板框压滤低温真空干化浅析Frame filter press cryogenic vacuum drying Analysis.doc

板框压滤低温真空干化浅析Frame filter press cryogenic vacuum drying Analysis(2012-02-24 10:56:44)转载标签：杂谈板框压滤机是很成熟的脱水设备，在欧美早期的污泥脱水项目上应用很多，但市场被离心机后来居上，究其原因，可能是因为板框很难做到无人值守，滤布常常需要人工清理的缘故。将热干化结合进来，从概念上看是很一个聪明的想法，在一台设备上完成应该两台设备完成的工作，理论上应该是很有竞争力的。众所周知，采用机械式板框压滤，一般可能将污泥脱水至含固率20-30%。要进一步提供含固率，需要采用热法。将热干化结合进板框式压滤机，已经有不少人进行了这方面的尝试。在美国，有Dehydration & Environmental Systems的DryVac系统、AcquaCare Systems的Enviro-Dri系统、SMC的真空板框污泥干燥等。在国内首先将该技术付诸实施的，是来自台湾的一家公司，核心专利是吕明旺（莱大环境工程）的一种复合板框，通过台湾经销商卜力斯和中环保控股的杭氧环保在大陆推广。此外，还有上海的锦惠复洁环境工程声称引进了德国技术，从原理看十分近似。笔者委托朋友参观过前者一个正在运行的项目，并取了干化后泥样进行分析，所得结果与一位网友所看到的后者一个项目情况类似，干化后的含固率大约45-55%，与所言70%有不小的差距。那么，究竟原先粘滤布的问题如何解决，干化效果如何，该技术到底有怎样的市场定位，笔者不揣冒昧，试对此技术做一次工程层面的简要分析。资料来源主要是一些公开的介绍和技术方案，结合了笔者对设备的分析推断。既然有推断，就可能不准确，本文纯属对一种新技术的探讨，笔者的不成熟观点幸勿引以为结论。一、计算取值和方法笔者以一个100吨/日项目为参考，对湿泥（含固率20%）进厂后从调浆开始一直到干化完毕为止建立了一个完整的物料平衡和热平衡模型。下面所引述的参数取值都是在此平衡计算的基础上，参考实际数据得出的。所依据的基本输入条件如下：污泥100吨/日，含固率20%；石灰假设为绝干；采用两台真空板框压滤机进行干燥，每台80片，每片单侧有效容积90L；干化后含固率设计值70%。1、石灰调浆来自污水处理厂的含固率15-20%的脱水污泥首先需要进行调浆，相信这是板框压滤机进料浓度限制而形成的。从实际项目看，添加一定比例的石灰浆，对减少污泥粘滤布来说是必需的。石灰的添加比例有多种说法，有资料说100吨20%含固率的湿泥需要加4吨石灰的，即相当于干基20%；也有说只需加干泥的3%。根据所了解的数据，笔者推算的实际添加量在干基10%左右。2、进料含固率石灰调浆需要加水，将脱水污泥进行打浆也需要稀释，稀释的最终目的应该还是为了适应板框机的进料。按照笔者的推算，这一含固率可能在8-12%之间，取10%。3、填充量板框压滤机的一次性进料量是一个变量，它在进料过程中有一定的压力（1.0 MPa），与其后的机械保压（大约1.6 MPa），会造成湿泥不断被机械脱水。根据泥性不同，机械压滤可能最终形成的含固率在20-30%之间。从压滤机的有效容积看，真空干化应该是有一个设计参考基准的，这个基准值可能是机械脱水后含固率30%。这是根据板框机的设计尺寸、周期并结合物料平衡和热平衡进行判断的一个结果。填充量是机械保压完成后、热干化前的污泥容积。4、干化热源品质真空干化一般建议采用0.2 MPa的饱和蒸汽（温度120度），也有采用90度热水的。尽管蒸汽源品质一般会高得多，在进入真空干化系统前要被减压。从热效率角度看，蒸汽品质本来是越高越好，但不这么做，原因可能有二：1）温度高，对滤布的寿命会有影响；2）压力高，板框的结构、蒸汽管件连接的成本会增加，不合算。蒸汽的消耗量是一个重要指标，但根据几个不同方案给出的数据看，要么过高，要么过低，从热平衡方面检验均无法证实，因此该值需要根据最终热平衡的结果试算得出。5、真空度真空干化是以“真空”二字为标榜的，按照厂家资料，“污泥中的水分蒸发过程在负压状态下进行，提高水分蒸发速度，在-500 mmbar（笔者注：相当于380 Torr，真空度的表示法）的压力下，水的沸点降低至85，从而可提高蒸汽热源的利用效率”。另一份资料却说“必须使滤室内保持-500 mmHg（笔者注：相当于500 Torr）（此时水的相对沸点约在80）的负压状态”。毫米汞柱还是毫巴，单位不同，取值自然不一样。将所有有关真空干化中关于真空度的说法都汇在一起来分析，笔者相信该单位可能是汞柱而非毫巴，但污泥干化界面上的真空度到底是多少，值得认真探讨。按照真空干燥的理论（参阅徐成海等真空干燥，化学工业出版社2003年），高真空对促进水分蒸发有利，但对传热不利。此外，在连续、复杂的干燥过程中，干燥界面上的真空度一般都很低，不会超过-0.08 MPa（笔者注：相当于60 Torr），这是因为各个节点的漏气所致（罗传武等“真空连续干燥系统抽气量的计算”）。板框压滤机由于其构造形态的特点，在漏气性质方面与连续式真空干燥较为接近。要使“滤室内保持-500mmHg的负压”，无论如何需要真空设备提供极高的真空度。但我们看一下该项目上真空泵的选型，就知道事实上厂家所说的真空度其实是真空泵的参数（以SW501为例，压力为400mmHg，真空度360 Torr）。真空泵和各个滤室之间有数米乃至数十米的距离，要在滤室内形成厂家所声称的380或500 Torr的真空度，采用类似的真空泵是不够的。尽管在各个机型下所标注的真空度高达110-360 Torr，但根据台湾三锦泵浦的一份资料，该厂单级液封式真空泵SW系列可实现的最高真空度只有60 Torr，笔者的理解是，110-360 Torr应该是真空泵在特定测点和时间条件下可实现的一个指标，而实际工作中，在干化界面上所能形成的真空度最高为60 Torr。6、真空下水的沸点澄清了滤室内最高真空度，才有可能确定真实的真空干燥条件参数：水的蒸发温度。已知真空度，采用Antoine公式可以计算出此时水的沸点为97.72C。可以看出，所谓真空干化，如果真空度不高的话，水的蒸发温度下移幅度十分有限。这一点对了解真空干化的蒸发能力有重要意义。7、真空泵真空泵选型为已知，这是一种水环真空泵，最大抽气量18.1立方米/分钟，该值的测点在抽吸入口处。这意味着，蒸发所形成的水分是在进入泵前被冷凝的，冷凝热量通过蒸发塔形式散掉。根据南方湿热地区的湿球温度，冷却水的温度不会低于33度，冷凝后气体的温度可能不低于45度。8、热平衡计算真空干燥一书对真空干燥的原理和计算做了较详细的介绍。简言之，真空干燥的计算与普通热干化计算没什么区别。何况我们现在知道，真空干化中水的沸点似乎也变化不大。本文假设在热干化阶段，污泥的初始含固率为30%，不考虑干化污泥的冷却，将污泥开始加热到停止给热干化（时间约2小时）的这一段作为一个封闭的热工系，建立物料和热平衡进行分析。二、讨论根据分析试算，有以下问题值得讨论：1、真空泵与蒸发能力1）当出口干度设为70%时，真空所抽取的干空气量如果要保持在真空泵的最大设计范围内，则干燥出口废气的相对湿度超过105%，显然，这是不可能的；这就是说，真空泵的设计能力不足以承担输出干化至70%含固率时所产生的水分；2）当出口干度设为58%时，真空所抽取的干空气量可在真空泵的最大设计范围内，此时干燥器出口气体的相对湿度为100%；一般来说，为促进蒸发，干化过程的废气不会饱和，且从蒸发随干度提高而逐步减少的趋势看，废气的平均相对湿度不会接近饱和值。2、热干化的脱水贡献率对于一个日处理100吨20%湿泥的项目来说，原干基污泥20吨/日，考虑调质所增加的干基量2.1吨/日（10.6%），在机械保压脱水后至30%所需热干化的处理量为74吨/日(22.1/30%)，相当于机械压滤去掉了26吨水（100-74）。热干化从30%至55%（根据实测含固率取），实际除去的水分为34吨/日。3、热干化的比蒸发速率真空干化机的有效换热面积为318平方米/台（1.987 m2/pc * 80 pc * 2 sides），以设计周期4小时/循环计，比蒸发速率2.2 kg/m2.h（34 t/d / 2 sets * 1000 kg/t / 24 h/d / 318 m2）。与其它各种典型的传导式热干化（8-12 kg/m2.h）比，换热面的蒸发效率低了很多。4、热干化的热能能耗由于没有可靠的蒸汽消耗量可供参考，蒸汽消耗需进行假设。文献曾给出72吨/日的蒸汽耗，按照试算的结果，怀疑72是42之笔误。仅就热干化部分而言，其净热能消耗大约在660 kcal/kg左右，此时辐射热损失为4.5%，停止干化时的污泥温度97度，出口废气平均温度90度。三、结语板框压滤+低压蒸汽热干化组合的真空干化技术是众多污泥干化技术中的一种，笔者以为目前尚存在以下问题值得深入研究：1）是否依赖石灰调质才能做到不粘滤布根据了解，即使在大量添加石灰质的情况下，污泥下料目前尚很大程度上需要人工干预；对于某些有机质含量高的污泥来说，工作环境的臭气问题可能值得注意；对热能法最终处置（焚烧、水泥窑）来说，生石灰与水反应生成氢氧化钙的化学水，在处置阶段无论如何是需要耗能离解蒸发的，而这部分水分也应计算在燃料携入的水分中；2）产品干度是否存在瓶颈国外技术声称可做到含固率90%，国内设计也均以70%为目标。但根据实际取样情况看，实现这一点存在一定的困难。首先，真空泵容量方面似乎存在一种矛盾，目前泵的功率已达30 kW，加大会增加电耗指出，而不加大，似乎抽气量不足；其次，由于滤布的存在，使得换热面的实际传热系数很低，加上泥层厚度较大（腔体深度4.5cm），要加快蒸发，无法通过提高热源品质的方法，而只能在延长时间上做文章，但这将造成处理量的降低。3）投资是否有竞争力根据参考报价，该工艺的投资在20万元/日吨处理量以下。但如果按照实际热干