(1、江苏大学环境学院,江苏镇江,212013；2、康柯斯贸易(上海)有限公司,上海,201204)
摘 要: 太阳能作为一种清洁能源，将其应用在造纸污泥干化中，与传统干化工艺相比具有能耗低、无污染、运行费用低廉、操作简单、运行安全稳定、干化后的污泥仍保留原有的价值等特点。本文以某造纸污泥的干化为例，介绍了该工艺的工作原理及流程，工艺单元设计等。
关键词: 造纸污泥；太阳能干化；工艺设计
Treatment Process Design ON SOLAR DRYING OF paper making SLUDGE
Xie Qingjie1, Qian Xuelue2
（1、School of Environmental Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang,212013；2、Connflex trade (Shanghai) Ltd.shanghai,201204）
Abstract:
Solar energy as one of clean energy was used to paper making sludge drying. Based on the traditional drying technology, it has advantages such as low energy demand, no pollution, and operation in low temperature, low operation cost, simple and safe operation, usage reserved after drying and so on. This paper introduces its working principle, process, unit technological design.
Key words: paper making sludge; solar drying; process design
0 引言
随着造纸工业的发展，造纸废水产量逐年加大，废水处理过程中污泥产量亦日益增加。而造纸污泥造成的环境问题日益显露出来，如易腐烂、有恶臭、不便于运输、处置难度大等，因此必须对污泥进行减量化、稳定化、无害化和资源化等处理。目前造纸废水处理站一般对污泥进行了浓缩脱水处理，但往往达不到后续利用或深度处理的要求，污泥的含水率仍较高、体积较大，不仅增加了运输难度，而且给后续的污泥处置带来极大的不便。这些日益突出的问题，使实现污泥干化/减量化变得更加迫切。
太阳能是一种清洁、安全、廉价、可再生的绿色能源，取之不尽用之不竭。我国有丰富的太阳能资源，大约2/3国土的太阳能年辐射量接近或超过5000MJ/m2，相当于目前全年的煤、石油、天然气和各种柴草等全部常规能源所提供能量的2000多倍[1]。利用太阳能对污泥进行干化处理具有节能降耗和减碳的现实意义。本文基于海南省某纸浆企业的造纸污泥资源化处置过程中的减量化要求，参照太阳能干化技术在其他行业的应用，详细介绍了该企业造纸污泥处置过程中的温室型太阳能干化工艺。
1 造纸污泥特性
1.1 造纸污泥的来源
本工程涉及污泥主要来源于两部分：其一为该企业废水处理单元产生的初沉污泥、生化污泥及化学污泥。其二为在建的文化纸生产线预计产生的污泥。
1.2 造纸污泥的处理规模与干化目标
根据业主提供的资料，产自废水处理单元的初沉污泥和生物污泥
共计为355吨/天，含水率80%；来自文化纸生产线的污泥约为 260吨/天，含水率约70%。
综上，本设计处理规模按照700吨/天（含水率80%）考虑。
本设计要求干化处理后污泥含水率降至50%。
2 温室型太阳能污泥干化新工艺介绍
2.1 温室型太阳能干化工作原理
将机械脱水后（含水率约为80%）的污泥放置于温室中，利用太阳能蒸发污泥中的水份,即可获得40-50%的干化污泥，脱水后的污泥在温室中主要存在两种干化工艺：（1）辐射干化。太阳能污泥干化系统以干燥的空气作为热载体，直接将太阳能转化为热能，储存在空气中使空气温度升高，用热空气使污泥温度升高，使其内部水分得以向周围空气加速蒸发，从而增加了污泥表面的空气湿度，甚至达到饱和；（2）通过自然循环和热风冲刷，将温度内的湿空气排出，使污泥表面的湿度由原来的饱和状态进入非饱和状态，从而促使污泥内部水分进一步向周围空气蒸发。为了增强集热效率和温室的保温隔热能力，运行中利用搅拌轮将污泥翻转平铺在地板上或增加强制通风以提高蒸发效率。
2.2太阳能干化的优势
（1）太阳能干化与自然晾晒(大气干燥)相比其主要优势是能较大幅度的缩短干燥时间，同时温室型太阳能污泥干化系统内污泥干化过程中产生的臭气易于有效收集进行集中处理。
（2）太阳能干化装置与采用常规能源的干化装置相比具有以下优势：①节省燃料：因为该干化工艺基本不消耗矿物燃料。②减少对环境的污染：我国大气污染严重，这主要源于煤，石油等燃烧后的废气和烟尘的排放，采用太阳能干化，在节约矿物燃料的同时，又可以缓解环境压力。③运行费用低
就初投资而言，太阳能与常规能源干化二者相差不大。但是在系统运行时，采用常规能源的干化设备其燃料的费用是很高的。若采用太阳能干燥，设备投资(初投资)二者相差不大，但太阳能干化除风机消耗少量电能外，太阳能是免费的。即使太阳能干化不能完全取代采用常规能源的干化手段，通过设计使二者有机结合，使太阳能提供的能量占到总能量消耗的较大比例，同样可节约大量运行费用。
（3）太阳能干化装置各部分工作温度属中低温，操作简单、安全可靠。
3 造纸污泥太阳能干化工艺设计
3.1 干化工艺流程
卧螺离心机或带式过滤机形成的脱水污泥经过自身的传动系统，输送到皮带输送机上，皮带输送机把污泥输送到运输车上,运输车运送污泥至污泥制肥厂的温室型太阳能干化车间的污泥自动布料机的料斗内，污泥自动布料机把污泥均匀的布置在污泥太阳能温室内。污泥自动布料机在温室大棚内自动完成污泥的自动布料、自动搅拌和干污泥的聚集。在温室内，热空气与污泥直接接触，并以一定速度流过污泥层，在此过程中吸收污泥中的水分，并将湿气排出，排出的湿废气经无害化后排放。最后由自动收料装置把干污泥收集在一起。为加快污泥的干燥，增加了太阳能集热器和辅助地暖系统，集热器产生的热风通过风机或水泵输送到温室中。污泥太阳能干化系统工艺流程如图1所示：
集热器
脱水污泥→运输车→布料机→太阳能干化温室→干化污泥转运至制肥车间
地暖
3.2 干化系统技术指标
(1) 温室的温度
温室内的温度根据污泥干化要求来决定，本设计温室内气温常年不低于30-50℃。
(2)通风率
为了加快温室内的通风排湿能力，降低干化时间。通风率保持在80%～100%。
(3)透光率
为充分利用太阳辐射能，透光率应≥70。
(4)抗风载荷
海南地区应考虑台风的影响，因此系统设计可抗高达120km/h的强风。
(5)污泥指标
进泥含固率：平均15-25%；出泥含固率：根据要求的不同，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）太阳能保障率
根据该纸浆厂所在地区气象资料：区太阳辐射总量约为87 x 103MJ/(m·a)，总日照时间约为3328.8 h/a，平均每天日照为9.12h，太阳辐射的利用系数为0.85。
（7）自动化程度
自动测量温度、风力，自动控制天窗开启和遮阳装置。
3.3干化系统设计
3.3.1干化温室设计
温室内按照污泥铺设厚度平均为20mm/层设计。则每日处理700吨污泥则需要温室面积为：700÷0.02=350000㎡。
在满足强度、刚度和使用寿命的前提下，整个温室的骨架采用轻型钢结构，屋顶粱采用热镀锌钢管，顶窗框架采用轻型铝合金，立柱间距9.6 m，高6m，立柱材料选100 mm×50 mm×2.5 mm 方管，在立柱顶端装有高0．45m，长9.6m的格沟梁，格沟梁由上下弧(50 mm×30 mm×2.5 mm方管)和斜撑(20 mm×20 mm×1.2 mm 方管)焊接丽成，格沟梁焊接后整体热镀锌。格沟梁每间隔3.2 m
安装有专用的大流量的排水槽，该水槽采用厚2-5 mm 钢板滚压而成，它除了用于排水外，还可供人行走，以便检修。
3.3.2太阳能集热器设计
（1）污泥干燥所需热量的计算
处理每吨原脱水污泥蒸发水分（含水率有80%降为50%）0.3t。
相当于将0.3t水由室温20℃加热成100℃的水蒸气需耗费的热能为：
[80(显热)+619（潜热）]×300=209700kcal=876.546KJ(1kcal=4.18J下同)。
（2）太阳能单元集热器所产热量的计算
地球大气外层的太阳光能量密度约为1kw/㎡，经大气吸收、散射、折射、反射，到达地面后的阳光能量密度约为630w/㎡[2]。
单元集热器接收阳光的实际透光面积为1㎡，本装置的理论功率为：
P= 0.63×1=0.63kw
单元集热器效率以40%～55%计，则得热功率为：
P得热=P×40%～P×55%=0.252～0.3465kw
在透明顶板的温室效应下，集热器的效率会显著提高，实际得热功率P得热’>P得热。假设该集热器每天工作8h，则该集热器一天内可转化有效热能为：
Q日=P得热×60×60×8=7257.6～9979.2KJ。
（3）太阳能集热器面积的计算
该厂日处理污泥量为700吨，需耗费的热量为：
Q=700×876.546KJ=613582.2KJ
设该太阳能集热器实际透光面积为A，则：
A=Q/Q日=613582.2/9979.2～613582.2/7257.6≈61.49～84.54㎡
考虑最大值，A实际=84.54.02㎡，即需要85块单元集热器。考虑一定的保障率，设计采用90块单元集热器。
3.3.3通风除湿系统设计
如前所述，温室面积35000㎡，高度6m，按照通风率80%～100%计算，则换气量180000立方米/h，除湿风机需要
3.4其他
（1）温室顶、侧面全部采用厚5 mm，透光率在85 以上的平板玻璃覆盖，并设置有自动开窗装置，窗户开度的大小及方向由连接室内温度、湿度、风向、风速传感器的单板机来控制。在温室的顶部设有自动开闭的透光率较小的外遮阳装置。
（2）温室内铺设散热管进行地暖加温，地暖热源采用该纸浆企业锅炉余热或高温烟气。设计地表温度大于25℃。在夜晚或太阳能不足时根据需要启动地暖系统。
（3）集热器背面设有储热室可以暂存污泥，通过集热器底部的孔板将多余的热量传到储热室，对脱水后的污泥进行预热，可以充分利用太阳能。
（4）污泥传输方向与热空气形成逆流，这样保证了出口处干化污泥不受上方湿热空气的影响，同时进料口安装有污泥均布器，以便使污泥均匀铺平，受热均匀。
（5）干化时应将不同新鲜度的污泥分开，只对新鲜的污泥局部引风除臭。此外，加入一定量的石灰可以减弱臭气。
[1]顾忠民,杨殿海.太阳能污泥干化在欧洲的应用[J].四川环境，2008，27(6):93-96
[2] Ulrich Luboschik. Solar sludge drying - based on the IST process[J] . Renewable Energy,1999,16 (4) :785-788.
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