《多场耦合的污泥脱水及低温热干化技术研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《多场耦合的污泥脱水及低温热干化技术研究.pdf(30页珍藏版)》请在三个皮匠报告上搜索。
1、中国计量大学:中国计量大学:饶宾期饶宾期20202323年年2 2月月2525日,浙江杭州日,浙江杭州1多场耦合的污泥多场耦合的污泥脱水脱水及及低温热干化低温热干化技术研究技术研究汇汇报报主主要要内内容容1背景和意义背景和意义3NMRNMR在污泥脱水方面的应用在污泥脱水方面的应用2456相关成果相关成果77总结及思考总结及思考机械压滤及微波协同脱水机械压滤及微波协同脱水节能型污泥低温干化技术节能型污泥低温干化技术2操作参数对脱水效果的影响操作参数对脱水效果的影响 美丽中国,生态文明美丽中国,生态文明 环保督查,污泥已经成突出问题环保督查,污泥已经成突出问题 碳中和碳中和31、背景和意义1、背景
2、和意义污泥量大、难处理、问题突出41、背景和意义5污泥处理处置技术路线:工艺单元的关系脱水(干化)是污泥处置处理的必要手段 污泥处置方式的发展要求,对污泥含水率也提出了越来越高的要求,第三代高干度脱水设备已经成为发展潮流和市场热点。发展趋势第一代脱水设备初步脱水含水率80%深度脱水含水率60%高干度脱水含水率40%第二代脱水设备第三代脱水设备1、背景和意义6机械脱水综合能耗是热干化的十分之一。2.1 2.1 机械压力、加压方式对含水率的影响(脱水时间机械压力、加压方式对含水率的影响(脱水时间60min60min)79.4459.856.453.650.647.65453040506070809
3、0024681012含水率(%)压榨压力(MPa)市政污泥(CPAM:2DT)在压力12MPa压榨60min含水率达到45%;初期,压力对含水率影响明显,后期压力对含水率影响不大。2 2、操作参数对脱水效果的影响、操作参数对脱水效果的影响763.48558.72555.953.550.862.41557.555.553.249.8404550556065701020304050含水率(%)脱水时间(min)分层加压一次性加压 加压方式(直接加压和分层加压)对污泥含水率几乎没有影响。该成果为多级超高压压榨装置设计提供理论支撑。市政污泥(CPAM:2DT,当前技术加20-30%)在压榨时间30分钟
4、含水率55.7%,60分钟后含水率45%,90分钟后含水率36%;电镀污泥在压榨10分钟后含水率可达到40%以下;河道污泥在压榨10分钟后含水率可达到20%以下。河道污泥、电镀污泥脱水性能明显优于市政污泥2.2.2 2 脱水时间对含水率影响脱水时间对含水率影响2、操作参数对脱水效果的影响82.1563.25855.753.250.24542.840363186.8039.0437.1238.0336.336.558.518.5217.0216.29 15.9815.3202040608005060708090120含水率(%)脱水时间(min)市政污泥电镀污泥河道污泥89
5、2.2.3 3 处理效率对含水率影响处理效率对含水率影响2、操作参数对脱水效果的影响序号序号处理污泥量(g)脱水时间(min)含水率含水率(%)11003049.0421504558.3432006062.8342507563.5153009063.89在在相等的处理效率(相等的处理效率(3.33g/min3.33g/min)下,随着污泥量的增加,泥饼含水率逐渐增加,下,随着污泥量的增加,泥饼含水率逐渐增加,300g300g污泥量含水污泥量含水率比率比100g100g增加增加15%15%左右。所以,采用左右。所以,采用“少量(薄层)少量(薄层)-短时短时”处理工艺可以明显处理工艺可以明显降低降
6、低污泥含水率。污泥含水率。2.4 2.4 污泥性质与含水率关系污泥性质与含水率关系 不同的性质污泥含水率差别很大不同的性质污泥含水率差别很大 河道污泥河道污泥最好最好脱水,市政污泥脱水,市政污泥最难最难脱水。脱水。有机质含量越高,污泥脱水性能越差有机质含量越高,污泥脱水性能越差2、操作参数对脱水效果的影响4536.229.515.301020304050市政污泥电镀污泥热水解污泥河道污泥含水率(%)污泥种类不同污泥性质的含水率1047.4325.870.10.00市政污泥热水解污泥河道污泥电镀污泥有机质含量(%)污泥种类不同性质污泥的有机质含量2.5 2.5 压滤后泥饼厚
7、度与含水率关系压滤后泥饼厚度与含水率关系0.01.02.03.04.05.06.07.010 20 30 40 50 60 70 80 90 0泥饼厚度(mm)Dewatering time(min)Municipal sludge of HangzhouRiver sludge 泥饼含水率与泥饼厚度有直接关系,压榨后泥饼越薄,含水率越低,市政污泥含水率在30-40%,泥饼厚度在2-5mm之间。河道污泥随着压榨时间的增加,厚度变化很小,河道污泥的压缩性能较差。2、操作参数对脱水效果的影响113、低场核磁共振技术在污泥脱水方面的应用12核磁共振技术(NMR)定标发现,含水率
8、和信号量呈现非常好的线性关系,R2=0.9994。核磁共振与标准称重误差平均值为0.27%,测量时间只需要2-3min。根据H元素与信号之间关系,测量含水率;测量孔隙结构,孔隙大小分布;对泥饼含水率进行分层检测;对水分形态进行测量。3.1 3.1 核磁共振(核磁共振(NMRNMR)原理)原理13(1)随着压力增大,时间增长,污泥逐渐被压实,孔隙变小,水分排出通道减少,排出阻力增大;(2)污泥中水分子运动性变差;(3)在达到一定压力下增加压榨时间比提高压榨压力对污泥脱水更为有利。3、低场核磁共振技术在污泥脱水方面的应用3.2 NMR(3.2 NMR(T2T2谱图谱图)对脱水过程的分析对脱水过程的
9、分析143.3 NMR3.3 NMR污泥孔径分析污泥孔径分析压滤过程中,污泥孔隙结构发生明显变化,压力超过2MPa,绝大部分污泥孔隙的孔径小于4um,孔径位于0.25-2.5um的占50%以上。经过120min压榨后,孔径小于0.1um的空隙显著增加存在少量超过10um的大孔径,这为污泥的脱水提供少量的流出通道。市政污泥是一种可压缩性非常强的多孔介质。3、低场核磁共振技术在污泥脱水方面的应用 泥饼厚度16.26mm,分19层NMR分层测试结果:(1)中间层的含水率比最外层高25%-28.4%,泥饼越厚,内外层含水率差别越明显。(2)最外层污泥压实程度明显高于内部污泥层。153.4 NMR3.4
10、 NMR分层扫描分层扫描及模型及模型(1 1)内部水分排出)内部水分排出通道曲折,路径长,阻力大通道曲折,路径长,阻力大。(2 2)外层污泥)外层污泥压实程度非常高压实程度非常高,导致内部水分排出困难。,导致内部水分排出困难。(3 3)毛细现象使得极小孔隙产生的毛细现象使得极小孔隙产生的毛细压力大于机械压毛细压力大于机械压力力,水分无法排出。,水分无法排出。(4 4)非连通孔隙非连通孔隙较多,导致其孔内的水分难以排出较多,导致其孔内的水分难以排出污泥水分排出通道模型毛细管压力模型3、低场核磁共振技术在污泥脱水方面的应用4、机械压滤及微波协同脱水164.1 4.1 实验装置及方法实验装置及方法超
11、高压机械压滤脱水设备+微波装置,采用核磁共振仪、场发射电子显微镜、同步热分析仪等手段检测泥饼孔隙结构以及水分形态分布;SSC-纯机械压滤样品,压滤到滤液流速近于0停止;SSD-SSC样品再采用微波作用SSE-SSD样品在通过机械压滤脱水4、机械压滤及微波协同脱水17(a)(b)(a)(b)Fig.3.Bound strength(a)ad moisture distribution(b)of SSD with microwave treatment time from 1min to 5min.机械脱水后含水率68.56,再经过微波处理后含水率将为40.84%,含水率明显下降;微波处理后结合水
12、明显降低,微波可去除较多的结合水。随着微波处理时间增加,污泥水分结合能逐渐降低;内部水、自由水也逐渐减少。4.2 4.2 实验装置及方法实验装置及方法18 机械压滤后将污泥压实,孔隙变小及关闭;微波处理后可显著改善污泥的孔隙结构,大孔隙结构增多;随着微波功率增大,孔隙改善越明显。原泥机械压滤70W700W扫描电镜核磁共振NMR定量测量污泥孔隙4、机械压滤及微波协同脱水4.3 4.3 孔隙结构变化孔隙结构变化19 压滤泥饼经过微波后,含水率由68.4降至40.1%,泥饼再次进行机械压滤,含水率进一步降低至34.1%;主要原因:(1)经过微波作用开始压实的孔隙通道被打开,尤其是泥饼表面可形成较大的
13、裂缝;(2)微波破坏污泥的胶体结构,将内部水释放出来,形成可被机械压滤去除的自由水。4、机械压滤及微波协同脱水4.4.4 4 对含水率降低综合作用分析对含水率降低综合作用分析5、节能型污泥低温干化20l 随着污泥等固废处置的资源化要求,对污泥的含水率越来越高,即尽量降低随着污泥等固废处置的资源化要求,对污泥的含水率越来越高,即尽量降低污泥的含水率;污泥的含水率;l 当前常规的板框压滤脱水一般在当前常规的板框压滤脱水一般在60%左右,特殊情况下的左右,特殊情况下的50%以下,这些不以下,这些不能满足污泥的资源化要求;能满足污泥的资源化要求;l 前传统干化技术及设备存在的主要问题有干化温度较高,能
14、耗高、干燥时间前传统干化技术及设备存在的主要问题有干化温度较高,能耗高、干燥时间长、效率低,干燥不均匀及干燥过程中易产生粉尘和尾气问题。而且传统干长、效率低,干燥不均匀及干燥过程中易产生粉尘和尾气问题。而且传统干燥存在的燥存在的“黏滞区黏滞区”所带来的系列问题。所带来的系列问题。l 热泵低温干化技术热泵低温干化技术由于其节能低温等显著的优点解决了传统的高温干化存在由于其节能低温等显著的优点解决了传统的高温干化存在的问题而得到快速发展,成为污泥热干化的主流技术。通过近年来国内外学的问题而得到快速发展,成为污泥热干化的主流技术。通过近年来国内外学者及企业持续的研发,热泵干燥技术在污泥减量化上的应用
15、取得了显著成果。者及企业持续的研发,热泵干燥技术在污泥减量化上的应用取得了显著成果。5.1 5.1 污泥干化基本情况污泥干化基本情况滤饼进口滤饼切条干料出口热空气热空气滤饼干燥热空气湿热空气排出气体除湿热泵冷凝水 是利用除湿热泵对污泥采用热风循环冷凝除湿烘干 热泵除湿干化是回收排风中水蒸汽潜热和空气显热,过程没有任何废热排放 传统污泥热干化系统90%供热量转化成排风热损失(水蒸汽潜热及热空气显热)5.2 5.2 热泵低温干化原理热泵低温干化原理5、节能型污泥低温干化冷凝器蒸发器饱和空气出风干燥热空气压缩机膨胀阀回热器回热器水冷凝器回风 5.2 5.2 低温污泥干化机工作流程低温污泥干化机工作流
16、程5、节能型污泥低温干化污泥余热低温干化机原理图污泥热泵低温干化机原理图23 1、增强传热传质效果,尽量提高出口空气饱和度,否则会出现冷量只降温不出水的现象;2、风量、制冷(热)量等参数需要系统性的设计。5.35.3、几点思考、几点思考5、节能型污泥低温干化 一、核心指标:能耗(单位能耗脱除的水分)及效率(干化时间)二、如何降低能耗 1、气-固传热传质效果 空气与污泥的接触充分(内外部均有接触、切条)、避免气流短路(内部结构)、多层网带(湿度逐层增加)等。2、能量的高效利用 回热器、多效除湿、余热等。3、系统的匹配(是需要整体设计优化过的)风量、温湿度、冷热量、换热面积、泥层厚度、污泥的性质及
17、进出口含水率等。整个是系统工程,需要综合设计优化,这个也就是很多设备性能指标达不到的主要原因。244、如何提升干化效率l 当前的研究、技术和产品主要围绕提升效能,但是如果能提升效率,对于降低产品规格和尺寸具有重要作用。l 空气干化的热质传递方向相反,热量由外往里,水分从内往外,可增加一些快速干化的方法(微波,红外等?)。5、产品的智能化控制及分布式监控 多种检测技术对干化系统的温湿度、风压(风量)、泥层厚度、污泥进出口含水率、氨氮、有毒有害气体,粉尘浓度等进行实时精准监测,通过优化算法,实现智能化控制,进而达到整个系统的最优配备。6、腐蚀性强、有毒有害(危险)的污泥,设备寿命及安全性能的保障;
18、5、节能型污泥低温干化5.35.3、几点思考、几点思考针对干化进料装置成型机的优劣对于系统运行稳定性、系统能效有重大影响。对应对成形机进行研发,并针对不同的进泥量提供不同的切条机。l双辊成型机,四辊成型机等。l成型机采用切条机模式则需具备破桥部件,材质为不锈钢材质;破桥装置单独驱动;l进料斗具备自动进料功能,并设有高、低料位监测装置。(1)切条机或挤条机5、节能型污泥低温干化5.45.4、几点改进及优化、几点改进及优化热泵能否正常运行,取决于其吸热及放热是否平衡。决定其平衡的主要是风量是否稳定,两器及粉尘过滤系统是否堵塞影响,粉尘在两器粘附结垢或除尘器堵塞是大问题。故针对高湿高尘回风除尘较难的
19、问题,采用在物料输送带上方进行脉冲除尘的方式进行除尘,考滤到高温、高湿高尘,采用具有防油防水的聚四氟乙烯(PTFE)聚酯覆膜材料的滤筒进除尘,延长滤筒使用寿命,从而提高工作效能及防止清灰时粉尘泄漏。(2 2)高湿高尘气体除尘方式的处理5、节能型污泥低温干化5.45.4、几点改进及优化、几点改进及优化在Water Research、Science of the Total Environment、Journal of Environmental Management、Process safety and environment protection、International Journal o
20、f Heat and Mass Transfer等期刊发表了多篇文章。6、相关成果276.1 6.1 发表论文发表论文 授权发明专利20项,实用新型专利5项,高级别论文多篇。28序号专利名称专利号专利类型授权(申请)时间排名1污水污泥处理方法ZL201410381206.3发明专利2015-11-251/22污泥深度脱水装置 ZL201410293221.2发明专利2015-09-161/33污水污泥深度处理装置ZL201410381230.7发明专利2015-12-021/24污泥深度脱水方法ZL201410293200.0发明专利2015-10-071/35污水污泥处理装置ZL201410
21、381208.2发明专利2015-10-211/26污泥离心压滤脱水装置ZL201410293196.8发明专利2015-09-301/37 机械压滤微波耦合脱水干化一体化装置ZL201811280209.2发明专利2018-10-301/58污水污泥深度处理方法ZL201410381245.3发明专利2016-03-161/29高干度污水污泥处理系统ZL201511015306.5发明专利2018-05-181/110节能型污水污泥无害化处理方法ZL201410381267.X发明专利2015-12-091/211 微波热风射流协同干化方法ZL201811280252.9 发明专利2018-
22、10-301/412超高压污水污泥深度脱水装置ZL201510133150.4发明专利2017-03-291/513污水污泥二次深度脱水装置ZL201510259535.5 发明专利2015-05-201/514污水污泥超高压脱水装置ZL201510133112.9发明专利2017-02-221/515双体式污水污泥深度脱水装置ZL201510259539.3 发明专利2015-05-201/516超高压污水污泥深度脱水方法ZL201510133114.8 发明专利2017-02-221/517基于污水污泥二次深度脱水装置的脱水方法ZL201510259560.3发明专利2017-03-081
23、/518高干度污水污泥处理方法ZL201511015321.X发明专利2018-06-261/219一种超高压污水污泥深度脱水装置ZL201520171574.5实用新型2015-09-161/520 微波调理脱水干化污泥处理系统ZL201711023697.4发明专利2017-10-271/521微波辅助处理的市政污泥深度减量化装置ZL201711016434.0发明专利2017-10-271/46.2 6.2 授权专利授权专利6、相关成果7、总结及几点思考1、市政污泥由于其特殊的胶体胶体及压滤脱水孔隙淤堵,使得其难于脱水,脱水效果(效率)较低;2、薄层机械压滤可达到较好的脱水效果;3、机械
24、压滤与电渗透耦合脱水,通过电场的作用力及通过细微孔隙可以有效的降低泥饼含水率,提高脱水效果。但是能耗较高。4、机械压滤与微波结合脱水,通过微波破坏胶体结构,释放自由水,改善孔隙结构,可显著的降低污泥含水率,提高效果,但是产业化需要考虑其能耗问题,通过微波在脱水后阶段的施加以及作用周期、参数等优化可有效的降低能耗。5、脱水-干化两者之间的关系,脱水的程度、效率,前期脱水的污泥孔隙结构、结合水含量分布等对干化特性的影响。6、脱水-干化一体化设备?微波、红外与热空气干化等的结合、强化干化?2930以上成果得到以上成果得到浙江省高层次人才特殊支持计划(万人计划科技创新领浙江省高层次人才特殊支持计划(万人计划科技创新领军人才,军人才,2021R520562021R52056)、)、国家自然科学基金面上项目(国家自然科学基金面上项目(51878635 51878635)、浙江省杰出青年科学基金(、浙江省杰出青年科学基金(LR19E060001LR19E060001)等的支持。)等的支持。对此一并表示感谢!对此一并表示感谢!饶宾期,,E-mail: