造紙污泥太陽能干化處理工藝設計[1]

摘　要: 太陽能作為一種清潔能源，將其應用在造紙污泥干化中，與傳統干化工藝相比具有能耗低、無污染、運行費用低廉、操作簡單、運行安全穩定、干化后的污泥仍保留原有的價值等特點。本文以某造紙污泥的干化為例，介紹了該工藝的工作原理及流程，工藝單元設計等。

關鍵詞: 造紙污泥；太陽能干化；工藝設計

Treatment Process Design ONSOLAR DRYING OF paper makingSLUDGE

Abstract:  Solar energy as one of clean energy was usedto paper making sludge drying. Based on the traditional drying technology, ithas advantages such as low energy demand, no pollution, and operation in lowtemperature, low operation cost, simple and safe operation, usage reservedafter drying and so on. This paper introduces its working principle, process,unit technological design.

Keywords: paper making sludge; solar drying; process design

0 引言

隨著造紙工業的發展，造紙廢水產量逐年加大，廢水處理過程中污泥產量亦日益增加。而造紙污泥造成的環境問題日益顯露出來，如易腐爛、有惡臭、不便于運輸、處置難度大等，因此必須對污泥進行減量化、穩定化、無害化和資源化等處理。目前造紙廢水處理站一般對污泥進行了濃縮脫水處理，但往往達不到后續利用或深度處理的要求，污泥的含水率仍較高、體積較大，不僅增加了運輸難度，而且給后續的污泥處置帶來極大的不便。這些日益突出的問題，使實現污泥干化/減量化變得更加迫切。

太陽能是一種清潔、安全、廉價、可再生的綠色能源，取之不盡用之不竭。我國有豐富的太陽能資源，大約2/3國土的太陽能年輻射量接近或超過5000MJ/m²，相當于目前全年的煤、石油、天然氣和各種柴草等全部常規能源所提供能量的2000多倍。利用太陽能對污泥進行干化處理具有節能降耗和減碳的現實意義。本文基于海南省某紙漿企業的造紙污泥資源化處置過程中的減量化要求，參照太陽能干化技術在其他行業的應用，詳細介紹了該企業造紙污泥處置過程中的溫室型太陽能干化工藝。

1 造紙污泥特性

1.1造紙污泥的來源

本工程涉及污泥主要來源于兩部分：其一為該企業廢水處理單元產生的初沉污泥、生化污泥及化學污泥。其二為在建的文化紙生產線預計產生的污泥。

1.2造紙污泥的處理規模與干化目標

根據業主提供的資料，產自廢水處理單元的初沉污泥和生物污泥共計為355噸/天，含水率80%；來自文化紙生產線的污泥約為 260噸/天，含水率約70%。

綜上，本設計處理規模按照700噸/天（含水率80%）考慮。

本設計要求干化處理后污泥含水率降至50%。

2 溫室型太陽能污泥干化新工藝介紹

2.1溫室型太陽能干化工作原理

將機械脫水后（含水率約為80%）的污泥放置于溫室中，利用太陽能蒸發污泥中的水份,即可獲得40-50%的干化污泥，脫水后的污泥在溫室中主要存在兩種干化工藝：（1）輻射干化。太陽能污泥干化系統以干燥的空氣作為熱載體，直接將太陽能轉化為熱能，儲存在空氣中使空氣溫度升高，用熱空氣使污泥溫度升高，使其內部水分得以向周圍空氣加速蒸發，從而增加了污泥表面的空氣濕度，甚至達到飽和；（2）通過自然循環和熱風沖刷，將溫度內的濕空氣排出，使污泥表面的濕度由原來的飽和狀態進入非飽和狀態，從而促使污泥內部水分進一步向周圍空氣蒸發。為了增強集熱效率和溫室的保溫隔熱能力，運行中利用攪拌輪將污泥翻轉平鋪在地板上或增加強制通風以提高蒸發效率。

2.2太陽能干化的優勢

（1）太陽能干化與自然晾曬(大氣干燥)相比其主要優勢是能較大幅度的縮短干燥時間，同時溫室型太陽能污泥干化系統內污泥干化過程中產生的臭氣易于有效收集進行集中處理。

（2）太陽能干化裝置與采用常規能源的干化裝置相比具有以下優勢：①節省燃料：因為該干化工藝基本不消耗礦物燃料。②減少對環境的污染：我國大氣污染嚴重，這主要源于煤，石油等燃燒后的廢氣和煙塵的排放，采用太陽能干化，在節約礦物燃料的同時，又可以緩解環境壓力。③運行費用低就初投資而言，太陽能與常規能源干化二者相差不大。但是在系統運行時，采用常規能源的干化設備其燃料的費用是很高的。若采用太陽能干燥，設備投資(初投資)二者相差不大，但太陽能干化除風機消耗少量電能外，太陽能是免費的。即使太陽能干化不能完全取代采用常規能源的干化手段，通過設計使二者有機結合，使太陽能提供的能量占到總能量消耗的較大比例，同樣可節約大量運行費用。

（3）太陽能干化裝置各部分工作溫度屬中低溫，操作簡單、安全可靠。

3 造紙污泥太陽能干化工藝設計

3.1干化工藝流程

臥螺離心機或帶式過濾機形成的脫水污泥經過自身的傳動系統，輸送到皮帶輸送機上，皮帶輸送機把污泥輸送到運輸車上,運輸車運送污泥至污泥制肥廠的溫室型太陽能干化車間的污泥自動布料機的料斗內，污泥自動布料機把污泥均勻的布置在污泥太陽能溫室內。污泥自動布料機在溫室大棚內自動完成污泥的自動布料、自動攪拌和干污泥的聚集。在溫室內，熱空氣與污泥直接接觸，并以一定速度流過污泥層，在此過程中吸收污泥中的水分，并將濕氣排出，排出的濕廢氣經無害化后排放。最后由自動收料裝置把干污泥收集在一起。為加快污泥的干燥，增加了太陽能集熱器和輔助地暖系統，集熱器產生的熱風通過風機或水泵輸送到溫室中。污泥太陽能干化系統工藝流程如圖1所示：

                               集熱器

脫水污泥→運輸車→布料機→太陽能干化溫室→干化污泥轉運至制肥車間

                               地暖

圖1 太陽能污泥干化系統流程圖

3.2干化系統技術指標

 (1) 溫室的溫度

溫室內的溫度根據污泥干化要求來決定，本設計溫室內氣溫常年不低于30-50℃。

(2)通風率

為了加快溫室內的通風排濕能力，降低干化時間。通風率保持在80%～100%。

(3)透光率

為充分利用太陽輻射能，透光率應≥70。

(4)抗風載荷

海南地區應考慮臺風的影響，因此系統設計可抗高達120km/h的強風。

(5)污泥指標

進泥含固率：平均15-25%；出泥含固率：根據要求的不同，平均50-60%；干化前污泥床高度：10-30mm；干化后污泥床高度：5-15mm。

（6）太陽能保障率

根據該紙漿廠所在地區氣象資料：區太陽輻射總量約為87 x 10³MJ/(m·a)，總日照時間約為3328.8 h/a，平均每天日照為9.12h，太陽輻射的利用系數為0.85。

（7）自動化程度

自動測量溫度、風力，自動控制天窗開啟和遮陽裝置。

3.3干化系統設計

3.3.1干化溫室設計

溫室內按照污泥鋪設厚度平均為20cm/層設計。則每日處理700噸污泥則需要溫室面積為：700÷0.2=3500㎡。

在滿足強度、剛度和使用壽命的前提下，整個溫室的骨架采用輕型鋼結構，屋頂粱采用熱鍍鋅鋼管，頂窗框架采用輕型鋁合金，立柱間距9.6 m，高6m，立柱材料選100mm×50 mm×2.5 mm 方管，在立柱頂端裝有高0．45m，長9.6m的格溝梁，格溝梁由上下弧(50 mm×30 mm×2.5 mm方管)和斜撐(20 mm×20 mm×1.2 mm 方管)焊接麗成，格溝梁焊接后整體熱鍍鋅。格溝梁每間隔3.2 m 安裝有專用的大流量的排水槽，該水槽采用厚2-5 mm 鋼板滾壓而成，它除了用于排水外，還可供人行走，以便檢修。

3.3.2太陽能集熱器設計

（1）污泥干燥所需熱量的計算

處理每噸原脫水污泥蒸發水分（含水率有80%降為50%）0.3t。

相當于將0.3t水由室溫20℃加熱成100℃的水蒸氣需耗費的熱能為：

[80(顯熱)+619（潛熱）]×300=209700kcal=876.546KJ(1kcal=4.18J下同)。

（2）太陽能單元集熱器所產熱量的計算

地球大氣外層的太陽光能量密度約為1kw/㎡，經大氣吸收、散射、折射、反射，到達地面后的陽光能量密度約為630w/㎡^[2]。

單元集熱器接收陽光的實際透光面積為1㎡，本裝置的理論功率為：

P=0.63×1=0.63kw

單元集熱器效率以40%～55%計，則得熱功率為：

P_得熱=P×40%～P×55%=0.252～0.3465kw

在透明頂板的溫室效應下，集熱器的效率會顯著提高，實際得熱功率P_得熱’>P_得熱。假設該集熱器每天工作8h，則該集熱器一天內可轉化有效熱能為：

Q_日=P_得熱×60×60×8=7257.6～9979.2KJ。

（3）太陽能集熱器面積的計算

該廠日處理污泥量為700噸，需耗費的熱量為：

Q=700×876.546KJ=613582.2KJ

設該太陽能集熱器實際透光面積為A，則：

A=Q/Q_日=613582.2/9979.2～613582.2/7257.6≈61.49～84.54㎡

考慮最大值，A實際=84.54.02㎡，即需要85塊單元集熱器。考慮一定的保障率，設計采用90塊單元集熱器。

3.3.3通風除濕系統設計

如前所述，溫室面積35000㎡，高度6m，按照通風率80%～100%計算，則換氣量180000立方米/h，除濕風機需要

3.4其他

（1）溫室頂、側面全部采用厚5 mm，透光率在85 以上的平板玻璃覆蓋，并設置有自動開窗裝置，窗戶開度的大小及方向由連接室內溫度、濕度、風向、風速傳感器的單板機來控制。在溫室的頂部設有自動開閉的透光率較小的外遮陽裝置。

（2）溫室內鋪設散熱管進行地暖加溫，地暖熱源采用該紙漿企業鍋爐余熱或高溫煙氣。設計地表溫度大于25℃。在夜晚或太陽能不足時根據需要啟動地暖系統。

（3）集熱器背面設有儲熱室可以暫存污泥，通過集熱器底部的孔板將多余的熱量傳到儲熱室，對脫水后的污泥進行預熱，可以充分利用太陽能。

（4）污泥傳輸方向與熱空氣形成逆流，這樣保證了出口處干化污泥不受上方濕熱空氣的影響，同時進料口安裝有污泥均布器，以便使污泥均勻鋪平，受熱均勻。

（5）干化時應將不同新鮮度的污泥分開，只對新鮮的污泥局部引風除臭。此外，加入一定量的石灰可以減弱臭氣。