用于市政污泥干化的干燥机选型及设计计算

许 杰 姜厚春

（北京航天石化技术装备工程有限公司）

随着我国城市化的不断发展，污水产量逐年增加， 污水处理厂建设数量和规模逐渐加大，导致污水处理厂产生的污泥量也成倍增加。 因此，我国对市政污泥的资源化、减量化和无害化处理的需求越加紧迫。 目前，国内外已开展较多污泥后处理研究，例如污泥炭化、热解及协同焚烧等工艺，但这些技术基于工艺需求都要求待处理污泥含水率在30%左右。根据GB/T 24188—2009《城镇污水处理厂污泥泥质》的规定，污水处理厂产生的污泥含水率约80%即可达标。因此，对污水处理厂产生的污泥进行干化处理，将污泥含水率降低到30%，对污泥后处理工艺具有关键性的作用。

1 市政污泥干燥特性

一般市政污水处理厂出来的不经任何处理的生活污泥，其含水率高达99%以上，经过机械压滤脱水后含水率可降至80%左右， 为固体或流体状物质，其中固体成分含有有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体及絮凝剂等，元素主要以有机成分为主， 还包含一些具有潜在利用价值的有机质、N、P、K和微量元素。污泥中的水分主要以自由水（或间隙水）和毛细结合水两种形式存在。

市政污泥较工业污泥粘性更大，在干化过程中形态会发生变化。 随着含水率的降低，市政污泥粘度直线上升，当干燥到一定程度后污泥将进入粘滞区［1］，经研究表明粘滞区的污泥含水率在50%～60%范围内， 呈内部含水而外部干化的状态，此时对污泥继续进行干化，干化效率极低。 因此，不同于常规普通物料的干燥，正确选择合理的与市政污泥特性匹配的干燥机，直接决定了污泥干化效果能否实现，甚至决定干化设备能否正常运转。

2 干燥机选型

2.1 带式干燥机

带式干燥机采用一定量的热风， 垂直通过由12～60目不锈钢丝网构成的传送带，对传送带上平铺的湿物料进行传热和传质的交换， 以实现物料的干燥。 其中， 传送带通过传动装置实现缓慢移动， 通过传动装置调速以实现不同物料对不同干燥时间的需求。 带式干燥机是一种批量生产的连续式干燥设备，主要用于透气性较好的片状、条状和颗粒状物料（如小块或纤维质物料）的干燥。

2.2 转筒式干燥器

转筒式干燥器（图1）广泛应用于冶金、粮食及糖类等行业［2］中的粒状、块状或片状物料的干燥。 该干燥器利用蒸汽、烟气等热源，采用直接接触或间接加热方式对物料进行加热以蒸发出内部水分从而达到干燥的效果。 物料由干燥机高端进入加料装置， 并由加料装置进入转筒内部，转筒按一定转速转动，使物料在筒体内部一边被加热干燥一边向出料口移动。 物料在筒体内部的加热时间可通过调整转筒转速来实现，以达到理想的干燥效果，并被顺利排出。

图1 转筒式干燥器结构示意图

2.3 流化床干燥器

流化床干燥器（图2）主要利用热气对散装物料进行流化，使气体与物料颗粒充分接触，促使颗粒与气体间实现热传递和水分传递，从而使物料干化，干化后的物料颗粒由底部排出，混合一定蒸汽的气体由干燥器上部排出。 流化床干燥器的优点为干燥时间可随意调节，压降小，物料与热源接触面积大且接触充分，物料干化后颗粒性强，但也存在某些湿物料返混和未经干燥的物料直接进入出料口排出，导致排料口处物料颗粒含水率不均。 目前，该设备主要用于处理粮食、金属粉等散粒状物料，或用于悬浮液、溶液等流动性物料的干燥，在褐煤干燥中也有应用［3］。

图2 流化床干燥器结构示意图

2.4 立式多盘干燥机

立式多盘干燥机 （图3） 是一种间接干燥设备，其干燥热源主要为饱和蒸汽、导热油或其他一些热媒介质，热源通入设备夹套和热盘中对物料进行加热，从而达到蒸发水分实现物料干燥的目的。 该设备的工作原理为：通过传动装置转动转轴，并带动轴上连接耙叶做回转运动，转动的耙叶拨动分布在圆盘上的物料，使需要干燥的物料沿着加热盘的内缘或外缘逐层做螺旋交替运动，由此进行干燥，同时脱除的湿蒸汽由风机抽出。 该设备的优势为可以缩短干燥介质与热源分离的过程，蒸发水分可直接采用冷凝方式；但存在热效率低、热介质用量大的缺点，若干燥物料成粘性或膏状，则易出现粘壁现象，从而造成处理量小的问题。

图3 立式多盘干燥机结构示意图

2.5 卧式桨叶式干燥机

卧式桨叶式干燥机（图4）采用的是间接加热方式，主要由桨叶轴、轴上桨叶片、带夹套W壳体［4］、传动装置、旋转接头及壳体支撑基座等组成，其中桨叶轴一般有单轴、双轴和四轴结构。 干燥热源一般采用蒸汽或导热油等高温介质，在壳体夹套、桨叶轴内腔和中空桨叶片中流动。 以双轴结构的桨叶轴为例，卧式桨叶式干燥机的工作原理为：湿物料由进料口进入干燥机内部，与高温壳体、轴和桨叶片接触发生热交换，双轴结构的桨叶轴由传动装置驱动做相向或相对转动，在转动过程中，两轴上叶片相互交错啮合，对湿物料进行推动、破碎、挤压和拌混。 卧式桨叶式干燥机的主要优点为设备结构紧凑，占地面积和空间都相对较小；通过轴上桨叶对物料搅拌、混合使物料剧烈翻动，可获得较高的传热系数，并对粘性物料具有一定的剪切、挤压和破碎作用，可实现干燥过程中的交替挤压和松弛，从而强化干燥效果，同时还具有自清洁功能，该设备尤其对于膏状、浆状物料的干化具有明显适用优势。 此外，通过调节传动装置频率，调整桨叶轴转速，可以适应干燥物料在设备内停留时间的要求。

图4 卧式桨叶式干燥机结构示意图

根据上述对各类干燥设备优缺点及干燥物料适用性的分析， 并结合污泥干化过程中的特性，为提高市政污泥脱水干化效率，避免在干化过程中出现粘滞现象从而带来的不利影响，推荐选用卧式桨叶式干燥机。 在此，笔者对污泥处理量为100 t/d的卧式桨叶式干燥机进行设计计算。

3 卧式桨叶式干燥机设计计算

卧式桨叶式干燥机的设计条件如下：

污泥处理量 100 t/d

初始含水率 80%

目标含水率 30%

热源 1 MPa饱和蒸汽

饱和蒸汽汽化潜热γst2 014.8 kJ/kg

饱和温度Tst180 ℃

出口温度Two110 ℃

饱和蒸汽进入壳体和桨叶区，利用热传导加热方式对污泥进行干化。

市政污泥物性参数如下：

堆积密度ρ 980 kg/m3

干基比热Cp干0.84 kJ/（kg·℃）

污泥进口温度T120 ℃

污泥出口温度T260 ℃

3.1 单位时间水分蒸发量W1

单位时间湿物料的处理量G1=100000/24=4167 kg/h； 单位时间水分的蒸发量W1=4167×［（80%-30%）/（100%-30%）］=2976 kg/h； 单位时间干基污泥量Gg=4167×（100%-80%）=833.4 kg/h；单位时间污泥产量Gc=4167-2976=1191 kg/h。

3.2 干燥所需热量Qz

市政污泥干燥所需热量Qz主要包括污泥中水分蒸发所需热量Q1、污泥升温带走热量Q2、干燥空气带走热量Q3和设备散热量Q4共4部分。

假定污泥中水分被加热至60 ℃后蒸发，此时水分蒸发汽化潜热γws=2354.9 kJ/kg，则Q1、Q2的计算值为：

其中，Cpw为水比热容。

由于主要热源为饱和蒸汽，空气流动仅用于带走蒸发出的水分，停留时间较短，故由此假定Q3=0。 设备散热量Q4取总热量Qz的8%。 则计算得到污泥干化所需热量Qz为：

3.3 间接传热面积A

对数平均温差Δt的计算值为：

本算例中，取热传导性搅拌叶片和夹套壳体表面的平均传热系数α=135 W/（m2·℃）， 则计算得到间接传热面积A为：

3.4 饱和蒸汽量Wst

饱和蒸汽量Wst的计算值如下：

通过间接传热面积A对卧式桨叶式干燥机进行选型， 选型时需要考虑10%～20%的面积余量。通过间接传热面积A及卧式桨叶式干燥机已有的成熟型号可以确定，100 t/d污泥处理量下宜选两台310 m2的干燥机，能满足干化效果的要求。

4 结束语

针对市政污泥干燥过程中由于物性变化而出现的粘滞区这一特殊现象，卧式桨叶式干燥机是目前市场上最适合的干化设备，其特点如下：

a. 卧式桨叶式干燥机具备特殊的自清洁功能，可有效破坏污泥粘滞结团现象，防止设备局部堵塞，降低设备运行功耗。 它利用自身多轴、桨叶交错重叠的结构特点，在运行过程中充分利用轴间互相啮合的桨叶片，通过轴旋转对污泥进行不停的剪切、翻滚、搅拌，使污泥在干化过程中处于不停的成型-破坏-再成型状态，有效避免了由于污泥结团而导致的设备功耗陡增甚至无法正常运行的不利工况。

b. 卧式桨叶式干燥机具有换热面积利用率高的特点。 它可以将壳体夹套、桨叶和中心轴表面都设置为传热面，对膏状污泥实现内、外包裹性传热，将传热面积利用最大化，有效提高传热效率。

c. 卧式桨叶式干燥机停留时间可调且较长，能够保证理想的干化效果。 它采用可调式驱动方式，可实现在线实时调整转速、进料速度及干燥温度等，最长停留时间可达2 h以上，有利于脱水率跨度大的污泥达到出料要求。

虽然卧式桨叶式干燥机在国内外污泥干化市场获得推荐，认可度较高且已有使用，但也存在单台设备处理量低、污泥易在设备内沉积无法排净等缺陷。

近年来，国外又开发出一种新型针对污泥干化的薄层干燥机， 可极大地提高设备传热效率，且脱水率高，但由于设备造价高，目前我国使用的较少，但可作为污泥干化设备后续优化选型时的备选项。