脱水污泥真空干燥实验研究-中华真空设备网

                                陈茗^1，2 李爱民¹       (1．大连理工大学环境与生命学院，辽宁大连116024；2．沈阳航空工业学院，辽宁沈阳I10034)

    摘要：利用自制的小型实验台对真空状态下污泥的干燥特性进行了实验研究。分别在三种温度(90℃ 、105℃ 、120℃)、不同真空度(0．02MPa、0．04MPa、0．06MPa、0．08MPa)和大气压下，柱状污泥( =6mm，L=40ram)样品进行实验研究。实验数据分析表明：污泥真空干燥过程中没有恒速干燥期，这与水果干燥过程有所不同。
    关键词：真空度；干燥；污泥

    要达到对污泥的深度脱水，比较经济的方法是引人化工操作中常用的热干燥技术，但对污泥热干燥基础研究和机理论述方面目前国内外研究不多^[1，2] 。
    Jaya和Das(2003)研究了不同厚度(2mm、3mm、4mm)的芒果果肉在65℃ 、70℃、75℃温度下，在30—50mm汞柱的绝对压力下的真空干燥特性^[2] Sipom Methakhup、Naphapom Chiewchan(2005)等人在研究真空干燥和低压过热蒸汽干燥印度醋栗薄片时通过利用page模型数值模拟比较得出：从能量消耗方面考虑，温度75℃时和绝对压强在7kPa被认为是干燥印度醋栗薄片的最佳条件^[3]。国内学者王武，刘进杰(2002)等在真空条件下对南瓜片进行干燥时发现：在南瓜片真空干燥无恒速干燥期，干燥速率的变化趋势不随切片厚度、大小、方向和烫漂时间等因素而发生变化，干燥速率的大小受切片厚度的影响显著^[4]。汤慧民、熊华(2005)等研究多种干燥工艺对苦瓜粉品质的影响时，发现在同样的加热温度、加热结构和布料状况条件下，真空干燥使水的沸点降低，传热温差增大，传热效率提高，水分容易蒸发并被及时排除，在达到相同干燥程度时，真空干燥远比常压干燥所需时间少^[5]。由此可以看出：由于所需的结果不同，所以对湿物料干燥要求也是不一样，对水果、蔬菜的干燥方法的研究，更多是基于营养美味的考虑。而污泥的干燥要求是水分完全脱离，有利于工业应用处理，所以根据其特有的性质进行干燥处理。

    本文尝试以真空干燥为研究方法对城市污泥进行干燥处理。
1 实验装置及步骤
1．1 物料的准备
    实验所用物料来源于大连市春柳河污水处理厂生产出来的污泥。污泥呈黑色，柔软，易塑性，有恶臭味。含水量为84％。
1．2 实验装置及操作方法
    如图1所示，实验装置由真空干燥箱，真空泵、自制的加热筒、电子天平，智能温控仪表，计算机等组成。真空干燥箱，真空泵来自于长城科工贸有限公司。电子天平是上海生产的具有抗压功能的梅特勒系列天平。其工作流程为：首先关闭真空干燥箱，打开真空泵，设定预定的温度和真空度，待达到稳定后，关闭真空泵打开真空干燥箱，迅速把准备好的物料放到真空干燥箱内的托盘上，关闭真空干燥箱，打开真空泵，开始试验并记录数据。
1．3 试验方法
    为了探讨不同真空度和温度对污泥干燥的影响特性，本次实验污泥质量(3．98g)全部相等，选用了三个温度(120℃、105℃、90℃)在大气压(0．00Pa)和不同真空度(0．02MPa、0．04MPa、0．06MPa、0．08MPa)下、柱状污泥(中=6mm、长度40ram)样品进行实验。
    记录方法为：每分钟观测记录一次，到最后重量隔10分钟不再发生变化时，认为干燥结束，取出污泥样品，停止干燥。称其最后的重量。计算公式为：

2 结果及分析
2．1 失水百分比曲线
图2中在大气压下，干燥温度为90℃污泥的失水比率曲线阶梯状表现明显。曲线阶梯状下降说明在污泥干燥过程中，表面水分快速干燥完毕后，存在于多孔污泥内部的大空隙、毛细孔中的水向外迁移并不像植物那样有纤维纹路，水分子可以沿着纹路通道向外运动。污泥体积收缩、膨胀及翘曲等变形^[7] 造成了水分输运通路的阻塞，内部的水分子经过短暂的能量蓄积后，在菲克扩散的驱动下，突破或者从临近的裂纹中继续向外扩散。经过下一个阶梯状干燥过程时，污泥必须克服前面干燥完后污泥骨架对水分子运动的粘性阻力，虽然在一定的压力和温度下水分子有足够的能量脱离污泥骨架壁，使其蒸发，但这时的水分蒸发量有所减少，出现了下一阶梯层的发生。这样层层阻隔，污泥的失水比率曲线的阶梯状比较明显。在图2中，真空度为0．02MPa和0．08MPa的失水比率曲线表现出阶梯状逐渐下降的。

    图3中，105't(2不同真空度下的失水比率曲线阶梯状变化频率减少，整个曲线直线下降，降速干燥过程表现的较为连续，图3里真空0．02MPa的失水比率曲线。这可能是由于干燥介质温度较高，表面水分蒸发完后，内部的水分运动较剧烈，不断的向外蒸发，内部水分蓄热过程比污泥蒸发要快而引起的。当接近污泥表面的水分蒸发完后，在污泥表层以下处的自由水分已有能量向外迁移，当这部分的水分迁移完毕后，距离此处不远处的水分续能后接着向外运动。随着污泥中水分迁移过程不断进行，内部续能的这一过程也不断进行。由于续能过程的时间随温度的高低变化，所以与图2相比较1o5℃整个污泥失水比率曲线梯状变化有所减少。
2．2 不同温度干基含水率随时间的变化曲线
    结合表1，比较图4中干基含水率曲线：
    a图污泥整个失水过程都呈现大致相同的趋势。在图中污泥干燥过程的前20分钟内，在真空度为0．08MPa和0．02MPa时干燥速率分别为0． 054g／min、0．048g／min，而在大气压下的干燥速率为0．043g／rain，可以看出：在同温度下前2O分钟内真空度对污泥水分迁移影响较弱；真空条件下的污泥干燥速率比大气压要大。分析6O分钟前的曲线，污泥干基含水率曲线呈直线下降趋势，说明在这段时间内污泥中自由水分向外迁移较多，这里的自由水分主要包括污泥表面水分和部分污泥中毛细管中的水分。在大气压和不同真空度下的污泥干燥速率变化范围在0．038～0．041g／min，波动不大。在这个范围内污泥的失水量近似，区别不大。8O分钟后，污泥干基含水率曲线出现常数。
    b图在前2O分钟内，真空度0． 02MPa、0．04MPa干燥速率达到了0．071g／min，其他真空度(0．06MPa、0．08MPa)在0．062—0．066g／min范围变化，大气压下干燥速率0．07lg／min，失水量较多。在前6o分钟内，真空度0．02MPa一0．08MPa，干燥速率分别为：O． 051g／rain、0．050g／rain、0．046g／min、0．043g／min，而大气压下干燥速率是0．048g／min，这期间失水量居中。
    c图120℃的污泥干基含水率曲线在前40分钟真空度0．02MPa～0．08MPa污泥干燥速率是0．062 g／min、0．060g／min、0．054g／rain、0．049g／min，变化规律较明显，随真空度提高，干燥速率随之下降，但是大气压干燥速率却为0．056g／rain，居于真空度0．04MPa和0．06MPa之间。
    在表1中，大气压下的污泥干燥速率介与0．04MPa和0．06MPa之间，同时间内污泥的失水量居中。
2．3 同温度干基含水率随时间的变化曲线居于真空度
    如图4所示，在真空度相同而温度不同时的干燥过程中，温度越高，污泥干基含水率就越小。对比表1中的数据可以看出，在同真空度0．04MPa条件下，前 20分钟内温度为12O℃ 的干燥速率是温度9O℃的1．6倍，失水速率较快。分析图4前60分钟内干基含水率曲线，温度为105℃ 的干燥速率是90~C时真空度为0．04MPa的干燥速率的1．3倍，失水量较多。90℃真空度0．06MPa、0．08 MPa的干燥速率为0．041g／min、0．039g／min，105℃。真空度为0．06MPa、0．08MPa的干燥速率为0． 046g／rain、0．043g／rain，可见，在相同真空度下，105~C的干燥速率比90℃的稍高些。
3 结论
    (1)污泥整个的失水过程处于逐渐下降，没有稳定的恒定的降速阶段。
    (2)在温度相同的一定时间段内，真空度对污泥干燥速影响较小。
    (3)在同形状、真空度条件下，温度对污泥干燥效果有较大的影响。温度高，污泥蒸发速率快。

参考文献：
[1】胡龙，何品晶，邵立明．城市污水厂污泥热干燥处理技术及其应用分析[J]．重庆环境科学，1999
[2]S．Jaya，Das，H．A vacuum dryiIlgmodelformango pulp[J]．Drying Technology，2003，21．1215—1234
[3] S．Methakhup，N．Chiewchan，S．Devahastin．Efects of ar~ng methods and conditions on drying kinetics and quality of Indian gooseberry flake[J]．LWT．2005，38．576—587
[4]王武，刘进杰，方红美，等．南瓜片真空干燥过程失水特性的试验研究[J]．合肥工业大学学报(自然科学版)，2002
[5]汤慧民，熊华，熊小青，等．干燥工艺对苦瓜粉品质的影响[J]．食品与发酵工，2005
[6]张海红，韩小珍，刘贵珊．蔬菜干燥技术与理论研究动态[J]．宁夏工程技术，2oo5
[7]李爱民，曲艳丽，等．污水污泥干燥过程中表观形态变化及水分析出特性[J]．化工学报，2004
[8]徐成海，张世维，关奎之．真空干燥[M]．北京：化学工业出版社。2003

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