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空心桨叶干化原理与工艺特征的深度剖析

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学社编辑 发表于 2019-9-3 11:09 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
一、空心桨叶干燥的原理与主要技术特征
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空心桨叶干燥器由带夹套的端面呈W型壳体、上盖、有叶片的中空轴、两端的端盖、通有热介质的旋转接头、金属软管以及包括齿轮、链轮的传动机构等部件组成。
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设备的核心是空心轴(可分为单、双、四根)和焊在轴上的空心搅拌桨叶。在污泥干化工艺中一般为双轴。桨叶形状为楔形的空心半圆,可以通加热介质。除了起搅拌作用外,也是设备的传热体,桨叶的两主要传热侧面呈斜面,因此当物料与斜面接触时,随着叶片的旋转,颗粒很快就从斜面滑开,使传热表面不断更新。6 @5 X$ I% x$ v2tech.cn

" ^  m4 x6 `( H/ e0 ?干燥器为连续运行。两主轴配置时,旋转方向相反。主轴转速较低,线速度低于2 m/s。主轴、桨叶以及W形槽(包括壳体的上方高于桨叶外径一定距离的部分)均为中空,中间通入热流体。
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6 j3 i: I- Y  R+ k干燥器的上部穹顶不加热,用于开设检查窗,连接风道、管线等。在顶盖的中部设置抽气口,以微负压方式抽取蒸发的水蒸气。
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换热方式为热传导,仅在抽取负压时流入少量的环境空气,气体与物料运动方向为错流。物料在干燥器内的停留时间较长。工艺环路为开环,不再将处理过的废气返回。
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" r, W" h; @* T$ c) z6 K由于主轴为转动部件,其本身还是换热面,为密封及机械形变考虑,工艺工质的温度均不超过200度。由于蒸汽释放潜热而导热油仅释放显热,对于此工艺一般选择蒸汽工质,此时所需输送热流体的热流道为最小,易于布置。典型的饱和蒸汽温度为150-200度,压力5~7巴,最高可达14巴。6 y$ a$ k3 Y7 o" M, U" B2tech.cn

3 N, T# J% x! @( d" z# Q在污泥处理工艺方面,不同厂家的空心桨叶干燥器技术特点可能略有区别。兹将一些共通的、值得关注的特点列举如下:" [* r& L; {+ m  t4 d( `9 O9 t2tech.cn
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1. 干燥器倾斜布置
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空心桨叶干燥器的布置为卧式,有一定倾斜角度,它由一侧进料,另一侧出料,物料在干燥器的前移主要靠重力移动。这是由于桨叶本身的斜面不具有轴向推动作用,位于桨叶顶端的刮板与桨叶呈90度布置,也仅能起到径向抄起和搅拌的作用,也不构成轴向推进,因此物料的向前推进需要干燥器的倾斜角度来完成。
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+ K- R( `1 i6 s( q2 [+ M3 \$ y2. 溢流堰的设置: ^; g' h) g  q+ `2tech.cn

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  ]4 o% F  X; V" ]$ w考虑到桨叶的阻隔作用,物料在干燥机内从加料口向出料口的移动呈柱塞流形式,停留时间分布可能十分狭窄,要使产品获得足够的时间处理,并使换热表面得到充分利用,须使物料充满干燥器,即料位应“浸没”桨叶的上缘高度。
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在启动运行时,可能须关闭位于干燥器末端的出口,以实现“蓄水”效应,同时还需设置能够阻挡物料、维持高料位的溢流堰(overflow weir)。在理论上它应使物料略高于桨叶高度。溢流堰位于干燥器尾部,干泥下料口的上方,它应具有类似“提升闸”的机械结构,以维持工艺所需的料位高度。6 o+ H, }$ v. J8 X* ~0 N2tech.cn
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3. 加热轴类型
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设备的加热介质既可以用蒸汽,也可用导热油或热水,但热载体相态不同,中空轴结构也不同。用蒸汽加热的热轴管径小,结构会相对简单;用热水或导热油加热的轴结构则可能比较复杂,因需要考虑管内液体流速,管径越粗,旋转接头及密封的难度越大。" r/ e- K' X, w: L0 T2tech.cn
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向中空桨叶中供给热量,采用蒸汽工质时进出管线直径较小,这是由于释放潜热的特点所决定的。但采用导热油时,要使之能够通过足够的热流体量,这些管线的直径可能变得较大,而这对于主轴来说可能降低其结构强度。2 b4 J( K  v6 \0 l& D! v2tech.cn
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由于主轴本身具有多项功能(桨叶支撑、热流体输送、传热换热等),它需克服物料的粘滞力、物料与桨叶间摩擦以及物料本身对主轴表面的磨损等,主轴所需克服的应力可能较大。这样在设计时,既要保证其机械强度,又要保证其换热性能,同时还需兼顾材料的硬度等,这些可能相互矛盾的条件将使设计变得复杂,而最终应用结果会具有较大变数。
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- |7 o* Q3 X8 X5 B8 {& [如为了提高换热面积,需增加桨叶数量和直径,但这将导致主轴的应力增加。要提高主轴的强度,需增加主轴直径,但这会相应减少桨叶的换热面积。/ t0 ^0 z5 ^, i$ @- ?2tech.cn
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在项目中,主轴类型的选择常常是不可预见的,如原来采用蒸汽作为工质的定型产品,当改用导热油时,其热流道将完全不同,传热能力也有很大变化,无法简单复制原来的工艺参数。这对于首次开发的新机型用户来说,可能意味着很多意想不到的问题。
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; G3 E* _0 Q0 v5 e! L4. 停留时间7 M: U( ?# E: N8 a+ w5 D2tech.cn
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理论上空心桨叶干化的停留时间可通过加料速率、转速、存料量等调节,在几十分种到几小时之间任意选定,其中溢流堰是调节干燥器内污泥滞留量的主要手段。. n: a% _) R5 ~2tech.cn
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为了使换热面积得到充分利用,干燥器内污泥滞留量需求较高,料位需超过桨叶的上缘高度,即一般所说的“有效容积”需100%加以利用。如果按蒸汽罩在内的整个干燥器筒体容积考虑,有效容积可能要占到干燥器总容积的70~80%。
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  \; R& ?" i5 a5 O干燥器内物料存留率高,将使得污泥在干燥器内的实际停留时间相应较长,为3-7个小时。
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) S$ x8 x$ u& ^, P5. 干泥返混
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理论上,由于空心桨叶互相啮合,具有自清洁作用,空心桨叶干燥器进行污泥干化应可完成各种含固率的污泥半干化和全干化,而无需进行干泥返混。; V: j! I- o: A  \) o2tech.cn
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但实际上,要通过桨叶互相啮合而形成的物料剪切实现自清洁仍需要一定的前提条件,这就是设备中的啮合精度足够高,机械间隙足够小,以及物料间的剪切力足以克服产品在换热表面上的附着力。
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4 M4 C$ d6 m+ f/ B在分析空心桨叶干燥器内部结构时,不难注意到其机械结构之间是存在较大间隙的。完全靠机械咬合清理死区是不可能的。这意味着真正实现空心桨叶热表面自清洁和更新的手段是物料之间的相互摩擦,即金属表面与物料之间以及物料与物料之间的剪切力。
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实现物料之间相互摩擦可采用加大物料填充密度的方法,维持料位高度,可提高物料间的相互接触机会,配合桨叶叶片的挤压,可实现对某些换热面的自清理。- E( k2 j9 [6 r% H0 e4 E2tech.cn

# i: I: f+ d' S& P3 K由于湿泥本身特性的原因,在干化过程中有成团、成球和搭桥的倾向,纯粹靠提高料位是无法克服的,因为湿泥颗粒之间的剪切力可能造成湿泥在无法更新的间隙中“压实”,而不会使其颗粒间产生疏松和流动性。只有干泥因其颗粒表面已完全失水,具有在短时间内复水性不佳的特性,颗粒间隙大,遇到机械剪切力,才有滑离金属表面的可能性。. q  f& }4 [0 h0 Z2tech.cn
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因此实际工程上,空心桨叶干化均考虑了干泥返混,其做法是对干泥进行筛分,细小干化污泥与湿泥进行预混合(美国Komline Sanderson一般均做此考虑,但有些厂家则声称无此必要)。; F! B6 E8 A) L2tech.cn
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从换热效率角度考虑,干泥返混应该是必要手段之一。根据污泥的失水状况,空心桨叶干燥器的蒸发速率具有明显的峰谷变化。在含固率低于25%时,污泥在加热状态下有明显的液态性质,换热条件较佳,但物料易形成附着层而导致蒸发强度的降低,且污泥因高分子聚合物的作用,自身有形成团块的倾向,与换热面的接触率降低;在含固率25%-75%之间时,污泥可能具有表面黏性,结团倾向明显,换热效果较差。
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当含固率大于76%时蒸发速率回升,这是由于干细疏松的颗粒与换热面重新获得了较好的接触(据P. Arlabosse等的文章Drying of municipal sewage sludge: from a laboratory scale batch indirect dryer to the paddle dryer, Brazilian Journal of Chemical Engineering, vol.22 no.2 São Paulo Apr./June 2005)。. m' H3 k: G! i& z' x, U2tech.cn
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空心桨叶工艺一般根据干燥目标,采取回流部分干燥污泥的做法(干泥返混),使干泥起一定的“润滑”作用,获得较好的流动性,避免黏着,回流量仅为出口干泥的小部分。这就是说,空心桨叶的返混对干泥湿泥混合后比例要求不高,一般可能在40%左右(远低于一般要求的65%,如转鼓机),此时干泥粉末的存在,已足以在热表面起到“润滑”和“清理”的作用。
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6. 干燥器内不清空$ z  \8 d9 S9 c* {5 O, C2tech.cn

. i0 I) T4 S  S+ D  O凡需要干泥返混的污泥干化工艺,对于湿泥的进料均有严格的要求:湿泥进料须在干燥器已有大量干“床料”的条件下才能进行,这样才能避免湿泥一进去就糊住换热面、产生结垢。* @3 G7 i' S: W5 I; V4 [2tech.cn
因此,典型的做法是,在干燥系统停车时,应维持返料系统继续工作,停止进料装置,干燥产品实行全返料,同时系统降温,系统温度低于60℃时才全线停车,干燥机内不进行清料,开车时直接带料启动。# n$ Z6 g9 i8 q5 y2tech.cn
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这意味着在停机时,干燥器内始终充满了干泥,在关机过程和开机过程中可能始终存在高粉尘、低湿度的特点,此时需关注干化安全问题。
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8 o( L( x4 p  z$ J# j7. 桨叶顶端刮板
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任何机械都是有公差间隙的,主轴啮合的空心桨叶干燥器也不例外。
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8 P3 J3 c% [' y" q. z湿泥在一定含固率下具有黏性,在这些间隙之间可能造成黏壁。在热表面上的任何黏结,将降低换热效率。为避免污泥垢层的加厚,需采用机械刮削的方式,这就是位于桨叶顶端的刮板(paddle plates)所起的作用。
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# O$ h+ a% v, w. k从刮板的作用可知,随着长期运行,刮板对且仅对落在桨叶与W形槽换热面之间的物料有抄起作用,同时也对附着在W型槽壁上的物料有刮取作用,无论抄起还是刮取,由于刮板的运动速度大约为2~5米/秒,在抄起或刮取的过程中,此速度下刮板外缘的污泥的运动方向有两个:向外挤压(磨W形槽)和向后运动(磨刮板)。
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8. 金属表面硬化处理7 ^$ O* S/ w6 u* I2tech.cn
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磨损可能是空心桨叶干燥器所面临的重要挑战之一。. f$ Z7 ]3 A4 A2tech.cn
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污泥中含有磨蚀性颗粒,空心桨叶干燥器属于典型的传导接触型换热,金属与磨粒的反复、长期接触,金属磨蚀是不可避免的。涂层和硬化可减轻磨蚀的速度,但受限于被磨蚀的金属面同时也是换热面(如W形槽、桨叶、主轴,刮板可更换),所能采取的硬化措施不多(喷涂碳化硅等),在加热条件下耐磨层的附着力、实际硬度都不甚理想,只能起到减缓磨蚀的作用。6 w. Q! f* E4 O9 ~2tech.cn

% w- ]( p; V- t. L1 W( L) ]. {! g7 e由于干泥颗粒和粉尘中磨粒的磨蚀作用较为突出,一般对后半段(15~25%)的桨叶进行热处理保护。但对于有干泥返混的工艺,其磨蚀则是全程的。
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4 c8 V( ]9 _4 v磨蚀倾向的存在,无疑也将影响到干燥器的材质选定。
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6 v, @1 X4 D# M: ~8 a空心桨叶干燥器的换热金属面中,只有W形槽因与刮板间隙最小,在热表面更新过程中有明显的挤压作用。当存在这种挤压缝隙时,一般磨蚀强烈的是相对较“软”的金属面。这可能意味着要保护作为换热面的W形槽,刮板则不能做硬化。而不做硬化的刮板寿命将十分有限。
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& ?0 u+ Q: H4 ~9. 机械死角3 e3 T  H, l% U( p3 G- c7 \" R2tech.cn

  _7 Q: d& J2 [9 v7 \1 c, q8 Q- W机械死角是空心桨叶干燥器必需解决的设计难题之一。它可分为三类:
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1)无表面机械清理的金属外缘;3 l7 e# K& c3 {2tech.cn
2)有表面清理但存在不可触及的公差;
% `. x7 ?# T0 T: h! p# _3)因磨蚀造成的不可触及公差加大。( C" Z0 x1 c9 Z" \% O, |; L2tech.cn
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楔形桨叶本身的旋转方向是一定的,即两个主轴均向内侧旋转,此时楔形桨叶的窄侧在前,刮板在后,桨叶从窄而宽的换热面上均无机械清理,需要靠物料自身的剪切力更新。刮板大于楔形部分最宽换热面的部分将始终刮带污泥,并在W形槽上形成挤压。, S4 n* n5 `8 l# I* ]9 X2tech.cn
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此外,刮板与主轴仅在某一点(即扇形缺口的中心部位)上有“切线相交”(其实是接近,清理作用微乎其微),主轴在绝大部分情况下表面没有机械清理。
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) Y- W) d, s2 b9 ^上述均属于无表面机械清理的金属外缘,它占总换热面积的70~80%。# W0 m  V5 d7 N7 [! y$ O: R2tech.cn
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有机械清理的换热表面,按照楔形桨叶的排布规则,存在以下因不可触及公差所造成的死角:$ y6 d" ]& f6 `' o2 C+ x2tech.cn
- 第一排和末排桨叶的刮板与加热主轴外侧的空隙,介于干燥器桨叶与主轴填料密封之间。
& t% ]- |" e# w, z6 J' n- 轴向刮板间的空隙,此间隙可明显观察到。0 @7 C7 c2 M, n1 p) h2tech.cn

: k' ~& Z4 [' P- t由于前述磨蚀问题,可能造成特别是径向刮板空隙的增大,即刮板因磨蚀而变薄,刮板与W形槽换热面的不可触及公差加大。此时刮板所起的刮取作用减低,在物料之间的剪切力不足以克服湿泥在换热面上的附着力时,在换热面上的堆料和结垢就会产生。当形成一定厚度时,将导致轴跳、震动和噪声等。8 `/ F4 s/ f% q3 P2tech.cn
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无法清理的换热表面均可称之为“机械死角”。综合来看,空心桨叶干燥器无法进行机械清理的部位占了换热面积的大部分,因此对于这种工艺来说,核心问题在于如何避免产品的黏性。
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2 L. }2 d; n* \2 m9 j10. 传热系数
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- B. Z+ b5 n; ?5 I) R. |, H& g空心桨叶干燥器由于桨叶垂直于主轴,刮板平行于主轴,桨叶两端的换热面无推动而仅起换热作用,物料的径向混合充分,物料与换热面的接触频率较高,停留时间长,理论上应可实现较好的换热,其综合传热系数应在80~300 W/m2.K之间。9 ?6 p! L. ]. q! C4 O0 s2tech.cn

+ m! g; ^6 q) v6 O在污泥干化应用方面,由于不同的污泥黏性不同,干化产品含固率也影响到工艺过程(如能否进行低干度半干化),实际项目中给出的传热系数可能相差较大。
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  F9 U  J9 o9 R# C7 z% b11. 传热面积
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- I% I, J' s' d. n" T! V根据前面的描述可知,热轴上的楔形桨叶和主轴是主要的加热面,换热面积占总换热面积的70%以上(后面将加以证明)。设计上对制造精度、主轴类型和热流道布置上有较高要求,因此一般认为这种干燥器“结构复杂,加工难度高,大型干燥机的设计有一定难度”。8 Y4 G( L6 K7 s5 W" V2tech.cn
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截至2008年底,国外已制造出单机换热面积1.5 ~295平方米、理论最大蒸发能力12 吨/小时的空心桨叶干燥器。在污泥干化领域,目前最大装机换热面积约300平方米,蒸发能力不到5000公斤/小时。
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/ p& e: f: t4 {6 C, n1 N据不完全统计,国内目前的系列化设计最高110平方米,已见于报道的用于污泥干化的空心桨叶干燥器换热面积多为25~50平方米,最高达160平方米。
6 X7 j! E& O0 f  p由于污泥干化是有技术难度、大宗、无增值的产品应用,设备的大型化是节约投资的重要手段。但基于前述空心桨叶的特点,设备放大具有较高的技术难度。; e* h+ H* N! t0 p5 T2tech.cn
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12. 吹扫空气量
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空心桨叶干燥器属于典型的传导型干燥器,其传热和蒸发是靠热壁而不是靠气体对流实现的。因此,大多数空心桨叶厂家均声称不需要吹扫空气。/ c9 C' p4 v# N) @2tech.cn
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实际应用中,由于干燥过程产生的水蒸气需要及时离开干燥器,且污泥干化产生恶臭,为防止臭气溢出到环境,一般均需采用抽取微负压方式。这样就事实上存在了使用“吹扫空气”的必要性。抽取负压必然会造成环境空气从干燥器和回路的缝隙中(轴缝、湿泥入口、干泥出口、溢流堰密封等)进入回路,为了防止这部分气体在干燥器中造成水蒸气冷凝,有时还需要对此气体进行加热。( `  g. Z1 L1 v8 P2tech.cn

% l1 X! i) J" m0 p+ z" [吹扫空气的量与工艺本身相关,以升水蒸发量所需的环境空气干空气量衡量,一般在0.1~1.2 kg/kg.H2O之间。此值的高度对干化系统的净热耗有重要影响。典型的空心桨叶干燥一般考虑0.5 kg/kg.H2O左右的干空气量。
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13. 蒸发强度
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, I, b, y. j9 ?传导型干燥器的蒸发能力一般以每平方米、每小时的蒸发量来衡量,它在理论上可实现10~60 kg/m2.h的蒸发量。但在污泥干化实践中,根据我对世界上主要空心桨叶制造商业绩的统计,设计值取值范围一般在6~24 kg/m2.h之间,以14~18 kg/m2.h的取值居多。5 D  O0 r; b' B5 @2tech.cn
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对于蒸发强度的取值,可以从多个技术文献得到印证。如日本奈良机械制作所污泥干化专利“特开平9-122401”,试验条件下的污泥干化蒸发强度在6~6.8 kg/m2.h之间。浙江大学热能工程研究所的试验在90分钟后、40%干燥率下也只有6 kg/m2.h。得利满研发部的研究报告则提出空心桨叶计算模型取值在11.5~13.8 kg/m2.h之间。9 d: z/ v2 `$ ~2 H2 Q2tech.cn
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参考其它传导型干化(如转碟机、圆盘机),典型值均在8~14 kg/m2.h之间。考虑到空心桨叶干燥器的换热条件与其它传导型干燥器事实上非常相似,较为可靠的实际蒸发强度应该在8~14 kg/m2.h之间。
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14. 产品出口温度
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8 W% S) |7 |) `$ b4 V$ g# W由于污泥在干燥器内停留时间长,污泥在离开干燥器时的出口温度较高,应在90~100℃左右。污泥温度高,则产品在筛分以及输送(包括返混)过程中,可能对安全性产生影响。
+ Q2 t; O* J! H# N8 d4 ]因干泥返混的原因,在筛分前或是否后降温将关系到系统的净热耗。- T! a$ T  M7 _& {) J, `2tech.cn

$ t4 }# |2 D! I' p5 b/ O此外,进入停机序列后,热载体撤除或停供后,产品的降温仍需要走一个非常缓慢的过程,理论上剩余产品均需经外部的冷却措施才能实现。基于空心桨叶的工作原理及其内部容积,很难想象空心桨叶干燥器能够采用喷水降温这样的快捷方式进行安全保护。
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二、空心桨叶干燥器的结构与特点
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4 ?: @6 A' ^& L; n6 V要真正了解一种干化工艺,进行一些设计分析是必要的。空心桨叶从过程工艺角度看是较为简单的,其特性主要是机械形式决定的。7 w1 m$ g6 f" Y+ T1 W7 N2tech.cn
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根据日本Tsukishima Kikai 公司系列空心桨叶设备的尺寸,我尝试建立了一个空心桨叶干燥器的设计模型。
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" U. p  v7 h  x3 T+ s9 C( x: A选择其中换热面积100平方米、有效容积6.66立方米的ID 1000DSL-K型双轴设备作为参考,根据其标注的尺寸,利用几何学知识,不难求出截面上各位置的面积。对加热主轴长度进行设定,即可求出干燥器的总容积。
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6 i2 N4 B. y( D" L& v由量图知,桨叶所围出的两个扇形面积夹角一般为144度左右。桨叶直径已知(1米),给出主轴直径(0.3~0.5米),则扇形换热面面积可求。
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# h0 n' I2 q& W8 G根据干燥器内桨叶布置需要,可设定刮板宽度、桨叶最大厚度、桨叶最小厚度、刮板间最小公差。在上述参数给出时,可认为桨叶的径向外缘为一梯形,其高为桨叶扇形的弧长;主轴的换热面积为加热主轴总面积减去桨叶焊接面积(主轴上144度扇形弧长,宽度为厚度),则桨叶的外缘换热面积、主轴有效面积均可求,从而得到干燥器的实际换热面积。
9 R8 s3 A7 g% P) \9 ]; l
1 Q- j. c& X: e. Y. h由于换热面积和有效容积已知,上述假设各项尺寸、主轴直径、桨叶数量以及加热轴有效长度的给定均会影响上述两个已知参数。
) y! A% \, h6 O1 c+ g" u' _8 S( A
8 S9 B- x' U* R通过建立体积和换热面积的两个方程组,可解出一组同时满足两个方程组的数据:( Z8 k7 E! x5 }6 D2tech.cn

7 ?  J# k( E% F* B( `: m- 当主轴直径为0.41 米时,加热主轴的长度约为6.15米,基本符合干燥器体长度6.27米的原设计值。此时,桨叶、主轴和W形槽的换热面积分别占总换热面积的64.6%、13.5%、22.0%,也符合一般所说的换热面比例分配。
- W3 @7 U8 V$ H) u6 ?& Q
9 t) R& _3 \/ g" m9 y9 l在结论基本正确的基础上,可确认以下几个关键取值具有可参考性:
7 A8 P) J9 F0 b( n, C- W) Y+ j- K! W. d( |0 {2tech.cn
- 刮板宽度50 mm、桨叶换热面最大厚度40 mm、最小厚度14 mm、刮板间最小公差3 mm;2 j6 j# [8 |  {2tech.cn
- 桨叶总数量58对,116个;; }0 I: k  Q( l6 F' }2 h. \' U2tech.cn
- W形槽的弧直径1.006米,即桨叶刮板与W形槽换热面的距离只有3毫米;
1 ~' C  d! |. a5 C% O- m分析过程中可注意到取值范围极窄,特别是刮板宽度和刮板间最小公差。这意味着干燥器的设计极为紧凑、“精密”,其目的可能是为了减少W形槽换热面的死角。
4 [& s, E* f- c( s0 h. }& I% [9 f6 v0 \+ y2tech.cn
套用此模型,可分析其它一些机型的参数。比较这些参数,可发现其中的某些规律。这些规律是解读空心桨叶干燥器的钥匙。$ p# o  i# y4 Y0 u- a3 E2tech.cn
! A' g" j# V. W2 D2 ^/ L2tech.cn
1. Komline 13W2200机型
" D# Q/ y, P7 F& `: I4 ]
$ @3 L( E+ w! U* m! j6 k! I已知KS干燥器13W2200具有204平方米换热面积、18立方米的有效容积。应用模型可分析其可能的构成如下:
) a# O9 _5 Z: E5 g) g* l* |& l6 S3 w; w( E% b2tech.cn
- 当主轴直径为0.50 米时,加热主轴的长度约为10.06米。与ID 1000DSL-K型比较,换热面积增加一倍,有效容积增加约2.7倍,而加热主轴部分的长度仅增加0.67倍。此时,桨叶、主轴和W形槽的换热面积分别占总换热面积的64.6%、13.0%、22.5%。其它关键取值:1 v0 L+ {1 U9 k6 ~2tech.cn
- 刮板宽70mm、桨叶换热面最大厚度60mm、最小厚度20mm、刮板间最小公差4mm;
& e- f9 a: t/ J/ N' Z0 g! m- 桨叶总数量68对,136个;" Z3 Y, M1 k% b4 m% _# f2tech.cn
- W形槽的弧直径1.34米,即桨叶刮板与W形槽换热面的距离仍只有3毫米;9 Q+ x9 h: e/ e2tech.cn
: E+ t) d5 i, o+ j2tech.cn
2. Komline 13W2500机型
0 c; ~( ]: f1 |/ |+ v; P. d. E, E1 |/ D0 E3 V0 Y2tech.cn
已知1995年美国某个工业污泥项目上提供了一台型号为13W2500的空心桨叶干燥器,换热面积232平方米。该项目处理量每小时4535 kg,含固率25%,干化至90%。
# g1 o* |# a- e9 M& b- e% W( c在前述204平方米干燥器模型基础上,分析此干燥器的可能构成如下:
8 [0 _! F; h8 x& e
: _" ~  h1 v; f: {5 G2 ?- 因所需桨叶数量增加,适当增加主轴直径至0.56 米;0 s2 P3 J& g, |; i* `. a) T7 F5 V2tech.cn
- 桨叶总数量78对,156个;
# ]) n8 Q3 N1 ]* F- 加热主轴长度约为11.54米;: W2 ]2 F: ?/ D- w5 x. P2tech.cn
+ ]( x- D4 i/ Z0 i6 c5 ?) H2tech.cn
其余设置不变,此时有效容积增加为20.5立方米,较13W2200机型增加了约14%。桨叶、主轴和W形槽的换热面积分别占总换热面积的62.4%、14.6%、23.0%。
* @0 l' n- s) s$ O, s( L: y3 @6 v7 B$ ]* J/ E/ G2tech.cn
3. W12机型
! X8 }- Q% L6 Z! v% c2 ~
! P1 a2 e! `: `$ x" q已知三门峡百得干燥有限公司空心桨叶干燥器系列最大机型W12的参考尺寸如下:传热面积110平方米,有效容积9.46立方米,器体宽2.21米,长6.122米,进出料口距离5.664米。这意味着干燥器加热主轴长度应在器体长度和进出料距之间(5.664~6.122米)。
5 F% Q6 k5 x3 U9 t
% u4 b2 m; Y9 P$ f6 d. d与ID 1000DSL-K相比,12W的换热面积增加了10%,有效容积增加了42%,而加热主轴长度可能短了约40~60厘米,这意味着所增加的换热面积主要在桨叶上,需增加桨叶直径。0 w' U2 @/ X& ?/ M% y5 s2tech.cn
试算获得如下一组数据:4 t- g3 j- E; b' Z. w# o2tech.cn
: {  R% k4 }* I& J9 l7 M2tech.cn
- 当桨叶直径为1.25米、主轴直径为0.56 米时,加热主轴的长度约为5.84米。此时,桨叶、主轴和W形槽的换热面积分别占总换热面积的60.7%、16.1%、23.2%。7 K9 R1 n- g. U" O3 }5 n2tech.cn
其它取值:
. l# c* Y4 w% e; F1 V' s! }- 刮板宽68mm、桨叶换热面最大厚度50mm、最小厚度14mm、刮板间最小公差5mm;
" v. j9 e9 p1 ?- 桨叶总数量40对,80个;9 b8 Q; [. L- n6 D$ g2tech.cn
- W形槽的弧直径1.256米,即桨叶刮板与W形槽换热面的距离只有3毫米;
- G: v, S9 B7 ^* I# F
9 N3 `" i3 ]3 v) g- D0 Q; N将上述计算数据列表如下:! V. H) J& n5 q" Y2tech.cn
机型
单位
ID1000DSL-K
13W2200
13W2500
12W
换热面积
m2
100
204
232
110
有效容积
m3
6.66
18
20.5
9.46
桨叶数量
116
136
156
80
桨叶直径
m
1.0
1.3
1.3
1.25
加热主轴长度
m
6.15
10.06
11.54
5.84
主轴直径
m
0.41
0.50
0.56
0.56
刮板宽度
mm
50
70
70
68
刮板间最小公差
mm
3
4
4
5
桨叶换热面最大厚度
mm
40
60
60
50
桨叶换热面最小厚度
mm
14
20
20
14
换热面积/有效容积比

0 j% u0 a6 T8 @
15.0
11.3
11.3
11.6
长径比*
- a1 L6 v3 v2 V5 H, K2tech.cn
15.0
20.1
20.6
10.4
桨叶占换热面积比
64.6%
64.6%
62.4%
60.7%
主轴占换热面积比
13.5%
13.0%
14.6%
16.1%
W形槽占换热面积比
22.0%
22.5%
23.0%
23.2%
* 仅指加热主轴部分的长度与主轴直径之比,不同于实际主轴长度与主轴直径比/ S* j( ]$ t9 ?. O8 i- M, L: X6 K0 P2tech.cn

  A( K; ~' @* m, V. v  H计算所得到的结果与实际机型对照肯定会有某种差距,但它在一定程度上可仍可反映空心桨叶干燥器内部结构的关系,这些关系是进一步分析空心桨叶干燥器特点的参考。6 c/ C$ Y( Q/ D2 I: w2tech.cn
根据上述计算,主要观察要点如下:! J% a% [7 u/ C- }" ~2tech.cn
—    从换热面积/有效容积比可以看出,空心桨叶干燥器直径越大,有效容积越大。有效容积是反映空心桨叶干燥器污泥干化的重要状态参数。
# I6 K. R1 B2 y  Q3 U" |/ B, |—    刮板的宽度及其间距是决定干燥器加热主轴长度的重要数据。它直接影响W形槽换热表面的更新状况。( L+ J' F# d" |! b% N+ u; A9 \2tech.cn
—    主轴越长,则桨叶的直径可以越小;反之,桨叶的直径越大,主轴可以越短。短(粗)主轴便于加强其机械强度,但也带来有效容积的上升。
1 I. g/ a! D% R8 G—    长径比越大,主轴制造的精度和结构强度要求越高。国产机的长径比较国外设备低了很多。
  D7 x" o0 ?' X9 L—    桨叶换热面的厚度应与钢板厚度相关。一般传导型干燥器的换热面均采用12~14mm碳钢或10~12mm不锈钢板成型焊接。桨叶的最大厚度减去两倍的钢板厚度,即为中空热流道的最大理论厚度(若不考虑其它支撑的话)。0 @# {: I' C4 u+ f0 W$ [9 d2tech.cn
—    从换热面积的分配比例看,桨叶占60~65%,主轴占14~16%,W形槽占22~23%,这一范围是基本确定的。这意味着空心桨叶干燥器真正靠机械更新的换热表面只有22~23%,其余均需纯靠物料本身的剪切力(这一点与文献所提到的数据完全吻合)。1 e$ `) Y& r) N" Q* P2tech.cn
—    以物料本身剪切力为特征的换热表面更新将不得不十分倚重物料本身的流动性。而要实现此流动性,干泥返混可能是惟一可用和可行的手段。( t$ N0 @4 i+ z1 ~2tech.cn

6 H+ U& Y0 M7 b
二、空心桨叶干燥器的结构与特点
6 e9 N# t. e4 Z" X- z3 O2tech.cn

& S, W/ |6 k) t, o3 d, l要真正了解一种干化工艺,进行一些设计分析是必要的。空心桨叶从过程工艺角度看是较为简单的,其特性主要是机械形式决定的。" B( p+ H2 B& A3 Y* K9 f2tech.cn

* q: v' g+ |$ K2 P# y根据日本Tsukishima Kikai 公司系列空心桨叶设备的尺寸,我尝试建立了一个空心桨叶干燥器的设计模型。
, _: X" ]4 D8 X
# d8 ]6 H3 h. }. _' g5 r: I选择其中换热面积100平方米、有效容积6.66立方米的ID 1000DSL-K型双轴设备作为参考,根据其标注的尺寸,利用几何学知识,不难求出截面上各位置的面积。对加热主轴长度进行设定,即可求出干燥器的总容积。. ~3 z: M" @9 o- ?: S2tech.cn

" e1 Z% J0 L6 E  G" X由量图知,桨叶所围出的两个扇形面积夹角一般为144度左右。桨叶直径已知(1米),给出主轴直径(0.3~0.5米),则扇形换热面面积可求。  Z. W& \: r' U3 d4 q8 D3 ?2tech.cn
3 E- F) Z. ^8 S' H" Z& r+ Q; c2tech.cn
根据干燥器内桨叶布置需要,可设定刮板宽度、桨叶最大厚度、桨叶最小厚度、刮板间最小公差。在上述参数给出时,可认为桨叶的径向外缘为一梯形,其高为桨叶扇形的弧长;主轴的换热面积为加热主轴总面积减去桨叶焊接面积(主轴上144度扇形弧长,宽度为厚度),则桨叶的外缘换热面积、主轴有效面积均可求,从而得到干燥器的实际换热面积。# F" G; z* b, b! `7 g2tech.cn

- ~! u: L5 O# h- k, j8 B; `由于换热面积和有效容积已知,上述假设各项尺寸、主轴直径、桨叶数量以及加热轴有效长度的给定均会影响上述两个已知参数。
) x& v, b; Y8 z8 z6 `
" U" X: H* x% W" E通过建立体积和换热面积的两个方程组,可解出一组同时满足两个方程组的数据:- b4 ?/ y# t7 b2tech.cn
4 v# U5 j5 X- o; z  o& q2tech.cn
- 当主轴直径为0.41 米时,加热主轴的长度约为6.15米,基本符合干燥器体长度6.27米的原设计值。此时,桨叶、主轴和W形槽的换热面积分别占总换热面积的64.6%、13.5%、22.0%,也符合一般所说的换热面比例分配。
+ S2 e* A* u# |6 Z+ ?' y4 u: l! ~在结论基本正确的基础上,可确认以下几个关键取值具有可参考性:! z. q2 |( K( O2tech.cn
- 刮板宽度50 mm、桨叶换热面最大厚度40 mm、最小厚度14 mm、刮板间最小公差3 mm;$ F8 H$ o$ e. F: `( U& m6 T# m2tech.cn
- 桨叶总数量58对,116个;5 z5 }/ E, l/ V' w. Q) ~8 u$ {2tech.cn
- W形槽的弧直径1.006米,即桨叶刮板与W形槽换热面的距离只有3毫米;
9 w  @; g/ {5 A. U2 v% W/ C# j9 x
$ H& U0 z/ J! o0 ~0 ^分析过程中可注意到取值范围极窄,特别是刮板宽度和刮板间最小公差。这意味着干燥器的设计极为紧凑、“精密”,其目的可能是为了减少W形槽换热面的死角。
" A  S5 v/ C' X' y: _5 g5 h0 j" B, ~, [, g. e2tech.cn
套用此模型,可分析其它一些机型的参数。比较这些参数,可发现其中的某些规律。这些规律是解读空心桨叶干燥器的钥匙。
2 D- B/ j& l  ?1 q, U( n0 H
& M$ k, T- Y# s1. Komline 13W2200机型
* ~: @" U5 S4 c& w
" e5 t3 J  |2 l1 _已知KS干燥器13W2200具有204平方米换热面积、18立方米的有效容积。应用模型可分析其可能的构成如下:5 W, m* a0 Q9 T4 |* w7 D* b3 D% A2tech.cn

2 P/ r2 M. r' U/ }$ _- 当主轴直径为0.50 米时,加热主轴的长度约为10.06米。与ID 1000DSL-K型比较,换热面积增加一倍,有效容积增加约2.7倍,而加热主轴部分的长度仅增加0.67倍。此时,桨叶、主轴和W形槽的换热面积分别占总换热面积的64.6%、13.0%、22.5%。其它关键取值:* w- N. p- f; l; C2tech.cn
- 刮板宽70mm、桨叶换热面最大厚度60mm、最小厚度20mm、刮板间最小公差4mm;
6 o* K* `! I) U& j1 G, l- 桨叶总数量68对,136个;
5 q% y' S/ |  i$ P9 K. ?0 c, }- W形槽的弧直径1.34米,即桨叶刮板与W形槽换热面的距离仍只有3毫米;
0 a& ?$ o/ P/ N+ j0 z$ x
8 \* d) k8 G, p$ d2. Komline 13W2500机型+ L, D$ Y; T* m% p% F2tech.cn

5 `7 o1 v# Y% K9 S! t已知1995年美国某个工业污泥项目上提供了一台型号为13W2500的空心桨叶干燥器,换热面积232平方米。该项目处理量每小时4535 kg,含固率25%,干化至90%。
2 I2 @4 o% c) R
9 \) E/ T4 v8 r; o在前述204平方米干燥器模型基础上,分析此干燥器的可能构成如下:
  y0 r) n( Y* r# A$ i6 b$ u5 Q3 c/ P6 T2tech.cn
- 因所需桨叶数量增加,适当增加主轴直径至0.56 米;
, _5 j; _2 E8 U- 桨叶总数量78对,156个;
! N8 D# P; y2 p6 J( e! X- 加热主轴长度约为11.54米;/ {% t& ^# c7 g  T7 M. f4 f2tech.cn
其余设置不变,此时有效容积增加为20.5立方米,较13W2200机型增加了约14%。桨叶、主轴和W形槽的换热面积分别占总换热面积的62.4%、14.6%、23.0%。
3 Z6 m. ?5 `+ _% Y6 x0 G4 I
& h! P2 y, s! E1 p3. W12机型$ R1 C( v" D  y- k) a- e, x2tech.cn
6 X, A9 |" `  Q# C2tech.cn
已知百得干燥有限公司空心桨叶干燥器系列最大机型W12的参考尺寸如下:传热面积110平方米,有效容积9.46立方米,器体宽2.21米,长6.122米,进出料口距离5.664米。这意味着干燥器加热主轴长度应在器体长度和进出料距之间(5.664~6.122米)。
+ ?+ j6 X9 ?$ S/ l- D1 l# N
$ p: L% @* j& h0 l与ID 1000DSL-K相比,12W的换热面积增加了10%,有效容积增加了42%,而加热主轴长度可能短了约40~60厘米,这意味着所增加的换热面积主要在桨叶上,需增加桨叶直径。* M! ^& N/ k. Q1 C( {' C2tech.cn
试算获得如下一组数据:9 y6 Z8 [# m( ?! b2tech.cn
. S: ^& y+ R+ t* g2tech.cn
- 当桨叶直径为1.25米、主轴直径为0.56 米时,加热主轴的长度约为5.84米。此时,桨叶、主轴和W形槽的换热面积分别占总换热面积的60.7%、16.1%、23.2%。
3 `. X1 t: h% E+ }. `8 ^2 f2 {其它取值:8 O7 A  [  z: Q2tech.cn
- 刮板宽68mm、桨叶换热面最大厚度50mm、最小厚度14mm、刮板间最小公差5mm;( {8 I1 I1 o5 ^/ t5 c; j2tech.cn
- 桨叶总数量40对,80个;
6 A# R- A+ ]/ g4 n; y0 a* o- W形槽的弧直径1.256米,即桨叶刮板与W形槽换热面的距离只有3毫米;
. M: ?7 _: D4 D5 z7 }0 T( c
3 ]8 S' g$ r  j1 Q1 n  i& \0 `将上述计算数据列表如下:
& s$ O1 B% u) B  v
机型
单位
ID1000DSL-K
13W2200
13W2500
12W
换热面积
m2
100
204
232
110
有效容积
m3
6.66
18
20.5
9.46
桨叶数量
116
136
156
80
桨叶直径
m
1.0
1.3
1.3
1.25
加热主轴长度
m
6.15
10.06
11.54
5.84
主轴直径
m
0.41
0.50
0.56
0.56
刮板宽度
mm
50
70
70
68
刮板间最小公差
mm
3
4
4
5
桨叶换热面最大厚度
mm
40
60
60
50
桨叶换热面最小厚度
mm
14
20
20
14
换热面积/有效容积比

# V0 L' G: S% z6 ~! h
15.0
11.3
11.3
11.6
长径比*

& J. p  Q* f" g( L
15.0
20.1
20.6
10.4
桨叶占换热面积比
64.6%
64.6%
62.4%
60.7%
主轴占换热面积比
13.5%
13.0%
14.6%
16.1%
W形槽占换热面积比
22.0%
22.5%
23.0%
23.2%
1 @: N& i9 c3 W4 O7 s. [$ i' S2tech.cn
* 仅指加热主轴部分的长度与主轴直径之比,不同于实际主轴长度与主轴直径比
3 _2 R2 u0 V0 j6 k; c$ j
1 W% J: I# a/ F) A, _# K计算所得到的结果与实际机型对照肯定会有某种差距,但它在一定程度上可仍可反映空心桨叶干燥器内部结构的关系,这些关系是进一步分析空心桨叶干燥器特点的参考。* W7 m: V, y* @3 @2tech.cn
根据上述计算,主要观察要点如下:
4 i  S, D" B% P# I# @( g: p: s4 h2 M! z/ n0 g' I8 q& X: K3 }2 A2tech.cn

' A5 J" h& P: r$ F—    从换热面积/有效容积比可以看出,空心桨叶干燥器直径越大,有效容积越大。有效容积是反映空心桨叶干燥器污泥干化的重要状态参数。# h( G: x0 g" ?, }9 v" i' o& b2tech.cn
—    刮板的宽度及其间距是决定干燥器加热主轴长度的重要数据。它直接影响W形槽换热表面的更新状况。. r1 X+ E4 b: S/ j3 H& t0 H# a2tech.cn
—    主轴越长,则桨叶的直径可以越小;反之,桨叶的直径越大,主轴可以越短。短(粗)主轴便于加强其机械强度,但也带来有效容积的上升。
, M8 z5 Y7 @2 v—    长径比越大,主轴制造的精度和结构强度要求越高。国产机的长径比较国外设备低了很多。
1 A7 C* F. z( F: y7 Y/ w—    桨叶换热面的厚度应与钢板厚度相关。一般传导型干燥器的换热面均采用12~14mm碳钢或10~12mm不锈钢板成型焊接。桨叶的最大厚度减去两倍的钢板厚度,即为中空热流道的最大理论厚度(若不考虑其它支撑的话)。1 G! D# N3 Q& @8 I9 x7 ~2tech.cn
—    从换热面积的分配比例看,桨叶占60~65%,主轴占14~16%,W形槽占22~23%,这一范围是基本确定的。这意味着空心桨叶干燥器真正靠机械更新的换热表面只有22~23%,其余均需纯靠物料本身的剪切力(这一点与文献所提到的数据完全吻合)。; x! m# G  k4 R. D& Z3 S2tech.cn
—    以物料本身剪切力为特征的换热表面更新将不得不十分倚重物料本身的流动性。而要实现此流动性,干泥返混可能是惟一可用和可行的手段。
, \: }: R" Q. |7 H

9 k, ]' K7 q! Z2 G0 c
$ A$ K1 p! Z$ B% [% U* ]5 c
三、空心桨叶干燥器的物流分析

7 e! H6 j" r, k' U; @( c
! }2 @4 F# A- F5 V; b       有了空心桨叶干燥器的机械模型,就可以量化观察它作为一种污泥干化工艺的物流特点。
4 N6 w/ i8 j" A: A' B  [- L/ H1 k1 b$ a# [3 D' n& |! K3 h( V2tech.cn
       影响干化物流的主要有6项参数,处理量、湿泥密度、干泥密度、湿泥含固率、干泥含固率、返混含固率。其中,处理量可以假设为一个定值,即承认厂家所给定的设计蒸发量有效不变。湿泥和干泥密度可以假设为定值,过程中的密度呈线性分布。这样所需研究的仅有湿泥含固率、干泥含固率、返混含固率三项。
6 l! G3 n6 X# i7 r" I2 t2 @, r, U( |: G, E' k; G1 [4 O# W2tech.cn
限于篇幅,以下不详列过程,只讨论结果和观察:
: U) v3 v, K# S' ~& K# n4 [/ N- Y
- J4 o* r. h" e: V- n1、平均进料含固率的影响
& B; P, s4 L$ C1 Q
% D. M7 u8 I) m* W) O当污泥干化工艺采用干泥返混时,返混比以及物料在干燥器内的停留时间是主要关注对象。根据我所得到的多份空心桨叶干化方案,可以确定这种工艺是需要干泥返混的,尽管量比某些典型的返混工艺要少得多。7 g" G; s( k  Y% f2tech.cn

) A* r2 p) k  f. a) p% F2 ?$ g仍以某13W2500型空心桨叶干燥器项目为例,进行物流分析。全干化时(含固率90%以上),干泥的平均密度一般低于600 kg/m3,含固率25%的湿泥密度取1000 kg/m3。方案所给出的13W2500机型蒸发强度为14.1 kg/m2.h。取返混后平均进料含固率为变量,试算取值区间40~65%。结果如下:5 k' @4 @" p- T2tech.cn
3 ^( X! @. |/ q1 s2tech.cn
【返混比例】 指处理1份质量的湿泥需返回的干泥比例。当入口平均含固率取值40%时,仅需返回0.3份的干泥。而取值65%时,返混比将上升为1.6,相差可达5倍之多。平均进料含固率取值低时,所需输送的干泥量少,干燥器内物流输送速度低。由于干燥器的斜度小,低速流动对降低干化过程中的粉尘有利。
8 W, b* \9 ]7 ?; P6 {" D
; {+ h8 o1 m, y; [, `) j. v【停留时间】空心桨叶干燥器文献中常提到所谓“有效容积”,可能是指物料刚好浸没全部有效换热面积的净容积。在考虑污泥平均密度前提下,要满足空心桨叶干燥器正常运行的需要(最大限度地利用好换热面),干燥器内需保持一定的填充率。可假设污泥的容积恰好等于该“有效容积”。; [! ~) u& m' r. V8 Y2tech.cn

+ w6 F' `& U, m: B0 T当污泥容积恰好等于干燥器有效容积时,污泥在干燥器内的理论停留时间应在1小时12分至4小时30分之间。其中,40%平均含固率为269.4分钟,45%为208.6分钟,50%为161.8分钟,65%为71.5分钟。参考不同文献所报道的空心桨叶干燥器处理时间,可判断空心桨叶干燥器所取的入口平均含固率应该在50%以下。6 j$ P8 u- ^& k0 J( `2tech.cn

, S# Q( F9 S5 s% G$ O【干燥器内污泥留存量】指在瞬间停机时,干燥器内污泥的总留存量和干固体量。对此干燥器来说,入口平均含固率40-65%,对应的污泥存留量在15000-13400 kg之间,干固体量在10600-9100 kg之间。即平均入口含固率越低,干燥器内物流量越大。从工艺角度来说:3 n; O3 u* `/ P+ y2 i2tech.cn

, O8 j/ j7 f' c  Y9 k! `6 l4 Q-    每处理一公斤湿泥,在干燥器内至少要保持2~3公斤以上的混合物流,其中的三分之二以上为干固体;2 r! j6 B: O3 w( k. b8 {. i2tech.cn
-    在初次启动或长期停机后重启时,可能需准备2~3倍于湿泥的干泥;
- q* W: a7 u# u# @. E  L' b-    在停机时需要较长的时间对干泥进行自然冷却;2 k) a$ x4 \4 V, n; i& A$ W2tech.cn
-    瞬间停机时,干燥器内干泥的绝对存留量达十几吨不能清空;长期停机储存可能引发自燃事故;( a3 h  ?( [+ \2 ]% O2tech.cn
-    当长期停运必需清空时,因桨叶没有轴向推进作用,有相当一部分污泥可能无法靠重力清空,此时可能需要打开底部放空口,用水冲洗,但这会造成大量干固体进入水中;0 @  ?* Q$ f( l3 ~; k2tech.cn
-    与大量干泥相关的安全性(粉尘、温度、自燃等)成为一个不容忽视的潜在危险;
! _- c! n, K" k" n7 O8 f6 h. W6 m  t7 f5 I6 h! y: ~9 P* }5 R. Q1 f$ l2tech.cn
【干燥器内平均含固率】指在瞬间停机时,干燥器内总物流的平均含固率。入口平均含固率40-65%,干燥器内平均含固率70.4%-68.1%,即入口平均含固率越低,平均含固率越高,由于干泥返混的原因,此区间较为窄狭。6 I" P! O+ w' q2tech.cn
5 R+ k8 z7 }. a5 F  C# M9 f2tech.cn
就污泥的流动性而言,事实上入口平均含固率低、停留时间长,其干燥器内平均含固率反而高,这样更有利于蒸发。这一点对于前面所推论的“返混入口平均含固率低于50%”是一个支持。- s0 z( ~- S' D+ z9 F2tech.cn

, j7 P  m' K4 o2 }! x- ~【干燥器出口体积流量】干泥的体积流量是涉及传导型干燥器安全性的一个重要指标。此值越高,在干燥器尾部的污泥流速越快。由于干泥的卸载是通过溢流堰凭重力进行的,密度低、质轻的污泥有可能在排出口上方搭桥,尾部一般难以设置机械破拱和排料装置,搭桥和堵塞有可能造成安全事故。
5 \- F$ L! D& ], U5 p$ c) [' Y0 i. N
+ q9 `! U( r1 L根据计算,入口平均含固率40-65%,则出口体积流量在4.4-14.2立方米/小时之间,入口平均含固率越低,流量越小。
5 [9 r1 Q3 `. M0 w& O/ ^8 Z) L0 r) g4 c! r+ V, n, W( D2tech.cn
当采用较低的返混后平均含固率时,干泥在干燥器内的流速较低,流量小,这对于内部没有任何机械推进机构、完全凭借干燥器倾斜所造成的重力原因下载的空心桨叶干燥器来说可能是十分必要的。在此,进一步支持了前面的推论:返混后的入口湿泥含固率应该低于50%。
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2、湿泥含固率的影响
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; f( [  h" J- ^( X       仍采用13W2500机型。取返混后平均进料含固率为40%为定值。仍维持此干燥器的蒸发强度为14.1 kg/m2.h,即蒸发量不变,调整处理量为相应定值。取湿泥含固率为变量,区间20~30%。
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- K. G$ u% k! z2 P1 v4 f【处理量和蒸发量】在湿泥含固率为20-30%之间时,处理量在4200~4900 kg/h之间,以含固率2%为间隔,蒸发量落在3267~3285 kg/h之间。& j0 J" d4 q! n5 {# r9 T2tech.cn

2 ?% \# ]- I& Q: M$ L/ o( T【返混比】在湿泥含固率为20-30%之间时,干泥返混的重量比为0.4–0.2,返混比随着湿泥含固率的上升而下降。
2 |/ t, u  C+ l1 p! E
$ B: K+ Q+ J9 e! m4 y5 R【停留时间】在湿泥含固率为20-30%之间时,停留时间在4小时25分~4小时39分之间。湿泥含固率越高,其在干燥器内的停留时间越长。从这一点看,对低于20%含固率的湿泥干化,只要有返混存在,倒不是什么问题。5 L8 u% U0 {  I2tech.cn
7 ?& }3 H/ ?: X5 O2tech.cn
【干燥器内污泥存留量】在湿泥含固率为20-30%之间时,存留量在14766~15381公斤之间,干固体量在10388~10937公斤之间,相差不大。
; b1 f* W0 k+ N- h; \; D' h  C. K1 Z, ~- i- m1 Q; W; S5 a, p) k" ~2tech.cn
湿泥含固率增加,干燥器内的污泥存留量也随着增加。干燥器内仍具有干固体量积存量高的问题。8 Z% w6 [; J- d$ P% L0 t7 Y* ^2tech.cn

& \( o! R9 ]1 Z" K! c1 N3 u2 ^【干燥器内平均含固率】在湿泥含固率为20-30%之间时,平均含固率落在70.1%-70.9%这样一个很窄的区间内。
) F" i6 y- c1 [4 K3 i" u$ R) I9 l) y8 P$ D9 E2tech.cn
在出口含固率一定时,湿泥含固率的变化,并不影响干燥器内平均物质干度高的特点。, q2 M+ o$ r: i7 n1 ]+ \3 _2tech.cn

! U( T* G, g# t+ |' R! T3 h3、干泥含固率的影响/ y+ P* B" _7 F& _2tech.cn

* y' s* i2 _5 ^0 W1 O/ X' w本项试算的目的是考察空心桨叶实现不同干度污泥干化的可能性问题。
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* p! c. ~3 b& {仍采用13W2500机型。取返混后平均进料含固率为40%为定值。维持此干燥器的蒸发强度在14~15 kg/m2.h之间,通过调整处理量和进料含固率,获得此区间的蒸发量。取干泥含固率为变量,区间45~95%,以10%为间隔。       7 z) {1 X; b6 R3 |2tech.cn

) w' x, P" ]4 m* Z/ c; J【处理量和蒸发量】当干泥含固率为45%-95%时,处理量将取在4400~5900 kg/h之间,蒸发量落在3242~3506 kg/h之间。假设此蒸发量在13W2500的范围内。$ p& I$ S2 B; l( r4 t2tech.cn

( ~: W  ?/ y; }4 x& a【返混比】当干泥含固率为45%-95%时,对应的干泥返混比为4.0-0.25。随着干泥含固率的下降,返混比会急剧上升。在出口含固率为45%时,返混比高达4.0,从物流角度看,这是不可能的。: ~, _+ h1 z/ I  q2tech.cn
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这里可以提出第二个重要推论:低含固率时很难实现干泥返混。换句话说,如果空心桨叶干燥器考虑采用增加物料本身的流动性,通过物流之间的剪切力来避免湿泥在无法采用机械手段更新的换热表面上黏附的话,它必需提高干泥的含固率。这也就是说,空心桨叶干燥器基本上不能实现低干度的污泥半干化。/ A; i" d/ J. `+ m2tech.cn

8 s0 ?" `% [4 ]* q* y8 n【干燥器内污泥存留量】当干泥含固率为45%-95%时,干燥器内的瞬间留存量为16748-15125公斤,干固体量为6062-11288公斤。随着干泥含固率的上升,干燥器内的总物质存留量略微下降,但干固体量大幅度上升。; W) N, ^6 l5 J, t. o5 W6 F2tech.cn

& \; U4 K8 d, r7 m1 @8 ^% R6 L从总物流量看,可证实空心桨叶干燥器无论实现何种干化含固率,均需在干燥器内维持较高的物流量的观察结论。' }1 o* O$ h; z# R2tech.cn

! `# a6 s5 H* Y% F$ \; F【干燥器出口的干泥流量】当干泥含固率为45%-95%时,污泥在干燥器出口的体积流量为32.8-3.9立方米/小时。随着出口含固率的降低,干燥器出口的体积流量急剧增加。全干化时,最少流量只有3.9立方米/小时,而低干度半干化则需流动高达32.8立方米/小时。: b- `/ J" E5 a6 o2tech.cn

9 f  R9 }/ m5 x1 `( j$ r对体积流量的观察有重要意义。干化污泥的干度越低,如果仍进行返混,所涉及的半干化物流量会极大化。在实际应用中这是不可能的。这一点亦可证实前面的推论:低干度半干化时难以实现干泥返混。
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5 H" {7 r' y4 }5 I! C$ O9 p【停留时间】当干泥含固率为45%-95%时,污泥在干燥器内的平均停留时间为30.8-302.4分钟。从停留时间上可注意到,随着出口含固率的提高,污泥在干燥器内的停留时间延长。最长可达5小时,最短才30分钟。/ [$ ?' H1 O2 i( @$ K6 W6 F2tech.cn

5 `- g; r6 q8 q) e使物料在很短的时间内通过干燥器,需要有较为有力的输送机制。空心桨叶干燥器的桨叶和刮板恰好均完全没有此轴向推力。
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以含固率55%时的物流量为例,要想使大量污泥(6.21立方米,对应的干泥输出体积流量12.1立方米/小时)在30.8分钟内走完约12米的行程,假设污泥形成一个以干燥器截面宽度2.27米为宽、平均厚度0.05米的污泥层,该污泥层应达到0.182米/秒的流速才能实现。不难想像,在空心桨叶干燥器中类似的物流移动速度是无法实现的。1 g3 V$ |* s) a% O# q' A2tech.cn

( G5 d9 t# |; b6 Y' W这一点可证明前面的推论:在低干度半干化时,空心桨叶干燥器无法实现干泥返混。
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【干燥器内平均含固率】有研究文献已经指出,干燥器内的污泥平均含固率对空心桨叶蒸发强度具有重要影响。当干燥器内的含固率低于76%时,物料尚没有超越其黏性区,颗粒间的分散状态不佳,流动性差,将影响传热效果。4 A0 b1 l; @# h$ q! p% o2tech.cn
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当干泥含固率为45%-95%时,干燥器内物质总量的平均含固率为32%-76%。出口干泥的含固率越低,平均含固率越低。当出口最终干泥产品含固率为65%时,干燥器内物流的平均含固率不到50%,这意味着干燥器前半段的平均含固率仍完全处在理论上所谓的污泥“胶粘相”区间内(约32~57%),其换热条件可能不佳。. ?' R) |6 A7 N2 f! f2tech.cn
5 V" D0 m: y2 s. R$ }2tech.cn
对平均含固率的分析结果表明,空心桨叶干燥器可能难以实现污泥低干度半干化。
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四、空心桨叶干化的业绩统计
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空心桨叶干燥器据说最早在德国发明,后被日本引进并改良。目前在日本有多家制造商,其中日本株式会社奈良机械制作所的产品最有代表性。从专利和技术来源角度看,欧美市场的技术来源都直接来自奈良(Nara)机械制作所。
9 Q6 \( o" c' l) g. u9 S' l! p; c+ j- Z4 x3 K( c/ p3 Y: K! K: ^2tech.cn
在欧洲,奈良空心桨叶干燥器的工艺专利制造许可(大约在1982年)被授予了荷兰吉美福高达公司(GMF Gouda),它与法国得利满水务集团合作开发了污泥干化领域的商业化应用,产品商业名称“NaraTherm”,此合作至2003年底结束。5 ]( m  F% r6 i0 D9 w# D2tech.cn

  s1 H% \# u% [$ a8 Z+ x北美市场的许可权授予了美国Komline Sanderson公司。但最近吉美福高达通过与美国Fenton建立合作,开始进入北美市场参与角逐。9 s  ?) _6 g& @* T% Z2tech.cn
1 X( S# l/ ?% c0 c5 X; y+ e2tech.cn
日本众多公司均有类似的技术,是否仍有专利授权方面的限制不详,这些公司目前也都来到中国逐鹿。
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9 e! R- R) Y8 ?国内干燥工业对这种双轴空心桨叶干燥机有一定的了解,早在七十年代国内就有单位进行了试制,限于当时技术条件和所设计的热轴结构过分复杂而中途停止。八十年代后期一些新的染料、化工、石化项目上进口了一些干燥器,由于价格昂贵,90年中石化总公司正式立项委托化工部化工机械研究院干燥设备所仿制和开发。5 ]- k% \: B* Q3 W( S& J4 l+ I2tech.cn
% @- G% L! B- z6 G) K2tech.cn
作为国产化重大装备科技攻关成果,在中小型设备方面已完成系列化。目前国内已有十几家企业可生产这类干燥器,在污泥干燥领域的应用,目前尚处于最初的经验摸索阶段。
2 S7 P% k/ @6 A4 t+ z& |0 X& P! J7 O/ D2tech.cn
根据我的不完全统计,国内已申报专利或已在进行大规模商业化推广的厂家有:常州范群、广州凯诚、靖江万泰、兰州瑞德、三门峡百得、三门峡巨扬、上海科锐驰、上海桑菱-中国节能、绍兴三原重工、苏州瑞泰、苏州自力化工、武汉路德科技、浙江大学、浙江化工、中国铝业、南京理工大学、金川集团等。
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5 f( w8 b" u( k6 }2、污泥干燥业绩与运行情况0 s& @4 n& w! E7 |& ~$ H' m" n: r2tech.cn

4 w! f0 X& ~& j1 |根据目前找到的各家业绩表进行综合统计,从1990年至2005年底,欧美市场的污泥干化总装机量约82条,总装机处理能力169170 kg/h。但按照Fenton的说法,仅吉美福高达一家就有200个业绩,这一点因无数据支持,难以采信。不管怎么说,空心桨叶应该是干化领域应用数量最多的工艺之一。但值得注意的是,空心桨叶干燥器的在运行率并不高,业绩表上的大量项目均早已废弃,甚至某些就从未运行过。
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有关运行情况,可能较为有代表性的是得利满(Degremont)集团对此技术的应用史。1991年得利满首次在法国Bordeaux项目上采用了一条处理量为每小时500公斤的6W32型设备(此业绩已从得利满业绩清单上消失)。1995年得利满再次在法国Saint-Brieuc Cotes-d'Or 项目上采用了空心桨叶干燥器,型号为12W120,处理量2500 kg/h。1998年再次试用了两条6W32机型。6 w% q# ~0 Q7 Q2tech.cn
9 A; T# b( [0 m  j) z2tech.cn
从2001年开始,得利满获得了Gouda 公司的惟一授权,开始在污泥干化领域展开大规模推广和应用。从2001~2003年年间,装机量23条,这三年得利满的推广数量占了欧美市场上空心桨叶干燥器装机量的100%,且在处理规模上和绝对数量上达到历史最高峰。从推广力度上,不难看出得利满对此工艺的重视程度。! v. V- T7 X7 L1 x- z2tech.cn
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但令人意想不到的是,得利满集团在2003年底突然做出决定,彻底放弃空心桨叶,改推瑞士Innoplana公司开发的InnoPlana薄膜带式两段式干化工艺。放弃多年辛苦积累的多达27台套的业绩,改推一种仅有2~3个小型用户的新工艺,意味着在市场上需要付出更多代价。这一改弦更张的背后,一定有着某种令人深思的隐情。事实也确实如此。
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' M4 @- i, l& V  `( o- h2 n得利满放弃空心桨叶的原因,在于这种工艺的运行状况十分不理想,在众多项目中,绝大多数无法正常运行,难以保证项目的设计值。由于多数项目的运行商事实上是得利满集团自己,因干化含固率不合格,处理量达不到设计规模,灭菌效果不佳,干化污泥无出路,臭气排放不合格,运行率低,公司付出了惨重的经济代价。在纯建设项目上也因迟迟不能验收,工期一拖再拖,设备的反复改造,而带来了难以承受的成本超出。装机最多的英国市场,使得利满英国甚至一度以一欧元的价格标价待售。7 R, `( g4 ]2 F1 z9 {2tech.cn

( B+ T. l2 o0 X. x有关空心桨叶污泥干化项目运行不良的报道时有见于报章:
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  \3 {8 }5 ^" f  T-    2002年11月投运的英国Levenmouth项目,客户名称Scottish Water,采用Nara工艺,型号14W190,两条线,处理量每条4550公斤湿泥,从20%干化到90%后焚烧。污泥为市政和造纸污泥。该项目至今未能正常运行,断续运行两年后,因臭气不断遭到投诉,2004年以后长期停运,计划除臭设施的建设。因干化部分的问题而导致整个项目的验收延迟了至少3年。
0 U$ x2 A$ o9 q* n-    法国Limay的Plaisir,位于Yvelines省,Limay是巴黎西北部一个小港口名,人口50000 PE。在这里2001年招标建设一个废物处理中心,也处理市政污泥在内的废物。Lyonnaise des Eaux (苏伊士水务,得利满的母公司)中标,采用了一条Nara干燥线,型号8W40,处理量905公斤/小时,从20%到90%含固率。每年应处理7-80000吨16-55%的工业和市政污泥。该项目一直是按照污泥干燥后农用设计的,但苏伊士水务2006.6.1-7.1间得到许可将举行一系列听证会,以讨论现行的农用出路问题(取消农用,改为焚烧)。该干化线很小,只能处理实际需要的1/10。这次工艺路线改弦更张的背后实际上是干化线运行不良。9 A& I1 m- h( V" k" p( r7 V6 U2tech.cn

* J6 l& B) O0 ?, L/ ]上述两个项目曾被得利满的姊妹公司SITA(苏伊士水务集团属下负责废物焚烧和处置的子公司)作为污泥干化的负面案例而公开引用,并邀请了中国客户考察。
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$ A5 T" X. Y' a$ a# X3 z7 j3、业绩分布与构成# T4 m% M: n/ Z) r' {, ~+ u2tech.cn
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对空心桨叶污泥干化在业绩方面的构成进行一些分析,可以得到某些重要启示。" E% Q- v! H9 i% x2tech.cn
! u$ [& l$ w0 v% d2tech.cn
空心桨叶干燥器在欧美市场的技术制造商为两家,但技术提供商事实上是三家,即美国KS、欧洲GMF Gouda和得利满(Degremont)。5 j5 s. D0 @' U2tech.cn

' v% g, W# Q2 d4 }从业绩数量看,美国Komline Sanderson的业绩总数较多,为47台套,但全部集中在1999年以前,其主要应用领域在工业污泥方面,2000年以后未见报道。只在2006年以后Komline Sanderson有时才出现在东欧和中东的某些项目竞争中。Gouda在与得利满合作前的销售数量仅为8台套,在得利满放弃后至2008年底也仅有3-4台套的销售业绩。6 G  K% V& U$ g+ [2tech.cn

+ w/ R$ L' G- a从业绩的处理能力看,美国Komline Sanderson拥有半壁江山,得利满几乎与之平分秋色,荷兰Gouda直接销售项目的处理量份额极小。
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无论如何,得利满放弃空心桨叶,客观上对这种工艺的推广产生了负面影响,暴露出这种工艺可能存在某些本质上的缺陷。
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* W% ]1 G( d1 S& x3 G2 b0 C4、干化产品的干度统计0 d9 ]0 K& v' q+ C2tech.cn
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       大多数国外和国内的空心桨叶干燥器制造商均声称无需进行干泥返混,可实现各种干度的污泥干化。对欧美业绩进行一些具体统计,可了解其实际应用情况。5 G. h' l7 g+ W2 G9 V- ^: I' k2 t2tech.cn
3 y  A: i1 j2 o4 l! O8 B2tech.cn
       以国内含固率85%为分界线,全干化(≥85%)和半干化(< 85%)的处理能力分别为118792和50778公斤/小时,比例分配为70%和30%。全干化和半干化的数量分别为60和22个。
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       以含固率65%为分界线,介于65~85%的干度可称为“高干度半干化”,此时,全干化以及高干度半干化的处理量为140877公斤/小时,低干度半干化为28293公斤/小时,比例为83%和17%。就蒸发量来说,半干化所占比例将会更低。全干化以及高干度半干化的数量为70个,低干度半干化的数量为12个。
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$ p7 P9 O) e' B" X& t2 g进一步降低此分界线至含固率55%,此时全干化以及高干度半干化的数量为77个,低干度半干化的数量为5个,分别占总数的94%和6%。  Y4 E! p/ h$ i! ~: @& ?% c- N2tech.cn

3 {+ Z  [( o& X6 ]" Z此分界线降至含固率50%,全干化以及高干度半干化的数量为79个,低干度半干化的数量为3个,分别占总数的96%和4%。
  w) C: ^/ S- Z3 C; Z2 y, F( y8 z4 V2 @: O6 G' V/ P2tech.cn
不难看出,空心桨叶的业绩主要以全干化为主,少量为高干度半干化,极少数为低干度半干化。业绩从侧面反映出空心桨叶可能不适合低干度半干化的特点。
2 l0 m3 p! I+ e9 b7 |6 G' c# m6 J: E2tech.cn
5、机型蒸发强度统计2 M! w: ?8 x- T& ?2tech.cn
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在空心桨叶应用中有一项普遍报道的问题,就是设计蒸发量与实际蒸发量不符,主要是污泥在换热表面上结垢、造成传热系数下降所造成的。对应用机型及其蒸发强度进行统计,可以对此机型的实际取值有所了解。
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& ^& a1 B* l9 O在得利满的27个业绩中,最大单机蒸发量5056公斤/小时,最小71公斤/小时,平均1467公斤/小时。在这些项目中,每平方米每小时的设计蒸发强度最大23.8 公斤最小8.4公斤,平均15.7公斤。设计值如此,实际应用中低于设计值,则从实际业绩角度证实,空心桨叶干燥器的实际蒸发强度取值在8~14公斤之间是可能的。' b+ L" y! }. S* u0 I  \2tech.cn

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五、空心桨叶的主要工艺问题及原因

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) U5 s. B. q3 J$ t7 C根据报道,空心桨叶干燥的主要问题有:& v" [2 n: S( _& K* @% E2tech.cn
-    设备震动大、噪声大,影响操作环境;
6 A+ \. a$ [. I/ |! s-    轴和桨叶存在结疤现象
# v3 B( x5 N1 x! ?-    随着使用时间的延长,影响传热效果,需要定期治理;
2 }' p5 x) \) o9 k. A-    污泥形成抱轴、架桥、堵塞,严重时会使电机过载! H) I- M/ [) A9 i  U9 C2tech.cn
-    旋转接头因泄漏蒸汽,更换比较频繁9 R0 ]/ h0 o8 j5 L' W* ]& p' f2tech.cn
-    主轴轴承磨损,高温热流体工质大多数情况下需从空心主轴的主动端进,从被动端出。热流体需要从主动端主轴轴承和齿轮副中通过,造成轴承的工作温度很高,润滑状况差,使用寿命短。9 v1 t; K# [0 x2tech.cn
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       下面就一些具体问题进行讨论如下:
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1、换热面结垢的自然倾向
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" Y7 _, H- e3 {' m2 {- q震动、传热效果降低、抱轴等问题都与空心桨叶干燥器的一个污泥干化最常见的问题有关,即污泥在换热表面上结垢(结疤)。. A! J* d0 y7 T2tech.cn

: s3 `: N8 ~7 _% L% ~引起设备震动、产生噪声的原因不会是制造问题,如果同心度不佳,应该是可以解决的,但问题是在应用中产生的,则显然不是制造问题。
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空心桨叶干燥器的介绍材料指出,“由于两轴桨叶反向旋转,交替地分段压缩(在两轴桨叶斜面相距最近时)和膨胀(在两轴桨叶面相距离最远时)斜面上的污泥,使传热面附近的物料被激烈搅动,可以提高传热效果”,“根据污泥的磨蚀性、压缩性、内摩擦、外摩擦以及随水分或溶剂的连续脱除污泥各种性质的不断变化,而采用相应的叶片结构,是空心桨叶干燥机的核心技术”。6 I" K* Q3 l' ^- n2tech.cn
0 Q5 q" X% z% y% X' ]2tech.cn
通过对空心桨叶干燥器内部结构及其物流进行分析,我发现其换热面积的77~78%是依靠物料颗粒和桨叶之间的机械剪切力实现换热表面更新的。尽管桨叶的旋转可实现激烈的搅动作用,但如果物料的黏性使之黏结在换热面上,物料颗粒之间不能形成足够的剪切力,使颗粒滑离换热面,则换热面无法实现更新。
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- `1 y2 ], e; U% g2 O所谓剪切力,即所谓“内摩擦、外摩擦”,是指颗粒和颗粒之间、颗粒和换热面之间的颗粒受力时,形成与受力方向不同的运动。而要产生这样的运动方向,颗粒需具有适当表面形状、弹性(而不是靠水分子极性形成的黏合力)。在没有强烈机械破碎的外力条件下,被处理的污泥物料本身必需具有某种颗粒间的流动性,才能避免换热面结垢。  T7 J' n( T7 K9 W, u" N( ^8 L2tech.cn
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不幸的是,空心桨叶干燥器没有类似的机械破碎作用,桨叶及其主轴也没有换热面的机械强制更新(刮削)。其能否避免换热面结垢,完全在于污泥进料的物性本身。更确切地说,是依靠干泥返混。3 J0 [+ p* O) v" P; j2tech.cn

0 c$ S; f6 R& G$ e5 K' I2、传热效果降低及其传热损失幅度/ l4 D4 b. z, r: H' G% ]& h* `) z2tech.cn
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换热表面一旦结垢,会形成一层致密的干硬污泥层,紧贴在换热表面上,无法再依靠物料的剪切力进行冲刷和更新,必需停机和在冷机下人工清理。由于大量未干燥污泥停留在干燥器内,打开设备时,可能造成恶臭大量外泄。
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6 K2 ^- w  `6 W. t5 Z随着结垢的换热面增多,传热效率下降,久之,则工艺达不到预期的蒸发效果。蒸发量减少,污泥体积缩小的速度减慢,如果仍按原定量持续进泥,将使得湿泥块渐渐高出所设定的料位,在蒸汽罩内搭桥,形成死区,严重时可阻塞干燥器的出口。, G5 P" a$ n* `9 E: d( P2tech.cn
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污泥结垢会影响换热,这是非常易于了解的常识。定量地研究污泥垢层对传热的影响,不难了解结垢对空心桨叶干燥器的重要性。# z% ~# J: S" j# ^2tech.cn
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假设空心桨叶干燥器的设计蒸发强度是每平方米小时14公斤,设计热流量为每升水蒸发量净热耗680 kcal,污泥垢层厚度1mm,导热系数取泥土导热系数0.5W/m2.K,通过计算总热阻,可得到实际热流量。实际热流量与设计热流量比值的差即为传热效率的减少部分。
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污泥层对换热面导热的影响. P1 _/ R1 T3 s+ h" V' v9 b+ h) I" L2tech.cn
污泥层对换热面导热的影响
 单位
碳钢
不锈钢
干燥器的热表面厚度
mm
14
12
钢板的导热系数
w/m.K
45
17
金属内壁与污泥冷流体间传热系数
w/m.K
120
80
金属壁的外壁设计温度
°C
116
166
实际总热阻
w/m2.K
0.00231
0.00271
实际热流量
W
642
687
实际外壁温度
°C
138
188
热流量减少比例
%
19%
13%
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计算结果显示,对14毫米的碳钢换热面来说,1毫米的污泥垢层可能造成金属壁的传热效率降低19%,2毫米的垢层将降低32%,3毫米的垢层将降低41%。/ _- r! d6 [* H& u2tech.cn
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对12毫米的不锈钢换热面来说,1毫米的污泥垢层可能造成金属壁的传热效率降低13%,2毫米的垢层将降低23%,3毫米的垢层将降低31%!
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* u8 r2 ?, V3 I% b# B垢层的存在会造成污泥侧金属热壁的温升,该温度过高,对设备(密封、润滑等)可能产生不利影响。造成金属壁温升的原因在于热阻提高。! z2 L6 W# V' }2 p* _: Y. f% z' l2tech.cn

9 b3 W( ], O* r9 I4 ]4 N在1~3毫米垢层下,碳钢内壁的金属温度将从设计值116度分别升为138、160和182度。而不锈钢内壁的金属温度将从设计值166度升为188、211和233度。
3 i5 B! j0 b; g/ G6 R3 l, W5 D! ^+ J1 h8 W2tech.cn
高温下形成的垢层板结极为坚硬,很难剔除,可能大幅度增加维护量。
- d; m' \+ X: o- d# P% M' g" F5 i! k2tech.cn
由于污泥垢层的存在,热通量降低,干燥器的对数平均温差缩小;传热梯度的减小,对于主要依靠释放显热的热流体来说,如果原热流体温度低,则传热会更加困难。
) o, d" c0 X% U  k. r8 K. m- `$ S8 g# `3 Z0 f2tech.cn
垢层也将直接影响产品的含固率。如果不改变进料速率和停留时间,平均1毫米的垢层(14mm碳钢)将使出口含固率由设计值90%降低为73%。' K* E+ q# `$ [3 L6 n- u2tech.cn

$ F2 p: R: p) \8 ?: l$ X随着垢层和形成和逐渐加厚,还可能使得金属磨损(刮板及W形槽换热面)变得十分严重。而W形槽的修补可能是十分困难的。9 A4 }1 {6 u4 k# b( ?, j1 y2tech.cn

2 k. [- ]  E1 K- Y1 }% O从垢层形成的原理看,空心桨叶干燥器对湿泥含水率波动、物料黏性的适应性存在较突出的问题。这也就是为什么有些干燥器厂家(Komline Sanderson和Fenton)一定会在报价时要求被处理的污泥一定是消化后污泥的原因。
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. p  e) u  l$ {3 D结垢是造成空心桨叶干化项目实际处理能力常常低于设计值的主要原因。国外厂家的空心桨叶设计取值一般为每平方米有效换热面积每小时蒸发量12-16公斤,但运行起来发现,蒸发量只能达到8-12,实际发挥能力为设计值的60%。
; F* V7 \/ R& \9 @0 L9 w& z' N* U7 Q
% M% ]! i6 D' E6 o3、磨蚀及换热面保护问题' b& n( G) J) \0 q# ~2tech.cn
' T2 H6 a  p2 R2tech.cn
       根据上海石洞口、北京清河、重庆唐家陀等多个干化项目的运行效果看,磨蚀问题已成为国内污泥干化的最重要技术瓶颈之一。: R& m& B2 q! H2tech.cn
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       空心桨叶在国内运用刚刚开始,进口设备的首批项目(温州/昆明)正在执行过程中,国产机械只是进行了初步尝试,因此尚没有有关磨蚀问题的报道。但根据这种干燥器的工作原理,磨蚀也很可能成为成功应用的限制性因素。
' p- v0 y: M, D9 t  Z2 K" I) _, a; @% w( z2tech.cn
       首先,从换热面更新角度看,70%以上的换热面纯靠污泥之间的剪切力进行更新,如果污泥含沙,这种剪切意味着沙粒会在金属表面进行反复摩擦,形成砂纸般的打磨。, X: u" @6 S$ [2tech.cn

' L8 q3 i4 ?8 f) V# I' H" e       其次,从污泥在干燥器内的平均含固率来看,全干化时平均含固率超过70-75%,高干度半干化时也会超过55-60%,如果污泥含沙量高,裸露出的沙粒比例也会非常高;2 V2 Q: o. K! G/ r6 ^0 ?6 l' b3 v2tech.cn

" k0 l6 M' p5 B% {       第三,污泥干固体在干燥器内的瞬时流量非常大,这一点非常类似于流化床床料的作用,具有一个磨料的庞大基数。/ Y9 h' N# x6 M! c2tech.cn
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       根据国外厂家的方案,减轻磨蚀的方法是对桨叶进行涂层保护。一般采用热喷涂碳化钨涂层的方法,对后端15~25%的桨叶进行保护处理。但值得注意的是,热喷涂的附着力差、遇热解聚以及实际硬度呈层状不均匀分布等特性,可能使这些涂层维持不了多长时间。其硬度值本身也由于摩擦、磨蚀条件的不同,而有实际含义上的较大差别。
9 O2 C; }, D2 x3 r3 w3 V# L
3 P+ G( p- ?4 M& _  z3 G+ F+ E- W       具体来说,我们知道碳化钨涂层可能具有1200HV(维氏硬度)以上的硬度,它可能是采用金刚石锥以顶角为136°和小于5公斤的负荷测试得到的结果;而如果某耐磨钢材的洛氏硬度为33.3HRC(折合维氏硬度1060HV),它则是采用金刚石锥以150公斤的负荷进行测试的,尽管在维氏硬度值上涂层高于钢板,但这并不意味着涂层就比钢板更耐磨。恰恰相反,由于涂层一般只有几十到几百个微米厚度,随着钢材的热胀冷缩,热介质的高温可能对碳化钨材料分子结构造成降解,可能使这种保护很快失效。
; o& x' @- x" }5 r, S8 {
4 R# [' ?3 p" x       德国BUSS公司在1992年曾申请了一项专利(WO92/19345),针对其干燥器内壁易于磨损的问题,提出了设立一个耐磨材料覆层的想法。但从1993年到2002年之间该公司退出污泥干化市场达10年之久这一事实看,此专利实际似未能实施。3 }/ O) M3 C1 B2 T2 G1 l+ Z8 d2tech.cn
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       热喷涂保护在污泥干化领域的应用效果,还需实际运行来检验。仅从原理上判断,由于国内污泥高含沙量远高于国外,涂层保护的效能值得怀疑。根据国内在催化剂干燥项目上空心桨叶的使用经验(参考朱文胜等《桨式干燥器腐蚀原因分析及对策》一文),很可能需从更换材质(双相不锈钢)、表面喷涂、内部衬里等多个途径增强保护。
- P& {0 z" c- F2 b: T$ W" r# q% F! \4 r. |& ^# M+ M2tech.cn
4、干燥器清空及其粉尘安全问题
1 k1 D; _7 {9 T% ^8 T! H5 V  j- I) Y2tech.cn
       由于空心桨叶干燥器的运行机制就是物料需要漫过换热面,靠溢流板调节输出,这意味着干燥器内始终有很大的物料量积存,干燥器本身几乎没有轴向推力,固体机械清空将十分困难。何况这些平均含固率在60-70%以上的污泥作为“床料”,对再次重启是十分必要的,因此主观上也没有清空的必要。但由此可能带来一系列安全方面的问题,值得探讨。: G( {  c0 h4 K2tech.cn

$ y6 \; X. w9 U) R  X在正常停机时,干燥器内留存的热工质还将继续加热,除非采用冷介质进行冷却,干燥器内的污泥将保留很大的热量。这些热量可能造成局部污泥过热和粉尘化。
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正常重启时,未清空的干泥再次给热,将会粉尘化。7 ?/ r4 m: |/ k1 K1 W9 q9 q2 e2tech.cn
( F8 c; \+ `$ f& j2tech.cn
在紧急停机时,剩余热量继续加热的问题可能更为突出,特别是采用导热油的时候。6 @1 G, P  b8 I: I- i3 o2tech.cn
1 A; L7 a6 n6 a6 S; U0 E" _; j2tech.cn
恐怕也正出于安全原因,空心桨叶干燥器一般倾向于采用蒸汽作为干化工质,即使采用导热油,入口油温也不超过200度。除了机械热膨胀方面的考虑外,导热油安全也可能是不容忽视的原因。污泥在这种机械中的平均停留时间为几个小时,因此即使牺牲较大的温度梯度,也仍可以以加大换热面进行补偿,但这可使污泥过热的问题降低。- R1 M2 p) U/ q; [. Z, M0 ]2tech.cn
5 ~  C9 @4 F: V  ^4 M2tech.cn
       据一位曾在国外干化界工作过15年以上的资深人士讲,空心桨叶干化过去也曾发生过多起安全事故。这里因身份原因,不便透露案例资料,姑且存而不论。但基于本身的机制和原理,无法否认这种潜在的危险性。9 n  Z; q) B& T3 R/ X- ?2tech.cn
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4 V- u* D( k, e7 t4 ?
六、结语
! i. q7 N# a0 G" ]7 Q2tech.cn
$ l8 j5 ?& y* I2tech.cn
污泥干化工艺的特点一般是由干燥器本身机械特征决定的。分析到此,可对空心桨叶干化的优缺点总结如下:; N; U# P6 H- S* u/ R- {2tech.cn

' C: @! t) r: ?/ o空心桨叶是一种应用较多的传导型干燥机械,用于污泥干化处理,具有换热面积大、投资低、工艺简单、净热耗低等优点;但从得利满曾彻底放弃这种技术,使其失去了在竞争最激烈也最活跃的欧洲干化市场的主流地位,作为该技术的推广者兼最大用户,其内部评价及最终选择在某种意义上值得深思。9 o- S" {  o: b/ t2tech.cn

' ~. p4 Z3 \* m, Y/ y空心桨叶在处理有一定黏性的污泥时,有明显的结垢倾向;在热工设计时应充分考虑污垢系数。) b$ H" A. |& ~5 p2 v" s) n; x2tech.cn
/ j5 c" j7 w$ {$ G2tech.cn
空心桨叶干燥器内瞬间物流量大,加热处理过程中污泥因高分子聚合物的作用,可能产生较大的塑性,导致搅拌阻力大幅度上升,如何防止主轴的应力损坏是主要课题之一。国产机与进口机在主轴和桨叶直径上有明显不同的取向,小长径比可增强主轴强度,但可能带来物流量(粉尘量)大的问题。国内项目一般较国外大得多,因此大型机二次开发的问题突出。初次放大设计的干燥器在应力计算、机械稳定性、可靠性等方面还有待实践检验;
9 Q! F' f; @" B  e' Y+ `5 M. x, \2tech.cn
由于物流量极大,干泥返混实际无法避免,干燥时间长,部分已干燥颗粒过热的可能性存在(全干化温度可能超过100度,高干度干化污泥在干燥器出口的平均温度在90-100度之间),干燥过程中可能产生粉尘,因此系统的安全性值得予以特别关注;/ _9 C, G7 S0 W; ?8 _6 B2tech.cn

6 e1 r5 r8 h- ~5 Y0 d# x国内污泥含沙量非常高,污泥磨蚀性对干燥器寿命的影响应作充分考虑,简单的涂层处理能否满足需要,尚需实践检验;" @. l+ |& e( Y6 I/ q7 ?3 Y2tech.cn
: }2 _- [, g+ _2tech.cn
       从应用看,该工艺应适合于全干化或高干度半干化的场合。低干度半干化(含固率小于55%)不建议采用此机型。此外,该工艺须考虑湿泥本身的性质,未消化、有机质含量高、含沙量高的污泥应用可能有一定限制;国外应用主要以工业污泥干化为主,市政污泥只占很少一部分,原因也在于工业污泥性状更稳定、均一,市政污泥特别是剩余活性污泥性状变化较大,所谓粘壁和结垢恐怕都是这种性状异常造成的结果;
! D, ~# K* L- v! I- d0 r( O
& c- }) w$ Z) q! k$ @6 Z+ Y由于干燥器难以清空,维护可能造成较大的人工清理量,如果是水冲洗,需考虑去向及重新脱水(一般厂家建议采用工业吸尘器);换热面可能需定期清垢,但垢层的清除困难,维护条件恶劣,在人力成本高的地区需要需充分考虑。; d5 I7 n" F9 z6 V3 d2tech.cn

* U9 N( x# Q# m& S6 t4 o- \
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