污泥过热蒸汽与热风干燥收缩特性研究

摘要

随着我国工业化与城镇化步伐不断加快，污水处理厂与污泥产量迅猛增加。污泥中含有大量的病原微生物、挥发物质以及重金属等有毒有害物质，若不对其进行合理地处理处置，必然会对动植物及人类的生存产生危害。污泥的显著特点是高含水率，降低其含水率是污泥处理处置的前提，也是关键。热干燥作为降低含水率的重要途径之一，广泛应用于污泥的减容减量化处理过程。
　　污泥干燥是一个复杂的传热传质过程，干燥过程中污泥会产生收缩，而收缩会对其传热传质过程产生重要的影响，为此搭建了污泥过热蒸汽与热风干燥试验台对其收缩特性进行对比试验研究。整个试验台主要由蒸汽发生装置、加热装置、干燥箱、温度控制系统、数据采集系统、图像采集装置、高压风机等部分组成，根据试验要求，完成了相关部分的设计及设备的选型，总体结构紧凑、操作方便。
　　现有干燥模型大多忽略干燥过程中物料的收缩，并将有限规则的物料看作无限尺寸的物体进行简化，在有效扩散系数等干燥参数的计算过程中，这可能导致错误的结果。本文采用叠加技术，建立了基于无限大平板和无限长圆柱体叠加而成的有限圆平板在考虑收缩情况下的 Fick第二定律湿分扩散模型，并结合Henderson和 Pabis模型推导出计算有效扩散系数的表达式。
　　根据前期初步试验与试验装置结构尺寸，确定试验样品直径为50mm、厚度为10mm，试验温度分别为160与200℃，进行了污泥过热蒸汽与热风干燥试验。利用图像处理技术分析干燥过程污泥收缩现象及特性，运用推导出的有效扩散系数表达式计算污泥的有效扩散系数。结果表明：污泥在干燥过程中存在明显的收缩现象，前段干燥收缩幅度大，后段干燥收缩幅度小，收缩变化规律与水分变化规律一致。160、200℃污泥过热蒸汽与热风干燥终了时刻体积比约为0.3，体积收缩系数为0.7。过热蒸汽干燥和热风干燥对污泥的收缩影响一致。160、200℃污泥过热蒸汽与热风干燥有效扩散系数的变化与水分比的变化相对应。在考虑污泥收缩的条件下，160、200℃污泥过热蒸汽干燥平均有效扩散系数分别为1.92×10-8和3.75×10-8 m2/s，热风干燥平均有效扩散系数分别为0.94×10-8和1.31×10-8 m2/s。考虑收缩条件下污泥平均有效扩散系数值约为不考虑收缩条件的1/2。本文试验结果为分析污泥干燥过程机理、优化工艺参数和开发干燥设备提供参考。