城市污水处理厂污泥低温对流干燥动力学特性

第27卷第4期2012年8月天津科技大学学报JournalofTianjinUniversityofScience&TechnologyVol.27No.4Aug.2012收稿日期：2012-03-11；修回日期：2012-03-21基金项目：国家自然科学基金资助项目(21106104)作者简介：谢蕴江（1986—），男，天津人，硕士研究生；通信作者：吴中华，教授，[e-mail].城市污水处理厂污泥低温对流干燥动力学特性谢蕴江，吴中华，吴龙，张晶，聂海韬(干燥与脱水技术研究所，天津科技大学机械工程学院，天津300222)摘要：针对近年来兴起的污泥低温热干化技术，采用热重实验分析方法，研究了城市污水处理厂污泥低温对流干燥动力学特性．实验发现：在低温干燥条件下(40～80,℃)，污泥降速干燥过程可分为一次降速干燥和二次降速干燥两个阶段；随热风温度降低，低干燥速率的二次降速阶段所占时间比例大幅增加，是污泥低温干燥耗时较长的原因．利用反应工程方法理论，解释了污泥低温干燥过程中产生一次和二次降速干燥阶段的原因，同时，拟合了各干燥阶段脱水机理函数．关键词：污泥；热干化；干燥动力学；热重分析；反应工程方法中图分类号：X705文献标志码：A文章编号：1672-6510(2012)04-0052-05Low-temperatureConvectiveDryingCharacteristicsofMunicipalSewageSludgeXIEYunjiang，WUZhonghua，WULong，ZHANGJing，NIEHaitao(InstituteofDryingandDewateringTechnology，CollegeofMechanicalEngineering，TianjinUniversityofScience&Technology，Tianjin300222，China)Abstract：Thethermogravimetry(TG)anddifferentialthermogravimetry(DTG)methodwasappliedtostudythelow-temperatureconvectivedryingcharacteristicsofmunicipalsewagesludge.Itwasfoundthatwhenthedryinggaswasatalowtemperatureof40-80,℃，thesludgedryingratedecreased.Thedecreasedprocesscanbedividedintotwostages.Thesecondratefallingstagehadalowerdryingrateduetothedecreaseofthedryinggastemperatureandcausedmoretime.Thereac-tionengineeringapproach(REA)hasbeenemployedtoexplainthemechanismofthetwodryingratefallingstages.Waterevaporationmechanismfunctionsinthetwostageswerealsopresented.Keywords：municipalsludge；convectivedrying；dryingcharacteristics；TG-DTG；REA随着我国污水处理设施建设速度大幅提高，城市污水厂污泥(以下简称“污泥”)产生量也与日俱增．2009年，我国产生含水率80%的污泥约2,124万吨．安全、规范化处理污泥已成为我国城市发展面临的重要挑战之一．目前，热干化正发展为一种比较有效和环保的污泥处理方式，干化后的污泥可填埋[1]、制作农用肥[2]、园林和建材利用[3]或直接焚烧[1]．然而，热干化处理污泥需要消耗大量能量．处理成本高成为制约污泥热干化广泛应用的瓶颈．因此，国内外研究者正在研究使用可持续能源或废弃能源，以降低污泥热干化的能源消耗，从而降低热干化成本．近年来发展的利用太阳能热干化污泥的方法如太阳能温室[4-5]、太阳能热泵[6]干燥，以及利用工厂低品位废烟气[7]、蒸汽和热水[8]干燥污泥等已取得部分成功，正获得越来越多的关注．例如：2007年，Kamil等[5]在土耳其布尔萨市建立了太阳能污泥干化温室中试装置，将污泥含固量由20%提高到35%．采用该技术改造现有石灰干化工艺，每天该市总产污泥438吨，污水处理厂每年节省污泥处置费用185万欧元、石灰1.1万吨，投资回报期4年．利用可持续能源或低品位废热干燥污泥属于低温干燥范畴．污泥低温干燥具有以下优点：(1)低温2012年8月谢蕴江，等：城市污水处理厂污泥低温对流干燥动力学特性·53·可以有效避免带臭味的有机物挥发，从而减低尾气处理系统负荷．资料[9]表明，污泥中链状烷烃类和芳香烃类的挥发温度在100～300,℃；含氮化合物类的挥发温度主要在200～300,℃；醛类和苯胺的挥发温度在150,℃；脂类的挥发温度在150～250,℃．因此，干燥温度在100,℃以下的低温干燥过程，污泥中有机成分挥发少．(2)低温可以降低污泥干燥过程爆炸的危险．污泥热干化过程易形成粉尘，而作为干燥介质的空气含有氧气，因此存在爆炸危险．低温干化降低了可能点火源的点火能量，从而避免了爆炸危险，因而节省了在高温干化工艺中所需的防爆监控设备，如氮气保护装置，降低干化工艺设备的投资成本.但低温干燥也具有一个明显缺点，即干燥时间长．以太阳能热泵干燥为例，热泵出风温度(干燥温度)为40～80,℃，污泥干燥时间长达几十分钟甚至几个小时[6]．而在太阳能污泥干化温室内，由于温室内气温仅比外界高11,℃左右；将污泥含固量由20%提高到35%，在夏天需要15,d，在冬天则需要30,d[5]．目前，对污泥高温干燥、热解及燃烧特性的研究较多[10–11]，但对在低温下污泥干燥过程的研究较少，相关工程设计也缺乏实验数据和理论支持．考虑到污泥低温干燥已成为一种新兴热干化技术，本文拟对城市污水厂污泥进行低温条件下的热风对流干燥实验研究，获得污泥低温干燥动力学特性，并对干燥过程进行脱水机理分析，从而更深入地了解污泥低温热干化过程，为优化污泥低温热干化过程、降低干化时间和提高干化效率提供理论支持．1材料与方法1.1材料实验污泥取自天津市纪庄子污水厂经消化、机械脱水处理后的污泥，其主要成分：有机质含量为52%，氮、磷、钾的含量分别为2.84%、2.71%、1.17%[12]．污泥含水量采用标准烘干法测量，即采用DL–101–3B型电热恒温干燥箱(天津市中环实验电炉有限公司)105,℃干燥若干组污泥样品至绝干污泥，测得污泥平均含水率为80%．1.2方法采用美国TA公司的TGA/SDTQ600热重分析仪进行污泥热风对流干燥试验．实验时，称取一定质量(20,mg左右)的新鲜污泥样品，装入空坩埚，置于氮气气氛(纯度99.999%)下的热重分析仪室中，载气流量为100,mL/min．升温速率为100,℃/min，当温度升至指定值时(40、50、60、70、80,℃)，保持该温度100,min至实验结束．污泥等温干燥热重实验结束时，对应各温度工况，都可得到TG和DTG曲线．根据污泥样品的TG和DTG曲线和相关数据，可进行干燥动力学特性分析．首先定义两个参数：污泥样品干基含水量(kg/kg)为00mmXm−=(1)式中：m为干燥样品质量；m0为污泥样品在实验温度条件下干燥失重后达到恒定不变的质量，即达到对应热风温度下的“平衡干燥状态”．污泥样品干燥速率(kg/(kg·min))为0dd/ddXmttm−=−(2)利用式(1)和式(2)，可将热重实验所得的TG和DTG曲线转换为干燥过程的干燥和干燥速率曲线．2实验结果与讨论2.1污泥低温对流干燥过程图1为污泥在不同热风温度下对流干燥过程的干燥和干燥速率曲线．图1污泥低温对流干燥过程的干燥和干燥速率曲线Fig.1Dryinganddryingratecurvesofthelowtempera-tureconvectivedryingofsludge从图1的干燥曲线可以看出，污泥从初始80%含水率干燥到最终平衡所需时间，随热风温度下降而急剧增加．在热风温度80,℃时，污泥样品20,min达到干燥平衡状态；而在热风温度40,℃时，污泥样品干燥时间为70,min，干燥时间增加2倍以上．物料干燥时间取决于各种因素，包括物料特性、样品尺寸大小、干燥方式和操作条件．本实验表明，热风温度是污泥低温对流干燥过程重要影响参数之一．·54·天津科技大学学报第27卷第4期从图1干燥速率曲线可以看出，整个污泥干燥过程可分为2个阶段：(1)在干燥速率上升阶段(0～3,min)，污泥从热风吸收热量用于自身升温，同时，伴随着污泥温度升高，水分蒸发速率(即干燥速率)增加．当污泥温度接近热风温度时，干燥速率达到最大值．污泥干燥速度最大值随热风温度升高而增大．热风温度80,℃时的污泥干燥速率最大值为0.56,kg/(kg⋅min)，而热风温度40,℃时的最大值为0.06,kg/(kg⋅min)．(2)在降速干燥阶段(3,min～结束)，污泥干燥速率由最大值逐渐降低．在上述两个干燥阶段中，升速干燥阶段所占时间短，污泥主体干燥阶段为降速干燥．图1表明，本实验条件下污泥干燥没有恒速干燥阶段，与文献[1]报道的污水处理厂经过化学调质的污泥没有恒速干燥阶段结果相符合．图2为不同热风温度下污泥低温对流干燥动力学曲线．从图2可以看出，在同一含水量下，污泥干燥速率随热风温度升高而增大．另外，污泥降速干燥阶段可进一步分成2个阶段，即降速干燥阶段Ⅰ和Ⅱ：在降速干燥阶段Ⅰ，污泥干燥速率下降较快；而在降速阶段Ⅱ，干燥速率下降趋势较平缓．与降速阶段Ⅰ相比，降速阶段Ⅱ的干燥脱水速率明显减小．降速阶段Ⅰ和Ⅱ之间的分界点——拐点(Xc)，其位置随热风温度升高而向低含水量方向移动．在热风温度80,℃时，拐点位置为干基含水量1.549,kg/kg．而在热风温度40,℃时，拐点位置为干基含水量3.296,kg/kg，并且整个污泥干燥过程主要处于低干燥速率的降速干燥阶段Ⅱ，因而干燥时间长(70,min)．图2污泥低温对流干燥动力学曲线Fig.2Dryingkineticscurvesofthelowtemperaturecon-vectivedryingprocessofsludge图3为污泥在中温(100～160,℃)的干燥动力学曲线．由图3可知，在中温干燥条件下，污泥只有一个降速段，没有图2中明显的拐点出现．比较图2和图3可知，污泥低温干燥具有一个明显特征，即降速干燥过程分降速阶段Ⅰ和Ⅱ．2.2节详细讨论了降速阶段Ⅰ和Ⅱ的干燥机理，以及拐点存在的原因．图3污泥中温对流干燥动力学曲线Fig.3Dryingkineticscurvesofthemiddletemperatureconvectivedryingofsludge采用1,stOpt软件对干燥动力学曲线对应的数据进行非线性拟合以及残差分析，可得到图4所示的等温条件下干燥速率与拟合曲线(以60,℃为例)．可得到在2个降速阶段的干燥脱水速率函数以及相应的特性参数(见表1)．本文采用的拟合函数为()()ccddln()nKXXXXytabXcXX⎧⋅⎪=−=⎨+⋅+⎪⎩＞＜(3)图4污泥60,℃时等温条件下干燥速率与拟合曲线Fig.4Dryingrateandfittingcurvesofsludgeunderdryingtemperatureof60,℃2.2污泥低温对流干燥过程的理论分析1997年，反应工程方法(thereactionengineeringapproach，REA)理论由澳洲蒙纳什大学Chen等[13]提出，近年来在分析物料干燥过程得到广泛应用．REA理论将干燥过程看成一个化学反应过程，并引入活化能概念．REA理论将干燥脱水速率表达为()vmv,satsv,bssdexpdE