4.欧洲干化设备的主要工艺类型
4.1.工艺分类
根据热能供给的形式,可以分为两个系列,每个系列分别有几种代表性的工艺:
4.1.1.直接加热方式:
转鼓式(rotary / drum dryers)
传送带式(conveyor belt dryers)
气动传输式(pneumatic transport dryers)
其它间歇式包括太阳能式(batch as well as solar dryers)
4.1.2.间接加热方式:
转碟式(disc dryers)
桨式(paddle dryers)
薄层式(thin film dryers)
流化床式(fluidized bed dryers)
涡轮薄层式(turbo thin film dryer)
4.2 换热效率差别产生的原因
众所周知,蒸发意味着在单位时间里将一定数量的热能传给蒸发的对象。一般都需要通过一个介质,要么是空气,要么是蒸汽,要么是金属等。
通过金属热壁,水分子与金属分子直接换热,即所谓热传导;通过或不通过热交换器将热传给空气、通过热交换器将热传给蒸汽,然后蒸汽或空气的分子与水分子进行热交换,即所谓热对流。
衡量热传递效率的一个参数是导热率,即在单位时间、单位面积里能够传递(通过)的热量。金属的导热率明显好于空气或蒸汽,热量通过金属表面与介质进行换热,是效率最高的热传递。需要介质时,热交换器的有效换热面积将决定热量供给的供方效率。
同样,热量的接受方,其接受热量的能力也有限制。比热的定义是:单位重量的物质、每升高1度所需要的热量。物质要接受一定的热量,必须有足够的质量来获得和携带它。虽然热交换器通过金属表面可以在单位时间里给出足够的热量,但是在单位时间里如果没有足够的气量来接受它,也是枉然。因此,热对流系统不仅需要庞大的气量进行物料的搬运,也需要这些气量来携带足够温度的热量。
此外,空气、蒸汽的运动是有时间和空间限制的,也就是说要受到换热表面积、管线、流速、摩擦力、热量散失等因素的影响。升温的温度越高,气量越大,总的热能损失也越大。空气对空气的换热效率最低,其它介质对空气的换热也有较大损失。
减少换热损失的方法,只能是选择最佳材料(导热率)、增加换热表面积、减少换热次数、延长换热时间、增加保温等。
不幸的是,大多数能源均来自于某种燃料的焚烧,而焚烧是空气的不断供给过程,有着特定的速率,在这个速率下获得的热量如果无法全部利用,必然又回到大气,形成物理上的能量损失,即所谓“燃烧效率”问题,这一损失根据燃料类型变化。
无论直接还是间接加热的干化,都存在同样的燃烧效率问题。
直接加热方式将燃料燃烧后直接引入系统,烟气没有向大气直接排掉,也没有通过热交换器,因此有着较高的热效率,但是这部分烟气连同整个系统的气体均必须洗涤,从而有一次热损耗。此外,不完全燃烧是一个潜在问题。问题在于,由于空气本身的换热性质较差,在污泥方面必须干泥返混之外,还需考虑一系列的“废热回收”,才能在整体热能消耗上保持竞争力。
间接加热的干化无论如何要通过一个乃至多个热交换器,这形成第一个损失。之后,洗涤气体成为第二个损失点,因此应该考虑燃烧效率。间接加热方式要获得高的热效率,必须依靠有效的热传导,以获得高换热效率。
4.3.干化工艺的主要问题
下面分别列举热对流和热传导在污泥干化方面分别可能存在的问题。
4.3.1.热对流系统
依赖干泥返混
粉尘含量高
安全隐患多
换热效率低
干化速度慢
气量高,热损失大
设备数量多,关键控制点多
设备体积大
停机所需的时间长
维护复杂,特别是紧急情况后的清理繁重
对能源要求较高
4.3.2.热传导系统
依赖干泥返混(薄层除外)
粉尘含量高(仅流化床)
金属磨损(流化床和转碟式)
安全隐患(与金属磨损、粉尘相关)
工艺气量高,热损失大(仅流化床)
设备数量多(薄层除外)
动能损失大
设备体积大(仅流化床)
污泥粘壁降低导热率
维护复杂,特别是紧急情况后的清理繁重
4.4.主要缺陷的解决方法及其问题
减少单位时间里的物流量,取消干泥返混,可以减少设备台数一半以上,将控制关键点减少到最低程度;不幸的是,对于绝大多数系统来说是不可能的;
采用蒸汽回路避免氧气含量所造成的安全隐患;这一方案仅能适用于间接加热方式,在直接加热系统中无法应用;
提高工艺气量(速度),以提高干化效率;这样做的结果将造成更大的热量损失;
增加热交换系统,以尽可能降低热损失;从理论上看是非常出色的想法,但是在实际运用中意义有限,这主要是因为其废热温度较低,回收的比例也较低;
采用更耐磨和防黏附的材料与工艺来制造设备;无论什么耐磨材料,都是有一定寿命的,何况干化工况复杂,影响其使用寿命的因素太多,如果需要特殊材料的部分太多,将失去经济可行性;
使用废热或廉价能源;废热包括废热蒸汽、烟气、沼气等,廉价能源包括燃煤、重油等。直接加热方式除了采用热交换器利用废热蒸汽进行一次预热外,仍需以来其它能源,燃煤、重油等含二氧化硫的能源在高湿环境下可能形成硫酸,将损害设备,除非安装昂贵的干法除硫设备,但这将大大降低系统所需的工艺温度。间接加热方式可以使用所有废热或廉价能源。
4.5. 涡轮薄层是如何解决两种换热方式的局限性的
涡轮薄层工艺是意大利VOMM公司研制的一种特殊干燥技术,它既采用热传导也采用热对流。其有效的热对流占换热总量的40%左右,热传导占60%以上。
这一工艺彻底取消了干泥返混,使得工艺简洁,设备数量极少,整体可靠性提高;
工艺采用相当于普通热对流工艺不到一半的气量,起到物料搬运的作用,并配合热传导,形成最佳的蒸发效率,干化时间仅为2.5-3分钟,同时利用蒸汽的表面保护作用,避免污泥颗粒的过热,进而减少了粉尘问题;
利用高速涡轮产生的涡流形成搅拌,使得物料不但不会贴附的金属热壁上,相反,有着强烈的自清洁效果。
易磨损金属件数量和范围极为有限,因此可以采用较好的热处理技术提高其寿命。
由于处理时间大大缩短,单位时间里系统内的物料极少,因此停机所需时间短,紧急停机情况下的清