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(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074)

0 引言

傳統(tǒng)干燥設(shè)備具有干燥溫度低、設(shè)備密閉性好、保質(zhì)及不破壞物料固有性能的優(yōu)點(diǎn)，在石油化工、食品、醫(yī)藥、染料等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的干燥設(shè)備，加熱是由夾套完成，軸上的耙齒在軸旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)物料起到攪拌和破碎的作用，在干燥設(shè)備內(nèi)設(shè)置耙齒以攪拌被干燥物料，使物料在耙齒的翻動(dòng)下，與干燥器的傳熱壁面或熱載體接觸，加快傳熱速度和濕分蒸發(fā)，達(dá)到干燥目的。由于殼體夾套是加熱面，物料與夾套加熱面接觸，達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的，適用于松散物料的干燥[2]。

污泥是污水處理過(guò)程中的副產(chǎn)物，含水率高達(dá)95%～98%，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的機(jī)械脫水方式出泥含水率在80%左右，由于污泥含水率高，導(dǎo)致了污泥堆放占地面積大，運(yùn)輸成本高[3-4]。本文在傳統(tǒng)干燥設(shè)備的基礎(chǔ)上研發(fā)了一種干燥效率高、出泥含水率低的新型污泥干燥裝置，旨在達(dá)到減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化的環(huán)保處理原則，并可在后續(xù)實(shí)現(xiàn)資源化利用[5-6]。

1 新型污泥干燥設(shè)備的工作原理

新型的污泥干燥設(shè)備的原理是，被干燥物料經(jīng)由筒體上方的對(duì)輥擠條機(jī)均勻落入筒體內(nèi)部，同時(shí)，特制噴嘴以1～2 Ma速度噴出的過(guò)熱空氣，與物料顆粒正面碰撞，在高溫作用及高速所產(chǎn)生的沖量作用下將物料中所吸附或包含的水分蒸出。接著，物料在被轉(zhuǎn)動(dòng)耙齒的攪拌輸送的過(guò)程中，再與通入的熱煙氣充分混合，使物料中的水分進(jìn)一步排出。在筒體的另一端上方，干化后的氣固兩相混合物進(jìn)入除塵設(shè)備中進(jìn)行氣固分離，可以自然沉降的干灰從筒體底部直接搜集外運(yùn)。污泥干燥系統(tǒng)圖如圖1。

2 污泥干燥設(shè)備的研制開(kāi)發(fā)

常規(guī)干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)上存在著諸多問(wèn)題，一般情況下，軸和耙齒均沒(méi)有內(nèi)部加熱結(jié)構(gòu)[7]。有的盡管采用了空心軸和空心耙齒，但由于流體流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，干燥效率較低，直接制約了設(shè)備的規(guī)模化、大型化；其次，干燥設(shè)備通常是間歇作業(yè)，限制了其處理量[8]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，研制開(kāi)發(fā)出高效連續(xù)生產(chǎn)的污泥干燥設(shè)備。新型污泥干燥設(shè)備示意圖如圖2。

2.1 型式與結(jié)構(gòu)

圖4 耙齒示意圖

圖3 噴射嘴示意圖

污泥干燥系統(tǒng)的主要設(shè)備是污泥干燥設(shè)備，以圖2為例介紹干燥設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)。干燥設(shè)備的筒體(序號(hào)7)，從制造及耐壓方面考慮，采用圓筒形。進(jìn)料口(序號(hào)9)處由對(duì)輥擠條機(jī)落下待處理物料，與此同時(shí)，噴射嘴(序號(hào)10)噴射出的過(guò)熱空氣瞬間氣化物料中的水分，噴射嘴示意圖如圖3。通過(guò)調(diào)整噴射孔的尺寸與加工工藝，達(dá)到所需要的射流速度和品質(zhì)。傳動(dòng)裝置(序號(hào)1、3)帶動(dòng)攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌軸上的耙齒帶動(dòng)物料翻轉(zhuǎn)，可使物料作軸向移動(dòng)。耙齒固定在中心軸上，與軸線夾角為15°左右，葉片方向朝左，為防止物料堆積在筒體左側(cè)，最后一組葉片朝右。葉片的形式如圖4，其優(yōu)點(diǎn)是被翻起的物料多，可以充分與熱煙氣進(jìn)行二次熱交換。

2.2 傳熱

污泥干燥設(shè)備的熱源主要是高速噴射的過(guò)熱空氣和熱煙氣。過(guò)熱空氣由過(guò)熱爐產(chǎn)生，熱煙氣是過(guò)熱爐運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高溫廢氣。

2.3 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速和攪拌效果直接有關(guān)，同時(shí)對(duì)干燥速度產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。一般轉(zhuǎn)速提高，干燥速度也加快，但過(guò)高的話，將引起物料與漿葉同步旋轉(zhuǎn)，粉塵飛揚(yáng)也嚴(yán)重。轉(zhuǎn)速提高，動(dòng)力消耗增大。通常取最佳轉(zhuǎn)速為15～25 r/min。

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

以處理污泥為例，對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行質(zhì)能衡算。

污泥處理量：M=2500 kg/h

初始污泥含水率：W1=40%

初始污泥含固量：W2=60%

環(huán)境溫度：T=20℃

過(guò)熱空氣溫度：T1=550℃

熱煙氣進(jìn)口溫度：T2=300℃

干燥設(shè)備出口溫度：T3=250℃

水的沸點(diǎn)：100℃

水的比熱：C1=4.186 kJ/kg·℃

過(guò)熱蒸汽比熱：C2=2.1 kJ/kg·℃

灰的比熱：C3=0.8 kJ/kg·℃

過(guò)熱空氣比熱：C4=1.35 kJ/kg·℃

煙氣的比熱：C5=1.122 kJ/kg·℃

水的氣化潛熱：h=2258.4 kJ/kg

過(guò)熱空氣的質(zhì)量流量：M4

煙氣的質(zhì)量流量：M5=10000 kg/h

3.2 物料衡算

進(jìn)入干燥設(shè)備的污泥中水的含量為：

M1=M×W1=2500×40%=1000 kg/h

進(jìn)入干燥設(shè)備的污泥中灰的含量為：

M2=M×W2=2500×60%=1500 kg/h

3.3 熱量衡算

干燥設(shè)備出口污泥含水率為5%，則蒸發(fā)的水量為：

M3=M-M2/(1-5%)=921 kg/h

則干燥設(shè)備內(nèi)的污泥吸收的熱量為：

Q=C1×M3×(100-T)+h×M3+C2×M3×(T3-100)+C3×M2×(T3-T)=2954526 kJ/h

此熱量應(yīng)為過(guò)熱空氣和熱煙氣在干燥設(shè)備內(nèi)交換的熱量Q1：

Q1=C4×M4×(T1-T3)+C5×M5×(T2-T3)

由此得出，過(guò)熱空氣的供應(yīng)量至少應(yīng)為：M4=5910 kg/h。

3.4 干燥筒體尺寸估算

經(jīng)過(guò)噴射后，原料污泥中含水率可以降低到15%，該含水率下污泥的密度ρ=1300 kg/m3，噴射后污泥體積流量V為：

物料在筒體內(nèi)停留時(shí)間t=1 h，一般筒體直徑d=1.5 m，為了使物料與熱煙氣混合充分，取填充率為20%，則筒體長(zhǎng)度L為：

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用高速噴射的原理研發(fā)了一種新型的污泥干燥設(shè)備，干燥效率高，出泥含水率可低至5%，沒(méi)有污染隱患，干燥系統(tǒng)配套簡(jiǎn)單，解決了傳統(tǒng)污泥脫水設(shè)備不能連續(xù)生產(chǎn)、出泥含水率高的問(wèn)題，達(dá)到了減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化的環(huán)保處理要求。