城市生活污泥太阳能—废热联合干化处理工艺设计

王磊 金杰 俞志敏 吴克

摘要：太阳能作为一种清洁可持续的资源，将其应用于城市生活污泥干化，该工艺运行安全稳定、能耗低、运行成本低廉、无污染等特点，同时利用废热（源自合肥天源热电）作为辅助热源，以弥补因昼夜、天气、季节等因素导致的太阳能资源的不足。以合肥城市生活污泥为例，对工艺的原理和流程，供热单元设计、干化室设计进行了阐述，为太阳能-废热联合干化工艺的进一步研究提供了参考。

关键词：城市生活污泥；太阳能；废热蒸汽；工艺设计

随着城市化进程的加快，生活污水产量逐年加大，城市生活污泥产量随之增加，其带来的环境问题日益突显出来，如高含水率、有恶臭、易腐败、含有大量氮磷等营养物质和病原体，甚至还含有重金属，如处置不当会对环境造成二次污染[1-4]。因此对污泥进行“三化”处理势在必行，即减量化、无害化和资源化，而“三化”处理的首要前提就是降低污泥含水率，只有降低污泥含水率才能给后续污泥的处理处置及其运输提供便利[5-6]。污泥的干化迫在眉睫。

[] 太阳能作为一种清洁可持续的绿色新能源，随处可见且安全无害，较传统能源有显著优势，且太阳能污泥干化方式具有节能降耗的现实意义。本文对合肥市生活污泥进行太阳能干化，同时为了弥补因昼夜、天气、季节等因素导致的太阳能资源的不足，采用了太阳能-废热联合干化处理的工艺。

1 生活污泥和废热来源

本设计中选取的污泥为合肥市污水处理厂脱水污泥，含水率80%；废热来源于合肥天源热电有限公司，公司主要经营供热，电力生产与供应，热力管网安装维修与调试等。

2 工艺设计目标

目前合肥天源热电有限公司目前所采用的燃料为污泥与煤进行配比的混合燃料，泥煤掺烧比达20%-30%，日焚烧污泥规模达到120吨以上，每日产生的废热为平均温度为112.56℃的烟气总量为 2.03×106m3/d，烟气主要成分为CO2。综上，本设计处理规模按照200吨/天考虑，干化后污泥含水率降至60%。

3 太阳能-废热联合干化工艺原理

将城市生活污泥（含水率80%）均匀布设于设有传送带的干化室内，利用太阳能和废热蒸汽作为热源实现对污泥进行干化，如图1。生活污泥通过污泥传送带输送至干化室顶部，通过污泥布料机将污泥变为薄层进入干化室传送带，另外传送带上方布设有废热管道，污泥在传输的同时废热蒸汽对其进行干化，传送带自上而下层层传输，在转至下一层传送带时同时完成薄层的翻转。此外干化室内设有温湿度感应器，实时对干化室内的温湿度进行监控，干化室顶部设有排湿口，根据干化室内的湿度状况及时将干化室内的湿废气排出，以保证污泥的干化效果。

图1 太阳能-废热联合干化工艺流程图

Figure 1 process flow diagram of solar energy-waste heat combined drying

4太阳能-废热联合污泥干化系统工艺设计

4.1 供热单元设计

4.1.1 太阳能单元集热器所产热量的计算

日照时数，即直接受太阳光照射的实有时数。合肥市年日照时数在 2000小时左右，分布特点呈北多南少。日照时数的年内变化，夏季最多，春秋次之，冬季最少。

根据合肥气象网提供的信息，合肥地区的日照情况如表1 所示：

表1 合肥全年太陽总辐射资料（千卡/平方厘米）

Table 1 annual data of total solar radiation in Hefei （Kcal per square centimeter）

月份 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月

辐射量 6.5 7.1 9.2 10.5 12.5 13.6 14.2 13.9 9.8 8.9 7.0 6.1

根据表1数据可计算出合肥全年太阳能平均功率：

W0=（6.5+7.1+7.0+6.1+9.2+10.5+9.8+8.9+12.5+13.6+14.2+13.9）/（365×12×3600）×10000=0.1135kcal/（m2·s）=475w/m2

单元集热器接受阳光的实际透光面积为1m2，本装置的理论功率为：

P= W0×S=158.35×1=475W

单元集热器效率一般在60%以上，按60%计，则得热功率为：

P得热=P×60%=285W

假设集热器每天工作8h，则该集热器一天可转化有效热能为：

Q= P得热×8×3600=8.21×103KJ

4.1.2 废热热量的计算

因废热气体主要成分为CO2，因此按二氧化碳气体对烟气进行能量估算：

=0.8×103×1.977×2.03×106× （112.56-40） =2.33×108KJ

（二氧化碳比热：0.8×103J/kg·℃；二氧化碳密度：1.977kg/m3）

4.1.3 太阳能装置收集热量计算

以1吨含水率为80%的脱水污泥进行经济分析，根据污泥干化的实际情况，设污泥起始温度为 20℃，由于水在常压下的气化温度为 100℃，干化终点温度选 100℃。由于污泥中固形物的含量较少，且比热容远小于水的比热容，从而忽略固体物质的比热，即假设固体物料不吸收太阳能量。污泥干化目标为含水率60%时，每吨物料水分蒸发所需要的能量为：

Q蒸发=2453×[1？1×（1-80%）/（1-60%）]×1000=1.23×106KJ （水的蒸发潜热约为2453kJ/kg）

日处理污泥量为200吨的污水处理厂需耗费的热量为：

Q总=200×Q蒸发=2.46×108KJ

所以该污泥干化工艺设计中，除了每天利用2.33×108KJ的高温废气能量，剩余所需能量由太阳能集热装置提供，则太阳能装置每天需要收集热量：

Q太阳能=Q总-Q废热=7×106KJ

按照单元面积的太阳能集热器每天能转化 8.21×103KJ 的热量计算，则太阳能集热器的实际透光面积需要为：A= Q太阳能/Q=852m2

4.1.4 集热器尺寸的计算

选择规格为 2000mm×2000mm的太阳能板集热器，则理论需要213块太阳能板集热器，考虑维保因素，实际采用220块太阳能板集热器。

4.2 干化室的设计

干化室的墙体采用保温材料，以降低热损耗

干化室内利用布料机将脱水污泥铺设成2cm厚度的薄层，以便于污泥中水分的散失，按1m3脱水污泥质量1t计，200t污泥铺设成2cm的薄层，面积为10000m2，为有效利用干化室空间，将污泥干化层分为五层，每层落差1m，则干化室设计高度为7m，干化室面积为2000 m2。干化室内还架设有检修平台，便于对干化室内供热系统和传送系统进行维护和检修。另外干化室地面开有排水槽，以便对干化室进行清理。

5 结论

（1） 城市生活污泥太阳能-废热联合干化工艺，利用废热尾气作为补给能源，弥补了因季节或天气因素导致的太阳能不足，增加了太阳能污泥干化装置的稳定性。

（2） 城市生活污泥太阳能-废热联合干化工艺，在污泥进入干化室前设置了污泥布料机，将污泥做成薄层，增大了污泥的表面积，大大提高了污泥的干化速率。

（3） 城市生活污泥太阳能-废热联合干化工艺，其干化室中传送带层与层砖混过程中设计了污泥薄层翻转装置，进一步加快了污泥的干化速率。

参考文献

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[3] Jiayin DAI， Ling CHEN， Jianfu ZHAO. Characteristics of sewage sludge and distribution of heavy metal in plants with amendment of sewage sludge. Journal of Environmental Sciences， 2006， 18（6）： 1094-1100.

[4] Sujeet K， DiPak K B. Speciation of metals in sewage sludge and sludge-amended soils. Water Air and Soil Pollution， 2004， 152： 219-232.

[5] 張峥嵘， 黄少斌. 污水处理中污泥减量化技术的研究与应用概况[J].广州环境科学， 2006， 21（3）.

[6] 侯凤云. 城市下水污泥流化床干化特性研究[D].中国科学院研究生院，2007.

作者简介：王磊（1984—），男，安徽阜阳人，硕士，助理实验师。联系人：金杰，教授，主要从事环境工程领域研究。。