用于市政污泥干化的干燥機選型及設計計算

許 杰 姜厚春

（北京航天石化技術裝備工程有限公司）

隨著我國城市化的不斷發展，污水產量逐年增加， 污水處理廠建設數量和規模逐漸加大，導致污水處理廠產生的污泥量也成倍增加。 因此，我國對市政污泥的資源化、減量化和無害化處理的需求越加緊迫。 目前，國內外已開展較多污泥后處理研究，例如污泥炭化、熱解及協同焚燒等工藝，但這些技術基于工藝需求都要求待處理污泥含水率在30%左右。根據GB/T 24188—2009《城鎮污水處理廠污泥泥質》的規定，污水處理廠產生的污泥含水率約80%即可達標。因此，對污水處理廠產生的污泥進行干化處理，將污泥含水率降低到30%，對污泥后處理工藝具有關鍵性的作用。

1 市政污泥干燥特性

一般市政污水處理廠出來的不經任何處理的生活污泥，其含水率高達99%以上，經過機械壓濾脫水后含水率可降至80%左右， 為固體或流體狀物質，其中固體成分含有有機殘片、細菌菌體、無機顆粒、膠體及絮凝劑等，元素主要以有機成分為主， 還包含一些具有潛在利用價值的有機質、N、P、K和微量元素。污泥中的水分主要以自由水（或間隙水）和毛細結合水兩種形式存在。

市政污泥較工業污泥粘性更大，在干化過程中形態會發生變化。 隨著含水率的降低，市政污泥粘度直線上升，當干燥到一定程度后污泥將進入粘滯區［1］，經研究表明粘滯區的污泥含水率在50%～60%范圍內， 呈內部含水而外部干化的狀態，此時對污泥繼續進行干化，干化效率極低。 因此，不同于常規普通物料的干燥，正確選擇合理的與市政污泥特性匹配的干燥機，直接決定了污泥干化效果能否實現，甚至決定干化設備能否正常運轉。

2 干燥機選型

2.1 帶式干燥機

帶式干燥機采用一定量的熱風， 垂直通過由12～60目不銹鋼絲網構成的傳送帶，對傳送帶上平鋪的濕物料進行傳熱和傳質的交換， 以實現物料的干燥。 其中， 傳送帶通過傳動裝置實現緩慢移動， 通過傳動裝置調速以實現不同物料對不同干燥時間的需求。 帶式干燥機是一種批量生產的連續式干燥設備，主要用于透氣性較好的片狀、條狀和顆粒狀物料（如小塊或纖維質物料）的干燥。

2.2 轉筒式干燥器

轉筒式干燥器（圖1）廣泛應用于冶金、糧食及糖類等行業［2］中的粒狀、塊狀或片狀物料的干燥。 該干燥器利用蒸汽、煙氣等熱源，采用直接接觸或間接加熱方式對物料進行加熱以蒸發出內部水分從而達到干燥的效果。 物料由干燥機高端進入加料裝置， 并由加料裝置進入轉筒內部，轉筒按一定轉速轉動，使物料在筒體內部一邊被加熱干燥一邊向出料口移動。 物料在筒體內部的加熱時間可通過調整轉筒轉速來實現，以達到理想的干燥效果，并被順利排出。

圖1 轉筒式干燥器結構示意圖

2.3 流化床干燥器

流化床干燥器（圖2）主要利用熱氣對散裝物料進行流化，使氣體與物料顆粒充分接觸，促使顆粒與氣體間實現熱傳遞和水分傳遞，從而使物料干化，干化后的物料顆粒由底部排出，混合一定蒸汽的氣體由干燥器上部排出。 流化床干燥器的優點為干燥時間可隨意調節，壓降小，物料與熱源接觸面積大且接觸充分，物料干化后顆粒性強，但也存在某些濕物料返混和未經干燥的物料直接進入出料口排出，導致排料口處物料顆粒含水率不均。 目前，該設備主要用于處理糧食、金屬粉等散粒狀物料，或用于懸浮液、溶液等流動性物料的干燥，在褐煤干燥中也有應用［3］。

圖2 流化床干燥器結構示意圖

2.4 立式多盤干燥機

立式多盤干燥機 （圖3） 是一種間接干燥設備，其干燥熱源主要為飽和蒸汽、導熱油或其他一些熱媒介質，熱源通入設備夾套和熱盤中對物料進行加熱，從而達到蒸發水分實現物料干燥的目的。 該設備的工作原理為：通過傳動裝置轉動轉軸，并帶動軸上連接耙葉做回轉運動，轉動的耙葉撥動分布在圓盤上的物料，使需要干燥的物料沿著加熱盤的內緣或外緣逐層做螺旋交替運動，由此進行干燥，同時脫除的濕蒸汽由風機抽出。 該設備的優勢為可以縮短干燥介質與熱源分離的過程，蒸發水分可直接采用冷凝方式；但存在熱效率低、熱介質用量大的缺點，若干燥物料成粘性或膏狀，則易出現粘壁現象，從而造成處理量小的問題。

圖3 立式多盤干燥機結構示意圖

2.5 臥式槳葉式干燥機

臥式槳葉式干燥機（圖4）采用的是間接加熱方式，主要由槳葉軸、軸上槳葉片、帶夾套W殼體［4］、傳動裝置、旋轉接頭及殼體支撐基座等組成，其中槳葉軸一般有單軸、雙軸和四軸結構。 干燥熱源一般采用蒸汽或導熱油等高溫介質，在殼體夾套、槳葉軸內腔和中空槳葉片中流動。 以雙軸結構的槳葉軸為例，臥式槳葉式干燥機的工作原理為：濕物料由進料口進入干燥機內部，與高溫殼體、軸和槳葉片接觸發生熱交換，雙軸結構的槳葉軸由傳動裝置驅動做相向或相對轉動，在轉動過程中，兩軸上葉片相互交錯嚙合，對濕物料進行推動、破碎、擠壓和拌混。 臥式槳葉式干燥機的主要優點為設備結構緊湊，占地面積和空間都相對較??；通過軸上槳葉對物料攪拌、混合使物料劇烈翻動，可獲得較高的傳熱系數，并對粘性物料具有一定的剪切、擠壓和破碎作用，可實現干燥過程中的交替擠壓和松弛，從而強化干燥效果，同時還具有自清潔功能，該設備尤其對于膏狀、漿狀物料的干化具有明顯適用優勢。 此外，通過調節傳動裝置頻率，調整槳葉軸轉速，可以適應干燥物料在設備內停留時間的要求。

圖4 臥式槳葉式干燥機結構示意圖

根據上述對各類干燥設備優缺點及干燥物料適用性的分析， 并結合污泥干化過程中的特性，為提高市政污泥脫水干化效率，避免在干化過程中出現粘滯現象從而帶來的不利影響，推薦選用臥式槳葉式干燥機。 在此，筆者對污泥處理量為100 t/d的臥式槳葉式干燥機進行設計計算。

3 臥式槳葉式干燥機設計計算

臥式槳葉式干燥機的設計條件如下：

污泥處理量 100 t/d

初始含水率 80%

目標含水率 30%

熱源 1 MPa飽和蒸汽

飽和蒸汽汽化潛熱γst2 014.8 kJ/kg

飽和溫度Tst180 ℃

出口溫度Two110 ℃

飽和蒸汽進入殼體和槳葉區，利用熱傳導加熱方式對污泥進行干化。

市政污泥物性參數如下：

堆積密度ρ 980 kg/m3

干基比熱Cp干0.84 kJ/（kg·℃）

污泥進口溫度T120 ℃

污泥出口溫度T260 ℃

3.1 單位時間水分蒸發量W1

單位時間濕物料的處理量G1=100000/24=4167 kg/h； 單位時間水分的蒸發量W1=4167×［（80%-30%）/（100%-30%）］=2976 kg/h； 單位時間干基污泥量Gg=4167×（100%-80%）=833.4 kg/h；單位時間污泥產量Gc=4167-2976=1191 kg/h。

3.2 干燥所需熱量Qz

市政污泥干燥所需熱量Qz主要包括污泥中水分蒸發所需熱量Q1、污泥升溫帶走熱量Q2、干燥空氣帶走熱量Q3和設備散熱量Q4共4部分。

假定污泥中水分被加熱至60 ℃后蒸發，此時水分蒸發汽化潛熱γws=2354.9 kJ/kg，則Q1、Q2的計算值為：

其中，Cpw為水比熱容。

由于主要熱源為飽和蒸汽，空氣流動僅用于帶走蒸發出的水分，停留時間較短，故由此假定Q3=0。 設備散熱量Q4取總熱量Qz的8%。 則計算得到污泥干化所需熱量Qz為：

3.3 間接傳熱面積A

對數平均溫差Δt的計算值為：

本算例中，取熱傳導性攪拌葉片和夾套殼體表面的平均傳熱系數α=135 W/（m2·℃）， 則計算得到間接傳熱面積A為：

3.4 飽和蒸汽量Wst

飽和蒸汽量Wst的計算值如下：

通過間接傳熱面積A對臥式槳葉式干燥機進行選型， 選型時需要考慮10%～20%的面積余量。通過間接傳熱面積A及臥式槳葉式干燥機已有的成熟型號可以確定，100 t/d污泥處理量下宜選兩臺310 m2的干燥機，能滿足干化效果的要求。

4 結束語

針對市政污泥干燥過程中由于物性變化而出現的粘滯區這一特殊現象，臥式槳葉式干燥機是目前市場上最適合的干化設備，其特點如下：

a. 臥式槳葉式干燥機具備特殊的自清潔功能，可有效破壞污泥粘滯結團現象，防止設備局部堵塞，降低設備運行功耗。 它利用自身多軸、槳葉交錯重疊的結構特點，在運行過程中充分利用軸間互相嚙合的槳葉片，通過軸旋轉對污泥進行不停的剪切、翻滾、攪拌，使污泥在干化過程中處于不停的成型-破壞-再成型狀態，有效避免了由于污泥結團而導致的設備功耗陡增甚至無法正常運行的不利工況。

b. 臥式槳葉式干燥機具有換熱面積利用率高的特點。 它可以將殼體夾套、槳葉和中心軸表面都設置為傳熱面，對膏狀污泥實現內、外包裹性傳熱，將傳熱面積利用最大化，有效提高傳熱效率。

c. 臥式槳葉式干燥機停留時間可調且較長，能夠保證理想的干化效果。 它采用可調式驅動方式，可實現在線實時調整轉速、進料速度及干燥溫度等，最長停留時間可達2 h以上，有利于脫水率跨度大的污泥達到出料要求。

雖然臥式槳葉式干燥機在國內外污泥干化市場獲得推薦，認可度較高且已有使用，但也存在單臺設備處理量低、污泥易在設備內沉積無法排凈等缺陷。

近年來，國外又開發出一種新型針對污泥干化的薄層干燥機， 可極大地提高設備傳熱效率，且脫水率高，但由于設備造價高，目前我國使用的較少，但可作為污泥干化設備后續優化選型時的備選項。