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硕士论文 生物固体干燥特性实验研究 摘要 近几年来，国际上将城市污水处理厂的污水污泥、庭园废弃物、畜禽粪便、市政垃 圾、某些工业副产品( 如锯末甘蔗渣、酒渣等) 等一些有机固体废物统称为生物固体， 其中较大量的是市政污泥和工业污泥。 堆肥、土地填埋、焚烧是处理生物固体常用的三种方法，在这三种方法中干燥是必 不可少的步骤。本文分别针对生物固体中的两个典型代表：市政污泥和糖厂滤泥展开干 燥特性实验研究，探索热干化的最佳工艺条件。 为了研究不同热风温度对生物固体的干燥速率和最终干燥效果的影响，设计和搭建 了热风流量和温度可调的开式热风干燥实验台，通过在线称重的方法研究生物固体的热 风干燥特性。 首先，将生物固体制成形状相同的细长圆柱试样，研究了大空间情况下不同热风温 度( 1 2 0 。c ，1 4 0 和1 6 0 ) 对生物固体干燥特性的影响，实验结果表明随着热风温度 的升高，干燥速率与干燥效果有所提升，但1 6 0 。c 与1 4 0 相比干燥指标无显著提升。 其次，研究了不同添加剂( 稻壳、稻壳粉和甘蔗渣) 以及添加剂量对试样成型和干 燥效果的影响。实验结果表明：添加剂的添加量对试样的成型有很大的影响，添加剂的 质量比较低时，试样在不施加外力的作用下仍能成型，当随着添加剂的增加，试样越来 越松散，最终试样无法成型，生物固体附着在添加剂表面成为散料。在保证物料成型的 和相同热风温度下，随着添加剂添加量的增加，干燥时间逐渐减少，干燥速率与干燥效 果比没有添加剂时有提升。试样不能成型时，相同热风温度下干燥速率与干燥效果比没 有添加剂时有显著的提升。 最后，为了提高干燥时的能源利用效率，本文对开式热风干燥实验台进行了改进， 设计搭建了闭式循环干燥系统，变单纯的热风干燥为先期热风后期过热蒸汽干燥，并进 行了简单的实验验证。 关键词：生物固体，干燥特性，添加剂，温升速率，干燥速率 生物固体干燥特性实验研究 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s e w a g es l u d g eo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ，s a l v a g eo fc a r t i l a g e ，d e j e c t a o fd o m e s t i ca n i m a l sa n dp o u l t r y , m u n i c i p a li n c i n e r a t o r , b y - p r o d u c to fi n d u s t r y ，( s u c h 勰 s a w d u s t ，b a g a s s e ，r o s a c c e a ) a r ec o l l e c t i v e l yr e f e r r e dt oa sb i o s o l i d ，l a r g ea m o u n to fw h i c h a r em u n i c i p a ls l u d g ea n di n d u s t r i a ls l u d g e c o m p o s t ，l a n d f i l l ，i n c i n e r a t i o na r eg e n e r a ls e w a g es l u d g ed i s p o s a lm e t h o d s ，a n dd r y i n gi s o n ei n d i s p e n s a b l ei m p o r t a n ta p p r o a c ht od e a lw i t l lb i o s o l i d ( m u n i c i p a ls l u d g ea n di n d u s t r i a l s l u d g ea l lb e l o n gt ob i o s o l i d ) i nv i e wo fm u n i c i p a ls l u d g ea n ds u g a rm i l lw h i c ha r et y p i c a l r e p r e s e n t so f b i o s o l i d ，t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e sd r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s i no r d e rt or e s e a r c hi n f l u e n c eo fd i f f e r e n td r y i n gt e m p e r a t u r eo nd r y i n gr a t ea n de f f e c to f b i o s o l i d d e s i g na n dp u tu po p e nt y p eh o tb l a s td r y i n ge x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e so nw h i c hf l u x a n dt e m p e r a t u r eo fh o tb l a s tc a l lb er e g u l a t e d t h r o u g ho n - l i n ew e i g hw ei n v e s t i g a t ed r y i n g c h a r a c t e r i s t i c so fb i o s o l i di nh e a t e d a i rd r y i n g a tf i r s t ，b i o s o l i d sa r em a d ei n t oc y l i n d e rs a m p l e so fs i m i l a rs h a p e w er e s e a r c hi n f l u e n c e o f d i f f e r e n td r y i n gt e m p e r a t u r e ( 1 2 0 。c ，1 4 0 c ，1 6 0 。c ) o nd r y i n gc h a r a c t e r i s t i c si nl a r g es p a c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r eo fh o tb l a s ti sh i g h a n dt h er a t eo f t e m p e r a t u r ee l e v a t i o na n dr a t eo fd r y i n gi sj u s tf a s t e r r e s u l t sc o m p a r e d 丽t l l14 0 。c ，n o c h a n g e so fd r o u g h t i n d e xw e r ef o u n di n16 0 c 。 s e c o n d l y , w ei n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ta d d i t i v e s ( r i c e ，r i c eh u s kp o w d e r , s u g a rc a n e ) a n dm a s so fa d d i t i v eo nd r y i n ge f f e c ta n do ns h a p i n go fs a m p l e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a ta d d i t i v ea m o u n to f b i o m a s sh a sag r e a te f f e c to ns h a p i n go fs a m p l e w h e n t h em a s so fa d d i t i v ei sl o wa n dt h et e m p e r a t u r eo fh o tb l a s ti ss i m i l a r ，t h es a m p l ec a nt a k e s h a p e w h e nt h em a s so fa d d i t i v ei sh i g ht h es a m p l ec a n tt a k es h a p ea n db i o s o l i dg l u e st o t h es u r f a c eo fa d d i t i v e w h e nt h es a m p l ec a nt a k es h a p ea n dt h et e m p e r a t u r eo fh o tb l a s ti s s i m i l a r ，d r y i n gt i m eg r a d u a l l yd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fa d d i t i v e sw h e nt h et e m p e r a t u r e o fh o tb l a s ti ss i m i l a r w h e nt h es a m p l ec a n tt a k es h a p e , t h er a t ea n de f f e c to fd r y i n gg e t b e t t e rc o m p a r e dw i t hn oa d d i t i v e si nt h es a m et e m p e r a t u r eo f h o tb l a s t t h ec l o s e dh o t - a i rc i r c u l a t i n gd r y e ri su s e dt oh e i g h t e nd r y i n ge n e r g yu s i n ge f f i c i e n c y a n da v o i de x p l o s i o nr i s ko fb i o s o l i db e c a u s eo ft o oh i 【g ht e m p e r a t u r eo nab a s i so fo p e nt y p e h o tb l a s td r y i n ge x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e s i nt h i sc a s e ，t h ed r y i n gp r o c e s sc a nb ed i v i d e di n t o t w os t a g e s ： a i r - d r y i n g ，s u p e r h e a t e ds t e a md r y i n g k e yw o r d s ：b i o s o l i d ，d r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，a d d i t i v e ，r a t eo f t e m p e r a t u r ee l e v a t i o n ，r a t e o fd r y i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： 夕口年莎月1 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：三上性渐矿年 多月 吖日 硕士论文生物固体干燥特性实验研究 1 绪论 1 1 选题背景与意义 近几年来，国际上将城市污水处理厂的污水污泥、庭园废弃物、畜禽粪便、 市政垃圾、某些工业副产品( 如锯末甘蔗渣、酒渣等) 等一些有机固体废物统 称为生物固体( b i o s o l i d ) 【l 】，其中较大量的是市政污泥和工业污泥，一方面它们 是有用的生物资源，含有许多有机物及植物营养成分，因此可用作肥料或土壤改 良剂；但是另一方面同时其中也含有病源菌、寄生虫及重金属而对人体健康有害， 含有硝酸盐可能污染地下水，含有盐分可能使土壤含盐量增加【2 1 。 在城市污水和工业废水处理的过程中将产生很多漂浮物与沉淀物 3 卅。其中 的固态废弃物被称作污泥。污泥一般是由比较松散的小块物质组成，含水率较高， 一般可达6 0 9 8 ，污泥容积可达其所含固体容积的数十倍。污泥中含有大量有 机物和有害物，而且可能含有危险的病原微生物、寄生虫卵 3 5 卅，污泥的性质很 不稳定，极易腐化，造成污染。故需及时处理，使含有病原微生物、散发出恶臭 的腐化物质数量减少并使其分解。因此，污泥处理的主要目的是【3 7 8 】： ( 1 ) 减少污泥最终处置前的体积，以降低污泥处理及最终处置的费用； ( 2 ) 通过处理使污泥稳定化，最终处置后不再产生污泥的进一步降解，从 而避免产生二次污染问题： ( 3 ) 达到污泥的无害化与卫生化： ( 4 ) 在处理污泥的同时达到变害为利、综合利用、保护环境的目的，如产 生沼气，使其燃料化等【3 】。 污泥处理的目的是使污泥减量、稳定、无害化及综合利用。国内外污泥处理 的方法主要有填埋、堆肥、焚烧【3 】。三种主要方法要实现城市污泥的减量化，无 害化、资源化都需要进行干燥这一工艺环节，否则将达不到预期的效果或消耗大 量的能量。所以为了有效、经济、合理地进行城市污泥填埋、堆肥、焚烧等利用， 必须先进行干燥 9 - - 1 0 j 。 干燥工艺是整个污泥处理系统中最重要的手段之一，可减到原来体积的 1 1 0 - 1 5 ，未经干燥的城市污泥热值很低，含水率为8 0 时，热值仅为11 7 0 k j k g ， 而干燥后的城市污泥其热值可达到1 5 m j l ( d 1 1 】，相当于劣质煤的热值，在焚烧炉 运行过程中不需要辅助燃料可自行焚烧。虽然在干燥这一环节上消耗了能量，但 从整个工艺来说，却是一个节能的手段，因为没有经过干燥的污泥直接焚烧要消 耗大量的能源，如果将城市污泥含水率降至5 0 以下再焚烧，将使能源利用价值 大幅提高【l 。所以干燥工艺不仅降低城市污泥的水分而且干燥后产物的热值得 1 绪论生物固体干燥特性实验研究 到了提高，具有很大的发展和应用前景【1 2 q 4 】。 作为生物固体另一个主要来源的工业污泥，其成分随着行业的不同存在巨大 的差异，但对相同的行业，尤其是采取相同生产工艺的工厂，其工业污泥成分比 较固定，在无害化处理的同时存在资源化利用的可能，热干化在这个过程中同样 占据极为重要的地位【l 卯。下面以糖厂污泥为例进行说明。 国内生产白砂糖的甘蔗糖厂，需要对压榨后的甘蔗汁进行澄清，从而会产生 滤泥这种工业废弃物，所采用的澄清处理方法，基本可分为碳酸法和亚硫酸法两 大类。用石灰和二氧化碳作为澄清剂来澄清蔗汁的方法，叫做碳酸法；而用石灰 和二氧化硫作为澄清剂的蔗汁澄清方法，则叫做亚硫酸法【1 5 q 6 】。因碳酸法澄清 质量高于亚硫酸法，所以当前使用碳酸法澄清远远多于亚硫酸法。但是，碳酸法 也有着自身明显的缺点，如工艺流程比较复杂；需用机械设备比较多；还要耗用 大量的石灰和二氧化碳( 耗石灰石与蔬比接近甚至超过4 5 ) ，因而生产成本也 比亚硫酸法糖厂高而最关键的一点是：碳酸法滤泥难以实现再利用，容易对环 境造成严重的污染【1 5 1 6 1 。 碳酸法糖厂的滤泥由于具有数量大( 湿滤泥对蔗比约为9 ) 、干泥含碳酸 钙高达7 5 以上，有机物含量高( 1 2 1 7 ) ，带强碱性等特点。一直以来没能 得到较好的利用，有部分用作填土，但由于微生物的作用会产生一定的臭味，大 部分的地方不能使用。而如果直接排入江河，必然会导致水体的生物需氧量、悬 浮物量的负荷大幅度增加，污染水体，且引起河道淤塞。目前处理滤泥的方法主 要有：用作填土、用于改良土质、用于制作有机无机复合肥、用作湿法制水 泥的原料【l 6 】。因为糖厂滤泥干燥后具有一定的热值，可以用锅炉焚烧对滤泥 进行彻底的无害化、资源化利用，但焚烧的前提是先将滤泥进行干燥，因此干燥 是滤泥处理的重要步骤。 1 2 生物固体干化简介 城市污水处理厂每天都会产生大量污泥，传统污泥处理向海洋投放己被禁 止，填埋土地利用率低，且渗漏到地下会污染地下水源，传统的污泥处理步骤是： 浓缩一稳定化一脱水一干燥。浓缩和脱水只能将污泥含水率由9 9 降到8 0 左 右，而只有将污泥的含水率降到2 0 3 0 左右时，才可以避免微生物的作用而 发霉和发臭，使污泥处于稳定化的状态，因此为了最终解决污泥问题，必须通过 干化对污泥进行深度脱水。污泥干化是由能源提供的热量，传递至污泥中的水， 并使其汽化的过程，干化脱水的对象是污泥中的毛细水、吸附水、和颗粒内部的 结构水。【3 ，1 7 2 2 。 通过干化处理不仅在很大程度上降低了污泥的含水率，使污泥体积大大降 2 硕士论文生物固体干燥特性实验研究 低，达到了污泥的减量化，而且使污泥中污染物的危害性大大下降 2 2 1 ，如大肠 杆菌在污水处理厂初沉污泥中达到7 1 0 7 c f u i o g s s ( 悬浮固体) ，在剩余污泥 中为2 1 0 。7 c f u 1 0 9 s s ( 悬浮固体) ，将过8 0 。c 以上任意温度的干化处理后，污 泥中的大肠杆菌可以降至l j l 0 0 c f u 1 0 9 s s ( 悬浮固体) 以下。经过干化后污泥中 重金属c d 、c r 、p b 和z n 等的滤出被抑制，从而大大降低了污泥中污染物的释放 风险 捌。 污泥干化技术是污泥干化处理的重要手段，污泥低温干化技术使之利用热源 提供的低于绝干污泥燃点的热量，使污泥中的水分蒸发，达到减量效果的过程。 污泥干化需要热量，根据热量提供的来源不同，可以分为独立热源和烟气余热两 大类【2 2 ，2 3 】。 独立热源指在特别的焚烧设备中，通过能源燃烧专门为污泥干化提供的热 源。独立热源的能源可以来自燃煤、沼气、燃油、天然气等，产生热量的焚烧设 备可以根据所利用的不同能源的特点进行特别设计【2 2 】。 燃烧产生的热量存在于烟气中，利用这种热量来干化污泥有两种形式：直接 利用和间接利用。直接利用是将高温烟气引入特定的污泥干化成粒装置中，使热 烟气与污泥直接接触。间接利用是将高温烟气的热量通过热交换器，传给导热油、 蒸汽、空气等介质，这些被加热的介质在一个封闭的回路中循环，加热金属或工 艺气体，由金属热表面或工艺气体与污泥接触来达到干化污泥的目的【2 2 1 。 根据提供污泥干化的热源条件，有四种污泥干化的干化工艺可供选择：独立 热源污泥干燥工艺、利用烟气余热污泥干化工艺、复合热源污泥干化工艺和垃圾 焚烧排放烟气污泥干化工艺【2 2 】。 1 3 生物固体干燥技术研究 目前，许多国家已在污泥处理中采用热干燥技术。按照热介质是否与污泥相 接触，现行的污泥热干燥技术可以分为三类：直接热干燥技术、间接热干燥技术 和直接一间接联合式干燥技术1 2 3 】。 直接热干燥技术又称对流热干燥技术【2 3 刀】。对流热干燥是通过热空气从污泥 表面去除水分。干燥的效率取决于如下两个因素：空气运行条件( 稳点、相对湿 度、速度) 和污泥的自身结构及特征。在操作过程中，热介质( 热空气、燃气或 蒸汽等) 与污泥直接接触，热介质低速流过污泥层，在此过程中吸收污泥中的水 分，处理后的干污泥需与热介质进行分离。排出的废气一部分通过热量回收系统 回到原系统中再用，剩余的部分经无害化后排放。此技术热传输效率及蒸发速率 较高，可使污泥的含固率从2 5 提高至8 5 , - , 9 5 。但由于与污泥直接接触，热介 质将受到污染，排出的废水和水蒸气须经过无害化处理后才能排放；同时，热介 3 1 绪论生物固体干燥特性实验研究 质与干污泥需加以分离，给操作和管理带来一定的麻烦。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等都属直接热 干燥装置类型【2 3 乃】。 在间接热干燥技术中，热介质并不直接与污泥相触，而是通过热交换器将热 传递给湿污泥，使污泥中的水分得以蒸发，因而热介质不仅仅限于气体，也可用 热油等液体，同时热介质也不会受到污泥的污染，省却了后续的热介质与干污泥 分离的过程。过程中蒸发的水分到冷凝器中加以冷凝。热介质的一部分回到原系 统中再用，以节约能源。由于间接传热，该技术的热传输效率及蒸发速率均不如 直接热干燥技术，这种技术的操作设备有薄膜热干燥器，圆盘式热干燥器等瞄】。 直接一间接联合式干燥系统则是对流一传导技术的整合，如v o m m 设计的高 速薄膜干燥器 2 6 1 ，s u l z e r t 2 7 1 开发的新型流化床干燥器以及e n v i i e x 2 列推出的带式干 燥器就属于这种类型。在所有提及的这些干燥器中，闪蒸式干燥器是目前应用最 广的一种【2 9 1 。 胡龙 3 0 】等对以机械脱水+ 热干燥为主线的处理技术系统和以预干燥十焚烧 工艺处理污泥的综合热干燥系统进行了研究，并得出这种方法具有可行性的结 论。马德刚【3 l 】等进行了电场协同作用下污泥热干燥的实验，结果表明，有电场 时污泥的粘壁强度可降低到无电场时的1 1 6 ，当污泥含水率大于5 0 时其干燥速 度较传统方法有明显的提耐3 2 1 。 目前，采用自然重力和机械脱水处理是我国污泥脱水处理的两种主要方式。 与这两种方式相比，太阳能干燥技术则具有节能、运行费用低、对环境无污染等 优点【3 3 1 。太阳能干燥污泥在国外有报道。在国内，天津大学和天津市纪庄子污 水处理厂联合进行了利用太阳能干燥技术对污泥进行脱水实验，以期为进一步降 低污泥脱水的运行费用以及节约能源找到新的方法【3 4 】。 郑宗和 3 1 , 3 5 】等通过实验证明利用太阳能污泥干燥技术对污泥进行脱水处理 是一项可行的新技术。该技术使城市污水厂污泥脱水处理的进一步节能成为可 能。雷海燕等 3 1 , 3 6 】通过实验研究探索了利用混合型太阳能干燥器干燥污泥的可行 性及污泥的干燥特性【3 刀。 另外，利用太阳光和简单的辅助设备直接对污泥进行干燥具有节能和低成本 的优点。丘锦荣等【3 8 】通过对利用塑料棚和日光对污泥和有机废弃物进行干燥的 实验研究，初步设计出了可以达到高温低湿的塑料棚，达到快速干燥污泥及其他 有机物的目的【3 9 1 。 1 4 生物固体干燥理论研究 干燥理论涉及到热交换、质交换理论、水分同物料结合形式学说、不可逆过 4 硕士论文 生物固体干燥特性实验研究 程热力学、理化力学和流变物理学等许多学科【4 0 5 1 1 。 考虑到干燥物料种类众多，干燥产物要求也各不相同，干燥过程中所表现出 来的干燥特性大相径庭。因此针对不同干燥物料建立相应物料干燥模型也就成为 了现阶段干燥模型的主要研究内容。物料干燥模型实质上就是对物料干燥过程中 干燥特性的一种数学表达，而物料干燥特性通常指的是物料在干燥过程中表现出 的各种性质，其中主要包括物料干燥速率、升温速率、结构变化( 收缩与变形) 规律、质量与品质的变化规律等【4 0 5 4 1 。需要指出的是，由于对干燥产物的要求不 同，在对干燥过程进行数学模拟时，上述特性并不是同等重要，这个原因也导致 了物料干燥模型的多样性m 5 5 5 6 】。概括起来说物料干燥撑型主要是研究两大方面 的内容：其一是基于唯象理论和体积平均理论的物料热质传递模型，其目的是深 入研究物料干燥过程微观机理，掌握物料内部水分移动规律，建立反映物料干燥 特性的理论模型( 包括干燥速率方程、升温速率方程、结构变化模型、质量与品 质变化模型等) ；其二是基于不可逆热力学理论建立起来的干燥模型，其研究结 果往往是侧重从宏观方面描述干燥过程，预测干燥速率，确定干燥时间，把干燥 领域实验研究及理论分析结果应用到实际干燥过程分析中，实现优化设计和优化 运行【4 0 , 5 7 , 5 8 】：。 早在2 0 - - 3 0 年代，l e w i s 【4 0 ，5 5 j s h e r w o o 一叫和n e 吼一4 0 ，6 1 1 进行大量的工作， 把多组分气体扩散的f j c k 定律应用于干燥过程，建立了扩散模型理论( 假定扩散 系数为常数) 。在许多场合，扩散模型理论解与实验的失重曲线、蒸发速率益线 相符。1 9 3 7 年c e a g l s k d | 4 0 6 2 】和h u o g e n 的实验及h o u g e l l r 叫等人的分析表明：常系 数扩散模型理论解出的含湿量分布与实验结果不符，而利用由他们测量的毛细势 ( 压力) 与含湿量关系的曲线，才能给出与实验相符的含湿场分布。由此他们推 论，干燥过程中物料水分迁移是毛细势作用的结果。但是上述工作与实际情况最 大的不同是：都没有考虑温度对干燥过程热质传递的影响。而在实际干燥过程中， 温度作为热质传递过程中的一个主要推动力，在物料干燥过程中所起到的作用是 不可忽视的，甚至是决定性的。所以上述可以认为是在忽略温度影响下的物料内 部质传递的描述。可以说直到l u i k o v 4 0 ，6 3 ，删和k i i s c h 一4 0 , 6 s , 6 6 ，考虑温度对水分 迁移过程的干燥模型的出现，描述物料干燥过程的传热传质模型才真正问世。 n l i k o v 【6 3 舯】从宏观的质量、能量守恒定律和不可逆过程热力学原理出发，推导一 组关于含湿量、温度和气相压力的方程。 1 5 本文的主要工作 ( 1 ) 为模拟物料的固定床干燥，设计搭建了开式干燥系统，该系统可以调 整热风的温度和流量，并可在线监测被干燥物料的含水率和温度。 5 1 绪论生物固体干燥特性实验研究 ( 2 ) 利用开式干燥系统研究大空间下不同热风温度对生物固体干燥过程的 影响。 ( 3 ) 研究不同添加剂和添加剂添加量对生物固体试样成型的影响，以及利 用开式干燥系统研究不同添加剂和添加剂添加量对生物固体干燥过程的影响。 ( 4 ) 在开式干燥系统的基础上进行改进，设计搭建了闭式循环干燥系统， 并进行了简单的干燥实验。 6 硕士论文 生物固体干燥特性实验研究 2 生物固体热风干燥系统设计 2 1 热风干燥系统设计目标 热风干燥系统的设计的目的是为了得到生物固体在不同干燥条件下的干燥 特性，从中得到生物固体最佳的干燥条件，为工业上干燥生物固体提供实验数据 参考。 2 2 热风干燥系统设计计算 2 2 1 干燥介质流速的选定 当流体连续向上流过固体颗粒堆积的床层，在流体速度较低的情况下固体颗 粒静止不动，流体从颗粒之间的间隙流过，床层高度维持不变，成为固定床。本 实验模拟固定床对物料进行干燥，固定床风速较低，远小于临界流化速度。 下面对床层的临界流化速度进行求解： 单颗粒圆柱体的体积当量直径：是指与单个颗粒具有相同体积的球体的直 径。本实验所选取的被干燥物料为直径1 6 c m ，高度为3 8 c r n 的圆柱体，计算公式 如下【6 7 】： 剖孚乩3 4 4 8 c 聊 ( 2 6 ) 式中，圪一圆柱体的体积，c l 1 1 3 ； d v , , p 一颗粒的体积当量直径，c r i l ； 计算得到圆柱体的体积当量直径j g , s p = 1 3 4 4 8 c m 颗粒的形状系数： 非球形颗粒与球形颗粒的外形差异可以用形状系数s 来表示。形状系数s 定义为：与不规则颗粒同体积的球形颗粒表面积a v 却与不规则颗粒的表面积a p 之比值的平方根，计算圆柱体物料的形状因子得【6 7 】： 丸。一等- j 潞o - 9 0 0 7旺7 ， 设不规则颗粒的体积当量直径为d v 印，那么它的粒径d p 可用 d 。= 里= 1 4 9 3 0 1 0 2 聊 丸 ( 2 8 ) 引入临界雷诺准则和阿基米德准则，即 7 2 生物固体热风干燥系统设计生物固体干燥特性实验研究 彳，=d p 3 p g ， 2 一p gk = 5 8 5 9 1 1 0 7 2 4 5 r e i n 2 + 1 6 5 0 r e ，矿- - a r r e 阿= d p u 町p g 式中，& 气体密度，k g m ，； d ，颗粒直径，z ； 气体动力粘度，( p a s ) ； 砟颗粒密度，k g m 3 ； = 1 5 1 3 1 3 7 气体温度选为16 0 c ，计算临界流化速度为： 妒筹黾6 刚s ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 混合物时物料的密度为p p 2 = 1 8 0 k g m ，计算此时的临界流化速度为6 刀： 4 一：望里垒睦；生：8 0 8 1 3 1 0 s “ ( 2 1 3 ) 2 4 5r c m f , 2 2 + 16 5 0 r e ，旷，2 - - a t 2 r e m f 2 = d p “形。2 p g= 5 4 1 6 3 6 2 = 等乩毗刚s ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 根据计算结果，选取干燥腔的热风速度为0 3 m s ，保证物料干燥前后都不会出 现流化状态。 8 硕士论文 生物固体干燥特性实验研究 2 2 2 风机选型 干燥腔的风速v = 0 3 m s ，本文进行大空间内单颗粒的干燥实验，物料尺寸为 直径1 6 c m ，高3 8 c m 的圆柱体，为消除干燥腔内速度边界层对物料干燥的影响， 选取干燥腔内径为物料直径的2 0 倍左右，最终选择干燥腔管径为3 7 5 c m ，在干燥 腔内部包裹一层保温材料后，内径变为3 1 5 c m ，碳钢管的管径d = 2 r = 5 c m ，当干 燥腔选定后由于腔内流速为0 3 m s ，这时碳钢管管径太小会导致内部风速过大， 会造成沿程阻力和局部阻力过大，同时还要在碳钢管内放置翅片管加热器，考虑 到翅片管加热器的尺寸，所以选取此管径的碳钢管作为连接的管路，碳钢管管内 的设计风速u = 1 2 m s 。 沿程阻力计算： ( 1 ) 雷诺数( 粘度取1 6 0 空气) r e ：u _ a ：1 9 9 4 0 ( 2 1 7 ) l ， 式中甜一碳钢管内的风速，以； d 一碳钢管内径，c m ； y 一热空气的运动粘度，m 2 s ( 查表3 0 0 9 1 0 石m ) ： ( 2 ) 边界层厚度为 孝。：6 8 而4 xr ：0 2 9 6 m m ( 2 1 8 ) 亡= 一= m m t z ，肌 r e o 8 7 5 碳钢管的绝对粗糙度a = 0 1 m m ，乞 ，所以流动处于湍流光滑区，运用布 拉修斯公式计算得到沿程阻力系数： 五：节0 3 1 6 4 ：0 0 2 6 7( 2 1 9 ) r e ( 3 ) 设碳钢管的长度为l 3 5 m ，则计算的沿程阻力为： 1， p l = 妄五号p y 2 = ll o p a ( 2 2 0 ) 局部阻力计算 ( 1 ) 局部阻力计算：本装置共有2 个渐扩管( 干燥腔的进口、风机进口) 、 2 个渐缩管( 干燥腔出口、风机出口) 、4 个直角弯头。 ( 2 ) 渐扩管的局部阻力系数： 孝淅扩= ( 一罢 2 式中，a 厂较小管径的截面积； 么厂较大管径的截面积。 ( 2 2 1 ) 9 2 生物固体热风干燥系统设计生物固体干燥特性实验研究 ( 3 ) 计算得渐扩管( 干燥腔的进口) 的局部阻力系数磊= o 9 8 ，速度为1 2 州s ， 则局部阻力： 必= i 1 9 2 p - ，2 = 5 8 p 口 ( 2 2 2 ) ( 4 ) 计算得渐扩管( 风机进1 3 ) 的局部阻力系数磊= o 9 5 ， 则局部阻力： 蝎= 去磊p y 2 = 5 6 p a ( 5 ) 突缩管的局部阻力系数g 磊一5 ( 1 - 书 式中，彳广较大管径的截面积： 速度为1 2 m s ， ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 么厂较小管径的截面积。 ( 6 ) 计算得渐缩管( 干燥腔的出1 3 ) 的局部阻力系数六= o 4 9 ，速度) 白1 2 m s ， 则局部阻力： z i p , = 去孝4 p y 2 = 2 9 p a ( 2 2 5 ) 二 ( 7 ) 计算得渐缩管( 风机出i z l ) 的局部阻力系数缶= o 4 7 ，速度为1 2 m s ， 则局部阻力： 蝎= 寺六p y 22 7 3 p 口 ( 2 2 6 ) 二 ( 8 ) 根据弯管的转角。和曲率半径与管径之l ：l ：r d ，查表得到弯头的局部阻力 系数 f = 0 5 6一 ( 9 ) , 贝l j 4 个弯头的局部阻力： 必= 去4 孝6 p y 2 1 1 7 4 p 口 ( 2 2 7 ) 则总的阻力为： a p - - - 们+ 必+ 必+ 嵋+ 必+ 叱 - - _ 3 9 7 7 p a 碳钢管管内的设计风速u = 1 2 m s ，碳钢管的管径d = 2 r = 5 c m ，对流量增加一个 2 0 的余量，计算得到体积流量为1 0 1 7 m 3 h ，对压头增加一个2 0 的余量，得到 压头为4 7 7 p a ，根据所计算的风量和管道总阻力，应选取流量在l1 0 m 3 ，压头为 4 4 7 p a 左右的风机，因实验室现有一台引风机，引风机的参数：y 5 4 73 1 5 c 锅 炉引风机，高温型风机可耐2 0 0 高温，冷却采用水冷方式，可通过对风机变频 调节的方式来达到所需的工作工况。 1 0 硕士论文生物固体干燥特性实验研究 转速：2 9 9 0 r “r a i n ； 流量：1 2 1 8 - 2 2 9 7 m 弧； 全压：8 8 3 “0 s p a 。 在试验过程中对干燥过程中的流量用毕托管进行检测，用变频器进行风机流 量调节，达到干燥过程质量流量恒定的要求。 2 2 3 干燥介质温度的选取和控制 在老式干燥器里，起火或爆炸相当频繁。使污泥干燥设备的安全性能倍受置 疑。现在，起火或爆炸的大部分原因已经明确，与爆炸有关的三个主要因素是氧 气、糟尘和颗粒的温度。为了防止污泥干燥过程中爆炸事故的发生，本文将干燥 介质热风的温度设定为1 2 0 、1 4 0 、1 6 0 。 本实验所用的糖厂滤泥取自广西制糖厂，初始含水率为4 5 3 3 ，污泥取自南 京锁金村污水处理厂，取自0 9 年7 月，取样后经过工业分析得到含水率为8 46 5 ， 经过室外一段时间的放置以及阴雨天渗水含水率略有上升，在做干燥实验之前对 样品进行工业分析测得含水率为8 80 2 ，因为市政污泥的含水率大大高于糖厂滤 泥，因此本实验计算加热功率采用含水率高的污泥作为标准。 图2l 锁金村污水处理厂现场取样照片 加热器功率的设计计算： 将物料放入干燥腔中进行干燥，物料由初始含水翠8 8 降为干燥后含水率 5 ，放入干燥腔物料质量为2 0 9 ，干燥过程设为6 0 分钟完成。 则物料干燥所需的加热功率q l 为： 9 = 撕( 1 一1 9 ；一一心删和小时h l。， 式中m 投入干燥腔的物料的质量： 污泥的初始含水率，： w ，一污泥干燥后的含水率，； g 一水的汽化潜热，k i k g ( 查表得2 4 0 0 k j k g ) ： c 。一水的比热，k j k g ( 查表得41 9 k j k g ) ； 2 生物周体热风干燥系统设计生物固体干燥特性实验研究 物料放入干燥腔时的温度，； f ：一经过热风干燥后的物料温度，； q - - n n n n 热，i c i k g ( 查表得1 2 i d l k g ) ； 计算得到 q 22 嘲一 q 2 ” 厶一外界环境温度，( 取为5 ) ； 壁面各包一层保温材料，物料放在热风干燥腔圆柱体内进行干燥。 则通过干燥腔的单位时间散热量q 3 为： 卵玩研萄督一 式中厶一热风干燥腔圆柱体的高度，m ； 厶一内部热风温度，( 取为1 6 0 ) ； 一外界环境温度，( 取为5 c ) ； 以一热风干燥腔圆柱体内径，锄； 吐一保温棉的厚度，c i i l ( 设为3 e m ) ； 反热风干燥腔圆柱体的壁厚，锄； 1 2 干燥腔内外 ( 2 3 0 ) 硕士论文生物固体干燥特性实验研究 元碳钢管外面的保温材料的导热系数，w m k ( 取0 0 3 w m k ) ； 五干燥腔的导热系数，w m - k ( 取5 0 w m k ) ； 计算得到： q 3 = 1 0 1 7 1 8 1w 热空气在干燥腔内部的流速取为v = 0 3 m s ，空气初始温度t 7 = 2 0 c ，经加热后 温度变为t 8 = 1 6 0 。c ，1 6 0 ( 2 空气的焓值为h l = 4 3 4 9 k j k g ，2 0 。c 空气的焓值为 h 2 = 2 9 3 5 k j k g 。 则加热空气所需功率q 4 为： 幺= y 掣p 。一 ：) 。2 3 。， 式中：以一热风干燥腔圆柱体内径，c m ( i 玟3 7 5 c r n ) ； d ，干燥腔内部保温棉的厚度，c m ( 取3 c i l l ) ； p 一空气的密度，k g m 3 ( 取0 8 1 5 k g m 3 ) ； 厶一空气初始温度，( 取2 0 ) ； 气一空气经加热后的温度，( 取1 6 0 c ) ； y 一空气流速，i n s ： 计算得到 q l = 2 6 9 2 8 9w 则总共耗热量q 为： q = g + q + 奶+ 珐 = 3 1 3 7 6 5 9 w ( 2 3 2 ) 考虑到风机水冷等不确定因素的散热，取余量系数a 为1 2 ，则： q 7 = a q = 3 7 6 5 1 9 1 w 根据余量系数，确定加热管的功率为4 k w ，选定为2 个功率为2 k w 的翅片管 加热器。 2 2 4 称重装置的设计 热风干燥过程中随着干燥的进行物料中水分不断析出，物料质量进行不断减 小，为了监测物料质量的实时变化，需要设计物料连续称重装置，如果采取将物 料隔一定时间从干燥腔中取出称量的方法进行物料的质量的测量，会由于物料与 周围环境的散热造成物料温度的下降，同时由于干燥腔中的湿度与外界环境湿度 有很大的差别，将物料从干燥腔中拿出称量可能造成物料的吸湿，因此取出称量 不能反映物料的真实情况，而且将干燥腔密封盖子打开，会造成干燥腔内向外界 1 3 2 生物目体热r 十燥系统设计生物周体十撵特性实验目f 究 散热量加大，降低干燥介质的温度如果称量完毕之后再将物料放回干燥腔中， 此时物料温度会重新升温造成物料温度测量的不准确性，因此设计一个精度在允 许范围之内的在线称盘装置是非常必要的。 本实验利用杠杆原理设计了一个在线称量装置，装置有一个机械天平改装的 天平横梁、电子天平、天平砝码等组成，机械天平横粱的两端是等臂的。在机械 天平的一端悬挂被干燥物料，另一端悬挂一个砝码，此砝码重量超过物料质量， 但比电子天平的量程小，此砝码质量取为1 0 0 9 ，此砝码放在电子天平之上，电子 天平的读数为砝码质量与物料质量的差值，为了连续监测下电子天平的读数，对 干燥过程中电子天平的读数进行了录像监控，为实验完毕后处理数据提供称重数 据，此实验监控选用k o s t a r 监控系统。 这里要注意的是本设计采用的万分之一精度的电子天平的称重需要一个读 数稳定的过程一般需要3 秒钟左右的时间电子天平的千分位才能稳定，而干燥 过程中物料的失重是个连续的过程，因此天平的读数始终无法稳定，但通过监控 录像慢放发现如果电子天平的稳定过程主要体现在千分位和万分位的变化。偶尔 会有百分位的变化，凼此可认为在采用连续称重的过程中，天平的读数精度取为 百分之一克，在线称重数据由一段时间内视频监控得到的数据取平均获得。 图2 2 称重装置安装示意图 2 3 热风干燥系统的搭建 2 3 1 干燥介质温度的控制部件 本热风干燥系统干燥介质的温度控制过程如下：热风干燥系统加热装置为2 根功率为2 k w 的翅片管加热器，从离心式风机出口出柬的空气经第1 根翅片管加 热器预热后，再经第2 根翅片管加热器的再热将预热的空气加热到干燥介质所需 温度然后送入干燥腔进行物料1 ：燥，其中第二根翅片管加热器与s s r 司态继电 颂论文生物固体十蝾特性宴验研究 器串联，固态继电器( 此继电器为常开继电器) 与智能p i e ) 调节仪的输出s s r 端 口( 此端口输出位8 1 0 v 的直流电压) 相连，在干燥腔下部太小变径头管径较小 的地方打一孔，插入一根工业铠装k 型热电偶测量热风温度，此处流速较大，测 温精度高，此k 型热电偶与智能p d 调节仪的热电偶接入端相连智能p i d 调节仪 调节到温度自整定控制状态，只需将智能p d 调节仪的s v 温度档设定到所需温 度，智能p i d 调节仪会自动根据热电偶采集来的温度来进行温度调节，使进入干 燥腔的热风温度达到设定值，p v 档显示的是工业铠装k 型热电偶监测到的干燥介 质温度。 智能p i d 温度调节仪的参数设定： ( 1 ) 温度传感器类型为( i n t y ) = k ( k 型热电偶) ： ( 2 ) 控制输出方式( o u t y ) _ 2 ( s s r 电平无触点式p i d 控制输出) ： ( 3 ) 自整定偏移量( a t d u ) = 1 0 ： ( 4 ) 传感器零点误差修订值( p s b ) ：o ； ( 5 )