度；s 为干燥机顶盖投射面积，a b = 0 1 0 0 1 6 = 0 0 1 6 m 2 ；t 为玻璃盖板投射率，为9 2 q h 。t i n g 为导热油带入热量； 幺，i 。为电动机带动热轴所耗功。 经过计算，桨叶式干燥机太阳能辅助干燥和无辅助干燥的几种工况下干燥效 率如表4 4 所示。 太阳能温室干燥时，干燥效率的计算如下： ，7 = q q l x l o o ( 6 ) 其中q l 是指单位时间物料水分蒸发所需要热量，计算方法和上面相同，即： q l = a m xy ( 7 ) q o 是单位时间投入干燥器的能量。在仅使用太阳能辐射干燥的情况下，o o 为投射入干燥机的太阳辐射能量： q o = h r h xs t ( 8 ) 太阳能温室干燥效率计算如表4 5 所示。 表4 4 干燥过程能量利用效率计算( 1 ) l k z m # 目# ，十* s i d h 析 由上表的计算结果可知，太阳能温室干燥能量利用效率为6 0 左右，采用 太阳能辅助桨叶式干燥机进行干燥，在适当的抽气速率等条件下，干燥过程的能 量利用效率甚至能达到8 0 以上。 能量利用效率的提高主要是由桨叶式干燥机的设备特点所决定的。桨叶式干 燥机结构紧凑，单位体积内具有较大的换热面积，随热轴转动的楔形叶片在干燥 过程中对物料产生强烈搅动而强化换热”i 。据文献资料记载【”i ，桨叶k - f - 燥机 的传热效率是普通干燥设备的2 倍以上，可以达到8 0 一9 0 。 4 46 干燥冷凝液水质分析 在几种干燥工况中，所排出尾气在干燥机后经过了冷凝处理，冷凝后的冷凝 液被收集起来，井检剥其水质状况。不同工况下干燥污混冷凝液的p h 值和c o d 值见图48 和图4 9 。 图4 8 玲凝最c o d 值 o 图49 玲龃疽p h 值 o l 缸 上面两幅图反映了污坭干燥过程中不同工况下垮凝渣的c o d 值和p h 值。 几种工况下垮凝漓的c o d 值均远低于排鼓标准，直接排放能够_ 达到排破要 求。这王要是九阳能干燥的特点所决定的。太阳能应用中能流密度低，因此，太 阳能干燥只能集中于中低温干燥的区段。南前面的分析百i 以知道，在桨叶式干燥 机太阳能辅助干燥的几种工况中，干燥机内温度均维持在4 0 6 0 之间，这 样的温度范固不能够充分提供污泥中有机物分解反应的能量，因此低温干燥抑 制7 干燥污泥中有机份的析出。从而使得玲凝液中化学需氧量的值偏低，能够满 足国家规定的排放标准。 桨叶式干燥机太阳能辅助干燥下的三个工况和无太e 能辅助干燥的工况干 燥后所得的垮凝液p h 值显碱性，在9 1 0 之问。太阳能温室干燥的工况中冷凝破 p h 值为72 8 ，中性略偏碱性。p h 值显碱性的原因是溶解7 排放气体中的氧气。 由亍干燥温度较低，因此排放气体中的氨气可能王要来源于在低温下易分解的碳 酸氢氪盐和有机铵盐，也有可能是污泥中的氨墓酸部分水解生成。除仅使用太阳 能连行干燥的工况外，冷凝液的p h 值均高于排放标准，因此冷凝液在排放之前 需要经过进一步的处理。 通过对岭凝水质的分析，可以看到，太阳能干燥的特点为低温干燥，低温干 燥下污混中的有机质很难进行分解，因此冷凝液中的c o d 值能够控制在国家规 定的排放标准之内。所以太阳能辅助干燥有利于控制排放过程中冷凝液的二次污 絷。 浙江大学硕士学位论文太阳能辅助桨叶式干燥机的试验及分析 4 5 本章小结 本章利用上一章中所得的太阳能加热导热油的温度数据，对桨叶式干燥机进 行了太阳能辅助干燥的试验研究。试验比较了带有太阳能辅助干燥的桨叶式干燥 机，无辅助干燥的桨叶式干燥机和太阳能温室干燥下的干燥试验结果。得到以下 结论： 1 、桨叶式干燥机采用太阳能辅助干燥能够提高污泥干燥效果。试验和 无太阳能辅助的桨叶式干燥机以及仅利用太阳能的温室型干燥工况相比较， 发现采用太阳能辅助干燥后，干燥装置既具有桨叶式干燥机干燥效率高的特 点，又因为添加了太阳能辐射辅助干燥而增加了干燥传热面，使得其单位干 基蒸发水量明显高于后两者。 2 、测量了干燥腔内的空气温度，发现有太阳能辅助时干燥机腔内温度 高于无太阳能辅助的工况。太阳能辅助干燥使得腔内温度升高，能够促进热 质传递的进行，还可以避免干燥过程中因排放气体冷凝于上盖而造成的返 湿。 3 、较高的抽气速率有利于干燥腔内湿饱和气体的排出，从而有利于干 燥效果。但较高的抽气速率会在污泥含水率低时造成粉尘的扬析，带来安全 隐患。 4 、桨叶式干燥机结合太阳能辅助干燥后，导热油升温所吸收热量由太 阳能集热器模块提供，龟能的消耗主要是驱动热轴转动的发动机耗能。有太 阳能辅助的干燥机蒸发单位水分消耗电能是无辅助的干燥机消耗电能的 1 2 。桨叶式干燥机的太阳能辅助干燥提供了节约能量的一个途径。 5 、由于桨叶式干燥机本身的设备结构特性，能量利用率较高，太阳能 辅助桨叶式干燥机干燥的能量利用效率能够达到7 0 8 0 ，高于普通太阳能 干燥的能量利用效率。 6 、桨叶式干燥机结合太阳能辅助干燥时，由于太阳能利用特性，干燥 温度范围属于中温范围，污泥内的有机物在干燥过程中难以在这样的温度范 围内反应。因此其c o d 值低于国家规定标准。所以，桨叶式干燥机的太阳 能辅助干燥有利于控制干燥过程中的二次污染物排放。 4 3 浙江大学硕士学位论文太阳能辅助桨叶式干燥排放研究 5 太阳能辅助桨叶式干燥排放研究 5 1 引言 在已经进行的污泥干燥研究中，研究多集中于污泥中水分的存在形式，污泥 颗粒在干燥过程中的形态变化，以及污泥干燥过程的方程描述等方面，对于污泥 中有机物的存在形式，污泥干燥过程中有机物的反应情况，以及污泥干燥中产生 的二次污染等研究较少。 前一章讨论了桨叶式干燥机太阳能辅助干燥下污泥的干燥情况。在这一章 中，将研究太阳能辅助桨叶式干燥机在污泥干燥过程中的气体排放和冷凝液的水 质状况。 污泥中含有大量的有机物，其组成见表5 1 【7 6 1 。 表5 1 污泥中的有机物组成及其碳氢比 名称初沉污泥掣竺要苎雪拳厌氧消化污泥 ( 二次污泥) 。 有机物含量 纤维素含量 ( 占干重) 半纤维素含量 ( 占干重) 木质素含量 ( 占干重) 慌 油脂和脂肪含量 ( 占干重) 蛋白质含量 ( 占干重) 碳氢比( 9 4 1 0 ) ：1 6 0 8 0 5 一l o 3 6 0 8 1 5 5 1 2 5 2 0 1 5 2 0 污泥通过桨叶式干燥机进行干燥，干燥器的操作温度低，因此不会产生s o x ， 一 娜 ! 莹 浙江大学硕上学位论文太阳能辅助桨叶式干燥排放研究 n o x ，以及h c l 。污泥中含有大量的有机物，其组成见表5 1 。干燥过程中主要 是污泥内有机物的分解反应，产生部分臭气物质【7 7 1 。因此，污泥干燥排放的主要 成份是有机气体。 本章将着重于研究太阳能辅助桨叶式干燥机在污泥干燥过程中有机物的排 放情况，干燥速率，以及温度、冷凝操作等对污泥尾气中有机物排放的具体影响， 并检测了污泥干燥尾气冷凝液的p h 值，c o d 值，以了解污泥干燥冷凝水的水质 状况，防止在干燥过程中可能出现的二次污染。 5 2 试验方法 5 2 1 试验样品 试验所采用的污泥样品为浙江某造纸厂造纸污水处理后所得的造纸污泥。污 泥初始含水率为8 2 9 0 ，p h 值为7 1 。污泥样的元素分析结果如表5 2 所示。 表5 2 造纸污泥工业元素分析 5 2 2 试验装置 试验采用了经改造后的自制小型桨叶式干燥机，干燥机尾部架设了水冷式冷 凝装置，并收集干燥气体冷凝液。装置示意图如图5 1 。 4 5 浙江大学硕上学位论文太阳能辅助桨叶式干燥排放研究 图5 1 试验装置图 厂r 飞竺兰璃上盖 图5 2 桨叶式干燥机剖面图 温控柜 桨叶式干燥机为w 型，剖面图如图5 2 所示。其外形尺寸为1 0 0l i l r n 1 6 0r n n l ， 通过电动机带动一对空心轴搅拌污泥。为了防止搅拌时有死区，内壁底部由两个 圆弧组成，呈w 形。两根热轴搅拌方向相反，均从上部向设备中心线方向旋转。 借助于桨叶上的楔形桨叶，污泥从中心被推向壁面，又从壁面上升，越过中心轴， 被挤压到干燥机中间。外侧夹套中通导热油作为干燥介质，热轴中由电加热棒加 热空气，并通过温控仪实现油温调节。桨叶式干燥机干燥空气出口和冷凝水箱连 接，其下部设冷凝液收集装置。通过记录电子天枰上冷凝液质量的读数，了解造 纸污泥的干燥速率等情况。 浙江大学硕士学位论文 太阳能辅助桨叶式干燥排放研究 5 2 3 试验工况 根据清华大学王兴润等人的研究，污泥间壁干燥温度在小于1 5 0 时，无 气体二次污染产生【7 引。因此试验选用了1 4 0 ，1 6 0 和1 8 0 三个导热油温 度进行干燥。通过记录电子秤所显示的冷凝液质量来测量污泥的干燥速率，在冷 凝装置的前后各设置一个气体采样点，以检测冷凝前后排放气体成分。设功率表 记录干燥机加热的功率消耗。试验工况见表5 3 。 表5 3 试验工况 5 2 4 检测方法 采用g a s m e t 气体成分测量仪实现气体成分的在线测量；c o d 值测定采用 5 b 一3 快速c o d 测量仪；p h 值测定采用l p l l 5 f k p h 测量仪 5 3 试验结果及讨论 5 3 1 不同导热油温度下污泥干燥速率的变化 桨叶式干燥机尾部设有冷凝装置，冷凝装置下部有冷凝液的收集容器。通过 连续记录容器下方电子天枰的读数，记录冷凝液在干燥过程中的产生情况，从而 反映干燥过程中污泥干燥速率的变化1 7 9 1 。 三个工况下，污泥干燥速率随含水率和干燥时间的变化分别如图5 3 和5 4 所示。 4 7 新f l 大学硕【：学位论文 w 能辅m 桨h 式f 燥排放研究 m * ， i x o123 dg 十# 。 图53 干燥速率和污泥含水率关系 磐毒 a 5 01 0 01 5 02 0 0 2 5 0 b q m n 图54 干燥速虫和干燥时间关系 普通的闻壁武干燥过程中，污泥干燥速率随着时间的增加，先是上升，当迭 到峰值后，再非句速下降，下阵过程的曲线具体形状和物料本身的结构性质有关 i 圳。但从上圉可以看出，宴验中的桨叶式干燥机太阳能辅助干燥装置的干燥速率 曲线区别于普通干燥的速率曲线，在整个干燥过程中共有两个峰值。 干燥速率随着时阿的增加，开始逐渐升高，当表面吸附水蒸发毗后，随着液 面的逐渐内穆，蒸发越来越困难，蒸发速率开始降低。三种干燥温度下，第1 个 一， 8 6 4 2 o b_。w 浙江大学硕+ 学位论文太阳能辅助桨叶式干燥排放研究 小高峰所对应的速率比较一致，均发生在污泥含水率1g 水g 干基左右。从图中 速率曲线可以看到，当蒸发速率降低一段时间以后，速率又