国内外污泥热干燥工艺的应用进展及技术要点

摘要：介绍了国内外污泥干化设备的研究进展、常用工艺类型及其工作原理，分析了各种工艺设备的优、缺点及技术难点，归纳总结了污泥干燥设备选型和开发过程中的关键技术点。强调能耗和系统安全性是衡量污泥干燥设备的关键因素，其中能耗应从热源和干燥工艺两方面入手，采取相应的技术手段来降低热损失以提高干燥效率；对于污泥干燥设备安全性的控制，则应从降低粉尘浓度和含氧量两方面考虑。
关键词：污泥干化；污泥热干燥技术；污泥干燥器
1污泥干化设备工艺类型及工作原理
1.1热对流干燥系统
早期的直接热干燥系统是将外部热介质(热空气、燃气或蒸汽等)加热后通入干燥器与污泥直接接触，蒸发污泥中的水分并运送污泥。热介质离开干燥器后与干污泥颗粒分离，经除尘、热氧化除臭后排放。由于系统所需热风量很大，故尾气处理成本较高。目前该工艺采用了气体循环回用的设计，使尾气处理成本高这一缺陷得到明显改善。在其干燥工艺中，热介质经除尘、冷凝、水洗后，只需对15%的热介质进行热氧化除臭并排放，其余的85%可直接返回干燥器。这不仅减小了尾气处理的负担，更重要的是大大降低了外部热介质的引入量，将干燥器内的氧气含量维持在较低水平，从而大幅提高了系统的安全性能[1、2]。直接加热转鼓式干燥机是最常用的热对流干燥设备[3]，其工艺流程见图1。 

图1直接加热转鼓式干燥工艺流程
热对流干燥系统具有如下优、缺点：
①热对流工艺对污泥进行全干化时传热传质效率较高，对污泥进行半干化时能耗较高，因此该干燥系统更适于全干化工艺。
②热对流干燥系统的强扰动和机械作用对污泥颗粒的坚硬外壳具有较强的破坏能力，可使内部的潮湿污泥外露，提高热传输效率及蒸发速率。
③后续冷凝洗涤废水量大，处理费用较高。
④系统的额外能耗增加。这是由于热对流干燥系统采用的气体循环回用设计实际上是对循环载气进行反复的加热、冷凝和洗涤，致使热损失很大。
⑤该系统内部的气体流动量大，粉尘浓度高，因此安全性较低。
⑥整个系统庞大、复杂，给操作和管理带来一定的麻烦。
1.2热传导干燥系统
热传导干燥系统不存在大量工艺载气的循环，系统仅抽取相当于蒸发量的部分进行冷凝，通常采用抽取微负压方式，也有部分工艺采用少量载气的方式，因此尾气处理的负担较轻，且载气热损失也较低。目前国内外常用的热传导干燥机主要有多层台阶式干燥机、转盘式干燥机等。图2是典型的多层台阶式干燥机的工艺流程。 

图2多层台阶式干燥工艺流程
热传导干燥系统具有如下优、缺点：
①热传导工艺系统进行全干化时能耗高、效率低，更适于半干化工艺。
②无需载气或所需载气量较小，因此气体产量少，后续尾气处理费用较低。
③系统内部气体流动性小，因此粉尘浓度低，系统安全性较高。
④干燥器内部的运动部件较多，维修费用较高。
目前欧美等国家常用的干化系统主要以直接干燥转鼓式工艺、多层台阶式干化工艺、转盘式干化工艺、流化床干化工艺等为主。此外还有碟片式、带式、日光式等干化工艺，但在大型工程中的应用很少[4]。目前几种常用干化工艺的主要参数特点、主要设备供货商及应用实例见表1。
表1常用工艺的参数特点 

1.3干料返混工艺
为避免全干化过程中的污泥粘结、干燥效率低等问题，目前多采用干料返混工艺手段，该工艺具有如下特点。
①由于城市污泥干燥过程存在“胶粘相”阶段(含水率为60%左右)，在此过渡段内污泥极易结块，具有表面坚硬、难以粉碎而里面却仍是稀泥的特点，这给污泥的进一步干燥和灭菌带来较大困难。而干料返混方式可使污泥的含水率降至50%左右，使其直接越过“胶粘相”，大大减轻了污泥在干燥器内的粘结，从而提高了热传输效率及蒸发速率。
②干料返混工艺还可改善初始进料湿污泥含水率变化的敏感性。一般干燥系统在运行过程中，供热量及其相关的工艺气体量已经确定，当进料含水率变化而进料量不变时，系统内部的湿度平衡被破坏，从而引发如下问题：a.湿度增加可能导致干化不均；b.湿度减少则意味着粉尘量的增加和颗粒温度的上升，使系统安全性大大降低。而采用干料返混工艺则能够扩大可允许的湿泥波动范围。干料返混实际上就是用5～10倍的绝干物质来混合初始污泥，例如用5倍含固率为90%的干泥颗粒混合湿泥，则当湿泥的含固率为10%～20%时，混合污泥的含固率为50%～55%，可见干料返混可扩大湿泥波动范围，提高系统的安全性和稳定性。
③干料返混工艺的热损失能耗高。这是由于湿泥的含固率一般较低，致使返混比例较高，从而形成对大量干污泥载体的反复加热、冷却造成的。干料返混工艺的热损失由两个因素决定：a.返混的目标含固率。含固率越高则所需返混干泥的比例越高，形成热损失的物质总量越高；b.干燥器进口混合料和出口产品的温差。该值决定了单位质量物质的热损失幅度，由此可以计算干料返混工艺的热损失。