太阳能干燥污泥的研究(2)

世界上最早将热干燥技术用于污泥处理的是英国Ｂｒａｄｆｏｒｄ公司”’。１９ＩＯ年，该公司首次开发了转窑式污泥千化机并将其应用于污泥干化实践。１９１５年，这套技术得到了Ｈｕｄｄｅｒｓｆｉｅｌｄ的采用”１．几年后，美国电开发出类似的污泥干化机械。到了３０年代，闪蒸式干燥机”’，带式干燥机”’分别在美英两国污水处理行业中出现，到了六七十年代，污泥热干燥技术逐步得到了完善。但由于污泥干化的设想是将干污泥作为能源应用于农田，园艺及森林给养，同时由于污泥热干燥技术与其他技术相比，成本较高，管理也较复杂，因此该技术一直没有得到很好的推广。

进入８０年代末期，由于污泥在填埋、投海、农用上的各种限制条件和不利因素的突显，也由于该项技术在瑞典等国家的一些污水厂的成功应用”１，使污泥于化技术在西方发达国家得以推广，例如欧盟在８０年代初只有数家污水处理厂采用污泥热干燥设备处理污泥，但到了１９９４年底已有１１０家污泥热干燥处理厂，并且预计此后短短数年中污泥热干燥处理厂将增加到目前１０倍以上…’。由于污泥热干燥技术的改进、应用和推广，大大加速了工业发达国家污泥处理手段的改变，主要体现在；污泥填埋处置前的干燥处理；污泥焚烧处置比例的提高；干污泥作为农业有机月巴料的利用等。

目前国外主要采用干燥机械处理污泥。按照热介质与污泥的接触方式，干燥机械可分为直接干化、间接干化和直接一间接联合式干化等工艺类型”１。直接干化的实质是对流干燥，即将燃烧室产生的热气与污泥直接接触混合，加热污泥使其中水分得以蒸发而最终得到干污泥产品。闪蒸式干燥器、转筒式干燥器、带式干燥器、喷淋式干燥器、螺旋式干燥器等都属于这种类型；而间接干燥实质上是传导干燥，即将燃烧炉产生的热气通过蒸汽和热油介质加热器壁，热量再通过器壁传递给湿污泥从而使其中水分得以蒸发而除去。如薄膜干燥器以及各种转盘／桨板干燥器等。直接一间接联合式干燥系统是对流一传导技术的结合，如ｖｏ咖设计的高速薄膜干燥器““，Ｓｕｌｚｅｒ“”开发的新型流化床干燥器以及Ｅｎｖｉｒｅｘ“”推出的带式干燥器都是采用这种加热方式。以上干燥器中，闪蒸式干燥器是目前应用最广的一种““，上述干燥器均可将污泥含水率处理到１０％以下。４

第一章绪论

近十年来我国城市污水处理事业发展迅速，而污水污泥的处理与处置起步较晚，与国外先进技术相比存在很大差距。目前全国每年排放干污泥约３０万吨，湿污泥５００万吨以上，大量未经稳定化、无害化处理的污泥得不到合理利用，己成为污水处理厂的沉重负担，同时产生了严重的二次污染，是一个应该引起广泛关注的问题。我国是发展中国家，又是一个农业大国，无论从经济因素，还是从肥效利用因素出发．污泥堆肥处理将是一种符合我国国情的处黄方法。堆肥处理要求污泥含水率保持在６０％以下，而实际上无论是一沉泥，还是二沉剩余泥含水量都高达９７％左右，即使经加药，机械脱水后含水率也只可降至８０％左右。为方便运输、存放及加工利用，必须对初步脱水后的污泥进行进一步的干燥，以减少污泥容积，以减少运输管理费用，并为下一步再利用（如做燃料，建材等）创造条件。因此污泥的脱水处理十分必要。我国目前污泥处理主要采用自然脱水。即利用污泥千化厂对污泥进行自然晾晒，此法占地面积大，二次污染严重，且受季节、气候影响较大，效率较低。相比于传统的污泥干燥机械投资高、耗能大、运行费用高等缺点，从节能角度出发，考虑到太阳能是一种无需付费的清洁能源，近年来已在许多领域得到了广泛应用，其技术己相对成熟，我国也曾建成多座太阳能干燥农作物，中草药的装置。利用太阳能干燥污泥在德国已有实际应用““。此外日本也有用太阳能干燥污泥并将其用于农业ｆｌ勺实际应用【ｌ“。而国内关于太阳能干燥污泥的研究与应用还较鲜见。太阳能干燥有以下优点：

１干净卫生，对物料和环境无污染；

２太阳能取之不尽，不存在能源枯竭问题；

３太阳能处处皆有，无需开采和运输；

４干燥过程消耗常规能源少，操作费用低。

然而，有效的利用太阳能进行干燥并非易事，太阳能干燥存在以下不足：

１分散性大，热值低。太阳常数为１３５３Ｗ／ｍ２，在天气较为晴朗的情况下，中午垂

直投射于ｌｍ２面积上的太阳能最多在１ＫＷ左右，阴雨天更低，若干燥器生产量大，就需要较大面积的集热器，占地面积大，设备投资费用高。

２温升小，干燥速度低。完全依靠太阳能，干燥介质（热空气）温升低，仅能使

空气温度上升至４０℃～７０４Ｃ。因此一般情况下，太阳能干燥仅用于低温干燥。３间歇性和不稳定性。太阳辐射强度受纬度、季节、天气和时问的影响大。低纬

度地区太阳辐射高，高纬度地区太阳辐射低，冬季及阴雨天气太阳辐射强度很弱。一天中不同时间，太阳辐射强度不断变化，由此造成干燥介质温度不稳定，干燥过程控制困难。

４干燥效率低。太阳能集热嚣热效率一般在６０％～８０％之间，干燥装置系统效率为２０％～４０％。

第一章绪论

太阳能干燥污泥在德国已有实际应用。德国南部的污水处理厂Ｉｓ’ｒＡｎｌａｇｅｎｂａｕＢｍｂＨ采用太阳能辐射式干燥器处理污泥，干燥室内传送带上的污泥直接接受透过透明覆盖面的有效太阳辐射，从而温度升高，其中水分得以蒸发扩散到周围空气中而达到干燥污泥目的，吸收了水分的湿空气通过自然循环或通风机排出室外。整个干燥过程采用ＰＬＣ控制系统，整个干燥设备占地面积４３２ｍ２。处理污泥量大（年平均蒸发水分７００ｋｇ／ｍ＊～８００ｋｇ／ｍ２），运行费用低（去除一吨水分仅耗电２５度），无需昂贵的处理设备。就我国耳前城市污水处理厂地的现状，利用太阳能干燥污泥是较为有效的方法，鉴于太阳能干燥存在一Ｉ－述不足之处，本实验以煤气热水器模拟污泥厌氧消化过程中产生的沼气作为辅助热源以加强干燥过程，缩短干燥周期，降低风机耗能，提高干燥效率。

§１．３研究内容和意义

太阳能干燥污泥可节省常规能源，且对环境无污染，与以往以电或煤作为热源进行干燥相比，节约了大量的常规能源，有利于能源的综合利用。

本文拟采用一台小型混合型太阳能干燥器对污泥进行不同季节的太阳能干燥。将其含水率降到６０％以下。实验过程中以煤气热水器代替污水处理过程中产生的沼气作为辅助热源，可适应不同天气条件，不同季节的干燥作业，有利于能源的综合利用，对以后太阳能干燥污泥的工业化应用有一定的理论价值。研究工作包括以下几个方面；

ｌ实验装置的研制和系统的热性能测试。

３以天津纪庄予污水处理厂机械脱水后含水率在８０％左右的污泥作为干燥对象，太阳能为主要热源，进行污泥的干燥特性实验，获得有关干燥特性的数据。

４根据实验数据及污泥干燥曲线分析各种因素对干燥过程的影响。

５建立合理的数学模型，进行理论分析，得出污泥的干燥特性方程，估算各工况下污泥的平均干燥速率。

第二章太阳能干燥系统的数学模型

太阳能干燥是直接或间接利用太阳能脱去多孔介质中水分的复杂过程，它是太阳能热利用技术和干燥学结合的产物。它的复杂性表现在物料的干燥过程不仅要受外界的各种气象条件、太阳运动规律、干燥设备所处的地理位置以及其本身与太阳之间的相对位置等因素的影响，而且还与干燥介质的温度，速度及湿度有关，为使理论计算有一定的依据，在参考有关文献“””””的基础上，从能量守恒、质量守恒定律出发，建立实际反映太阳能干燥系统的数学模型。其中体现出了干燥介质的温度，速度及湿度对干燥过程的影响，整个太阳能干燥的数学模型包括太阳辐射模型，物料干燥模型，系统内干燥介质模型，分别表述如下。

§２．１太阳辐射的计算模型

太阳能干燥装置的设计及模拟计算离不开太阳辐射强度的计算。因而必须掌握太阳辐射的规律，即到达接收表面的太阳辐射强度的变化规律，太阳辐射强度的大小，日地相对位置，日地距离，太阳运动规律以及受热表面所处地理位置和放置角度。我国地处北半球，常规受热面均为正南放置，因而太阳瞬时辐射与受热面的几何关系如图２一ｌ所示，各符号意义如下：

、

Ｓｕｎ一太阳光的入射方向ｌ－ｔｓ一太阳高度角

拉一太阳方位角

０一受热面与水平面夹角

口一阳光对受热表面的入射角

各参数关系如下；人、影１

（２．１）ｓｕｎＯｕｔｈ＆，胁＝彤胛驴×Ｓｉｎ６＋ＣｏｓｑＤ×Ｃｏｓ６×ＣｏｓｃｏＣｏｓｙｓ２（ＳｉｎＨｓ×跏妒一ＳｉｎＳ）／（ＣｏｓＨｓ。Ｃｏｓｑｏ）

舻一该地区纬度，天津地理纬度为３９．１度图２一Ｊ瞬时太阳入射光与受热面豹几何关系Ｃｏｓａ＝Ｓｉｎ（ｑＪ一目）×Ｓｉｎ６＋Ｃｏｓ（伊一日）×Ｃｏｓ８×Ｃｏｓｃｏ

占一太阳赤纬，由Ｃｏｏｐｅｒ方程计算，ｄ＝２３．４５×Ｓｉｎ［３６０×（２８４＋ｎ）／３６５Ｊ

∞一太阳时角，∞：１ｒ十Ｅ一１２＋里等量ｌ×１５Ｌ‘Ｊ

／，／一当天距１月１目的天数

ｒ一计算时刻的北京时间Ｅ一时差，随日期不同而不同，参见文献““Ａ一该地区的经度，天津经度为１１７．１６６度