中温带式干化核心工艺参数的推断与选型建议

中温带式干化核心工艺参数的推断与选型建议带式干化是2002年以后才开始“流行”的技术，原因是欧盟ATEX法规将于2003年7月1日生效。欧洲委员会94年3月23日颁布的“潜在爆炸环境用的设备及保护系统”(94／9／EC)指令对污泥干化提出了严格的防爆要求，这使当时居于世界干化主流地位的高温干化工艺，如转鼓、气流、圆盘干燥等一时陷入了困境。由于市场的这一“真空”状态，也因“低温干化安全、不会产生爆炸”的响亮口号，带式工艺得到了一批期望“避免防爆安全问题”的用户青睐，逐渐成为污泥干化的主流工艺之一。而在此之前，尽管也有一定数量的装机，但都是在一些蒸发量不足1000kg/h的很小项目上。带式工艺在国内的推广也始于2003年。在过去的8年时间里，这种工艺参与了国内众多项目的投标和方案提供，并建立了首批项目，如HuberKlein深南电400吨市政污泥干化，Sevar镇海炼化24吨生物污泥干化等。这些项目的运行状态一直只有一些耳闻，未见公开的真实报道。笔者曾试对深南电低温带式干化项目进行过分析，这里则主要讨论其“主流”，即中温带式干化技术。笔者搜集了至少8个国内外带式干化的全套技术方案，分别来自三家不同的公司，最突出的一个印象是，国内项目的方案均极不完整，特别是缺少热工方面的信息。这可能是厂家出于保密或竞争的考虑，故意遗漏和缺项吧。从技术观点看，带式干化在工艺气路分配、气量构成比例、内部废热回收（以降低热耗）等方面的不同做法，使这种看似简单的工艺变得十分复杂，这就形成了只有带式方案才有的现象：不给热工数据，或者只给一个理论图表，如HuberKlein的“特征区参数控制图”(Kennfeldsteurung)，这是一份空气相对湿度与热量消耗的理论关系图，没什么实际意义。带式工艺属于纯粹的对流换热，理论计算似乎应该不难，只要给出各个工艺点的典型温度，即可了解工艺性能的全貌。但笔者发现，除了个别国外项目，所有厂商都避免给出工艺点的状态和取值，即使按照标书要求必须提供热平衡的，也都冒着失分的风险，坚决不予提供，勉强提供的也是有名无实，所有关键的过程量全部抹去。从商业角度看，这种保密措施无可厚非，但在技术层面上说，这一现象只在带式工艺上比较突出，让人觉得十分很难理解，它们似乎都在刻意隐藏些什么。本文的目的就是深入探讨一下中温带式干化在工艺上的特征，以了解它试图隐藏的那些小小的“秘密”都是些什么。一、带式干燥机简介粗略统计，提供带式污泥干化的厂家有很多，国外厂商就有：奥地利Andtriz、德国Huber-Klein、德国Sevar、德国Dornier、德国Stela、德国Siemens、英国Euroby、丹麦VeoliaKruger、西班牙STC、瑞士SwissCombi、瑞士Watropur、瑞士DegremontInnoplana等。就技术而言，这些公司提供的内容大体相同，只在一些细节上有区别，如：①有无干泥返混或挤压造粒；②工艺气体温度；③换热器内置或外置；④网带材质、带宽、层数等；在干泥返混方面，有的厂商完全是依赖这种方法获得孔隙率的，如Andritz的Strasburg项目，但返混也带来粉尘多的弊病；有的则需要返混少量干泥，粉碎后添加到湿泥中，使平均含固率达到25%以上，才能挤压面条，如Sevar的镇海项目，这种方法也存在粉尘问题，但如果污泥含沙量高的话，面条机模板的磨蚀会更为突出；有的则坚称含固率18-25%的湿泥可直接挤压造粒，如HuberKlein,但恰恰在深南电项目上，就是面条成型遇到了问题，导致项目迟迟不能投产。在工艺气体温度方面，所有厂商给出的温度都在110-150度之间。HuberKlein是以低温干化为标榜的，工艺气体温度仅60-90度，在中温应用时温度有130的，也有150度的，甚至同一项目上还有采用两个温度的，因为温度会影响产能；Sevar的温区为110-140度，在干燥器内置换热器时，各段温度设置还不同；Andritz采用外置换热器，工艺气体温度130-140度，采用高温热水的项目则为110度。在网带材质方面，主要有不锈钢和尼龙两种，一般不锈钢网带上可带有网孔，而尼龙网带似乎很难做到这一点。孔的有无应该对透气性有一定影响，造价应该也有很大的不同。带式机一般以定长的单箱体作为一个模块，在长度方向上可以进行“无限”扩展，Huber的标准模块长度为4米，宽为2-3米；Sevar的则长为2米，宽2-3米，单线总长可达20-30米。可能是出于运输的考虑，干燥机宽度或长度的某一侧会保持在2.4米以下。Andritz在国外则大力推荐水泥结构，这样用钢量会大为减少。关于干燥器的高度，Andritz蒸发量在4000kg/h以上的大型设备仍为两层网带，Sevar也仅采用两层网带，箱体高度2.5米，只有Huber号称可以做到4层，4层的高度为5.9米，事实上这是两台干燥器叠在了一起，每台环风风机都还只负责一个模块内的两层网带。总之，带式机的模块式扩展能力是其它干燥器所难以比拟的。在气体输送方面，大型项目会产生超大气量，一条每天处理100吨的干化线，如果采用110度的工艺气体温度，气量可能超过20万立方米/小时，如此大的气量如果采用单根管线输送，一定会有不小的压损，但带式机不一定非要做到一个入口和一个出口，它可以形成多入口和多出口的“蜈蚣状”布置，这样在气体压力、管径、流速方面均容易适应扩展的需要。在机械方面，带式干燥器本身只有很小的动能支出，维持输送带的移动只需几台很小的电机。其主要电耗在实现气体输送的大小风机方面。环流风机的数量随模块数变化，此外还有用于外回路的引风机2-3台。要了解带式干化工艺，实际上就是分析它的气体物料平衡和热平衡。同其它干化工艺一样，工艺的优缺点都与其机械形式密切相关。二、带式干化工艺的热平衡为了解这种工艺，需建立一个能够反映目前带式工艺完整概念的计算模型，即：离开干燥器的废气一部分能够直接循环，一部分冷凝，但冷凝前需进行废热回收，用以预热冷凝后的再循环气体；此外，还要考虑一部分环境空气用于干化后产品的冷却及漏风，以补充经冷凝排放的气体量。上述几种气量的分配构成应可设置不同的比例，以反映不同厂家、不同项目、不同参数条件下的特定做法。笔者以Andritz欧洲某项目上给出的热平衡图为基础，增加了废气冷凝前预热的回路（Andritz似乎不做废热回收）。该项目的已知条件如下：总工艺气体量(76570Nm3/h)、用于颗粒冷却的环境空气量(7647Bm3/h)、冷凝后循环空气量(10000Bm3/h)、冷凝空气量(23329Bm3/h)、冷凝后排放空气量(8664Bm3/h)；额定干燥气体温度130度、环境温度25度、相对湿度60%、干燥器出口气体温度79度、气体含湿量126g/kg、冷凝后温度40度（饱和）。系统蒸发量(1747kg/h)，热能消耗5527.6MJ/h，污泥从含固率25%干燥至90%；未给出系统的辐射热损失、直接循环气体量等。热平衡图给出的三个主要气体分配量不是标立米，但已知三种气体的含湿量，可根据气体的湿比容，反推干空气量，得到气体量为：用于颗粒冷却的环境空气量(6997Nm3/h)、冷凝后循环空气量(8091Nm3/h)、冷凝空气量(15051Nm3/h)、冷凝后排放空气量(7010Nm3/h)；已知总气量76570Nm3/h，则直接循环量61519Nm3/h，由此得到几个关键气体量的分配比例，即直接循环气体量占工艺总气量的80.3%，冷凝后再循环量占10.6%，排放量占9.1%。气量分配比例是后面建立气体物料平衡时工艺取值的依据。将整个干燥回路视为一个封闭系，以1公斤干空气量为基准，逐个建立各个参考点的气体状态方程，按顺序包括①直接循环气体；②冷凝循环气体，自干燥器出口、气体预热器（高温侧）、气体冷凝器、气体预热器（低温侧）；③冷凝后排放气体；④循环气体加热，即第①和②项合并后气体再加热；⑤环境气体，直接入干燥器。在各点气体量、含湿量、温度已知的条件下，即可根据工艺流程，联立各方程，校核系统的热平衡。但笔者发现，尽管热平衡图给出了干燥器出口含湿量0.126kg/kg的数值，如果采用工艺温度130度，热平衡的收入支出偏差很大，特别是第②项冷凝后循环的气体。从该数值为整数这一点来看，这份热平衡显然也是被“修饰”过的。基于此，笔者换了一种思路来解题，即假设干燥器出口的工艺气体含湿量未知，通过建立各点关系的热平衡，反推干燥器出口的含湿量，最后得到可反映干燥推动力的状态参数——相对湿度。至少从热平衡角度看，这样是能做平的。至于做平后的结果，则正是我们要讨论的对象。根据上述方法建立模型后，采用原方案给出的数据进行校验，结果如下(考虑了2.5%的热损失)：工艺温度单位原方案130度偏差128度偏差126度偏差工艺气体量Nm3/h765706844010.6%720505.9%762300.4%冷却用环境风量m3/h764769708.9%73304.1%7760-1.5%排放引风量m3/h8664774010.7%81505.9%86200.5%冷凝循环引风量m3/h1000093406.6%98301.7%10400-4.0%冷凝引风量m3/h23329210709.7%220305.6%231400.8%实际干空气量kg/kg56.750.710.7%53.36.0%56.40.5%出口相对湿度％39.0%37.8%36.5%实际净热耗kcal/kg755.721740.62.0%746.61.2%753.80.3%总热耗MJ/h5527.65417.02.0%5460.81.2%5513.30.3%含湿量kg/kg0.1260.132-4.7%0.127-0.7%0.1223.4%露点温度°C57.50156.82456.088假设干燥器出口温度130度，此时根据给定的气量分配比例，总热耗的契合度较好，但气量总体偏差较大，含湿量偏差也不小；温度设为128度时，含湿量契合度最佳，但气量仍有一定幅度的偏差；温度设为126度时，气量的契合度最好，除了冷凝循环引风量外（即方案中被取整的那一项），出口含湿量也有一定偏差。可以看出，工艺温度越高，维持较高的直接循环气量（80.3%），将造成回路内蒸汽浓度高，即含湿量高，也即出口相对湿度高，但这可能意味着干燥推动力降低，同时气体循环量降低。笔者以为，对于干燥来说，升水蒸发量所耗用的干空气量应该是主导性因素。因此，就热平衡图给出的信息而言，较为可能的是其实际计算温度低于130度，气量数据（除冷凝循环引风量外）更有参考意义。对气量分配不加调整的模型验算得到了偏差在±2%的结果，凭这一点应可确认模型基本可用。三、带式工艺的基本参数与取值污泥干化就是通过蒸发的方法将污泥中的水分除去。影响除湿效果的条件有很多，如污泥颗粒的孔隙率、气量、气体干度、温度等。干泥返混或面条挤压的目的就是为了增加孔隙率，使污泥获得一种结构，在同等风量下，就单位颗粒而言，得到最大的换热比表面积。湿泥或干泥的性状，对除湿效率也有很大的影响。如果污泥中高分子聚合物的含量高，污泥失水就会比较困难；无机质高，则相对容易。干泥含固率的要求低，如半干化至含固率60%，则完成干燥的时间就可以缩短，所需的干燥推动力应该也不会如全干化那样高。对干燥系统做热平衡，目的就是研究气体的除湿能力。理论上，干燥用工艺气体的温度越高，含湿量越低，则除湿能力越强。但带式干化似乎没有采用150度以上气体温度的，而是普遍倾向于采用较低的温度，这里就可能有某种原因。对这种纯对流工艺来说，污泥中的蒸发是通过污泥颗粒表面与工艺气体主体的水蒸气压差来实现的，压差越大，说明干燥的推动力越大，反之则越小。反映这种干燥推动力的最主要参数，应该就是气体含湿量/相对湿度，它是解读带式干化运行状况的钥匙。本节拟就一个日处理量100吨、含固率从20%至90%的全干化项目进行分析，以探讨带式工艺的取值及其影响。废热回收作为一项重要的工艺措施，也将单独进行讨论。1、工艺气体温度与直接循环比例中温带式干化的第一个重要参数就是工艺温度，它决定了气体量以及能