脱水污泥薄层干燥特性及动力学模型分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
models
模型
模型系数值
Lewis
k =0.00251
Page
k =0.00004058,y =1.68686
Modified page k =0.00002406,y =1.68686
Henderson and a =1.30109,k =0.00327
Pabis Logarithmic a =1.48068,c =-0.30945,
由于 Me 相对于 M0 和 Mt 很小,可以忽略,因 此式(1)可以简化为[5]:
MR=Mt/M0
(2)
污泥的失水效果用污泥的干燥速度 DR[g/(g⋅s)]
来表示,其计算公式为:
DR=−(Mt+△t−Mt)/△t
(3)
式中:Mt+△t 为干燥过程中 t+△t 时刻单位干污泥
中含水质量,g/g.
由图 1 可知,污泥整个干燥过程可以分为:预
表达式 MR=exp(-kt) MR=exp(-kt y) MR=exp(-(kt) y) MR=aexp(-kt) MR=aexp(-kt)+c
有模型中数值最大,并且方差 χ2 值最小,因此可以 认为 Logarithmic 模型能够较好地模拟污泥薄层 干燥.表 3 为不同工况下 Logarithmic 模型的拟合 结果.
中国环境科学 2009,29(1)：22~25
China Environmental Science
脱水污泥薄层干燥特性及动力学模型分析
姜瑞勋,李爱民*,王伟云 (大连理工大学环境与生命学院,工业生态与环境工程教育部重点实验室,辽宁 大连
116024)
摘要：采用薄层干燥方式进行脱水污泥热干燥的研究,考察了污泥的干燥特性,并引入薄层干燥模型进行数值分析.结果表明, Logarithmic
and predicted moisture ratiΒιβλιοθήκη Baidu values at different
conditions for the Logarithmic model
温度(℃) 80 120 150 150 150
表 3 不同情况下 Logarithmic 的结果 Table 3 Statistical results obtained from Logarithmic model
量利用率越高.
污泥在预干燥阶段,物料自由水含量高,随着
温度的提高,干燥速度逐渐加快,因此存在一个较
短的加速干燥阶段.进入恒速干燥阶段后,由于向
污泥提供的热量基本全部消耗于以液态转移的
水分蒸发,此时,污泥表面水分蒸发速率几乎等于
污泥内部水分向外部扩散的速率,该阶段主要进 行间隙水分的蒸发,干燥速率基本是稳定的.当污 泥含水率降低到一定程度(约 65%)时,污泥主要 发生毛细水和吸附水的蒸发,干燥速率减慢,进入 降速干燥阶段.
目前,城市污水厂处理污泥一般只进行重力 浓缩和机械脱水,处理后的污泥含水率为 80%左 右[1],且成分复杂,含有多种有毒有害成分,若不对 其进行深度处理而直接排放到环境中,既占用大 量土地,又带来二次污染[2].采用热干燥工艺对脱 水污泥进行深度处理,可以实现污泥的减量化和 资源化.污泥干燥工艺主要分为热对流工艺和热 传导工艺 2 种类型.与热对流相比,热传导具有无 需载气或所需载气量较小,二次污染气体产量少, 后续尾气处理费用低及系统安全性较高等优点, 因此热传导干燥成为污泥干燥的主流[3].污泥干 燥是一个能量净支出的过程,降低污泥干燥能耗 是提高污泥干燥处理的重点,其有效途径是降低 污泥厚度.
2.2 干燥曲线模型分析 引入薄层质量分析模型对污泥干燥曲线进
行模拟,模型表达式见表 1.
24
中国环境科学
29 卷
表 1 薄层干燥模型 Table 1 Thin-layer drying curve models considered
模型 Lewis[6] Page[7] Modified page[8] Henderson and Pabis[9] Logarithmic[10]
干燥速率[×10-3g/(g⋅s)]
4.0
1mm
3.5
2mm
4mm
3.0
10mm
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0 01234567
污泥含水率(g/g)
图 1 150℃不同厚度污泥干燥的速度曲线
Fig.1 Variation of drying rate as a function of moisture
2 结果与分析
2.1 不同条件下污泥含水百分比随时间的变化 不同时间污泥含水百分比计算公式[4]:
MR=(Mt−Me)/(M0− Me)
(1)
式中: MR 为污泥含水百分比,%;M0 为初始单位
干污泥中含水质量,g/g;Me 为干燥平衡时单位干
污泥中含水质量,g/g;Mt 为干燥过程中单位干污
泥中含水质量,g/g.
1.0
0.8
MR 理论值
0.6
80℃,2mm
0.4
120℃,2mm
150℃,1mm
0.2
150℃,2mm
150℃,4mm
0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 MR 实验值
图 3 Logarithmic 拟合值与实验值关系
Fig.3 Relationships between experimentally determined
厚度(mm) 2 2 1 2 4
图 3 对实验值和 Logarithmic 拟合值进行对 比,其数据基本上在斜率 45°的直线周围,说明 Logarithmic 模型较适于薄层污泥干燥的模拟.
表 2 不同模型污泥拟合结果 Table 2 Statistical results obtained from thin-layer drying
content for different thicknesses
2mm 厚污泥在不同温度下失水率随干燥时 间 t 的变化曲线如图 2 所示.由图 2 可知,在其他 条件相同的情况下,温度越高,经相同时间干燥后 的物料含水量就越低.这是因为温度越高,传热推 动力(温度差)就越大,干燥速度也就越快,要达到 一定的含水量所需的时间就越短.
干燥阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段.1mm
污 泥 恒 速 时的 干 燥速 度 约为 0.0035g/(g⋅s), 是
10mm 污泥干燥速率[约 0.00025g/(g⋅s)]的 14 倍,
这说明污泥作为一种多孔介质,料层越薄,水分越
容易从污泥内部迁移,干燥速度也就越快,要达到
一定的含水量所需时间就越短,所需能量越少,能
k =0.001916
R2 0.9164 0.9956 0.9956 0.9794
0.9974
χ2 7.383×10-3 1.967×10-3 1.967×10-3 1.876×10-3
2.419×10-4
表 2 列出了 150℃、厚度 2mm 条件下不同 模型的参数.Logarithmic 模型的相关系数 R2 在所
本研究采用污泥薄层方式进行热干燥分析, 考察温度及厚度等因素对脱水污泥含水率变化
的影响.引入动力学模型,对污泥薄层干燥进行动 力学数值模拟,考察不同温度和薄层厚度的污泥 干燥程度变化,得出最适模型及干燥扩散系数等 参数,为污泥干燥模拟提供了新途径和新方法.
1 材料与方法
1.1 材料 脱水污泥取自大连某污水处理厂,污泥,颗粒
关键词：污泥；薄层干燥；有效扩散系数；活化能
中图分类号：X705
文献标识码：A
文章编号：1000-6923(2009)01-0022-04
Thin layer drying characteristics and kinetics model of dewatered sludge. JIANG Rui-xun, LI Ai-min*, WANG Wei-yun (Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering, Ministry of Education, School of Environmental and Biological Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China). China Environmental Science, 2009,29(1)：22~25 Abstract：The drying of sludge presently became an important procedure for sewage disposal. The thin layer drying behavior of sewage sludge was investigated in an indirect drying process and the mathematical modeling was performed by using thin layer drying models. The logarithmic model was found to show better predictions. At the same time, moisture transfer from sewage sludge was described by applying the Fick’s diffusion model. The effective diffusivity coefficient of moisture transfer varied from 8.486×10-10m2/s to 4.386×10-9m2/s over the temperature 80℃ to 150℃. In addition, the temperature dependence of the effective diffusivity coefficient was expressed by Arrhenius type relationship. The activation energy for the moisture diffusion of sludge drying was found to be 29.56 kJ/mol. Key words：sludge；thin layer drying；effective diffusion coefficient；activation energy
100
80℃
120℃
80
150℃
60
含水率(%)
40
20
0
0 480 960 1440 1920 2400 2880 干燥时间(s)
图 2 不同温度失水率随时间的变化 Fig.2 Thin-layer drying curves of sewage sludge cake at
different temperatures
1期
姜瑞勋等：脱水污泥薄层干燥特性及动力学模型分析
23
电子天平,通过数据连接装置对天平质量进行采 集.用功率 2000W 的电热板,通过 pid 温控仪进 行加热,用热电偶进行温度检测.将污泥平铺在反 应器底部,分别铺成约 1,2,4,10mm 厚,控制加热温 度为 150℃,考察不同厚度污泥的干燥特性.再分 别取相同质量的污泥,铺成 2mm 厚,通过控温装 置,设定温度为 80,120,150℃,通过数据连接装置 每 2s 自动采集并记录 1 次干燥过程中天平的质 量,推算出污泥的质量,绘制污泥失水率随时间的 变化曲线.
较细,密度为 1020kg/m3,含水率为 86.39%.污泥干 基主要成分为:C 43.54%、H 6.879%、N 6.685%、 P 1.20%、O 41.696%、有机物 81.92%. 1.2 装置与流程
实验用天平为精度 0.01g 的梅特勒-托利多
收稿日期：2008-07-04 基金项目：教育部“985”二期工程资助(1000-872A01) * 责任作者, 教授, leeam@dlut.edu.cn
模型比其他模型更适合薄层污泥干燥分析.应用 Fick 扩散模型,得到 80~150℃条件下薄层污泥干燥的有效扩散系数的变化范围为 8.486×10-10~4.386×10-9m2/s,并根据 Arrhenius 经验公式建立温度与扩散系数的关系,得到污泥干燥时水分扩散的活化能为 29.56kJ/mol.
模型
模型系数值
Lewis
k =0.00251
Page
k =0.00004058,y =1.68686
Modified page k =0.00002406,y =1.68686
Henderson and a =1.30109,k =0.00327
Pabis Logarithmic a =1.48068,c =-0.30945,
由于 Me 相对于 M0 和 Mt 很小,可以忽略,因 此式(1)可以简化为[5]:
MR=Mt/M0
(2)
污泥的失水效果用污泥的干燥速度 DR[g/(g⋅s)]
来表示,其计算公式为:
DR=−(Mt+△t−Mt)/△t
(3)
式中:Mt+△t 为干燥过程中 t+△t 时刻单位干污泥
中含水质量,g/g.
由图 1 可知,污泥整个干燥过程可以分为:预
表达式 MR=exp(-kt) MR=exp(-kt y) MR=exp(-(kt) y) MR=aexp(-kt) MR=aexp(-kt)+c
有模型中数值最大,并且方差 χ2 值最小,因此可以 认为 Logarithmic 模型能够较好地模拟污泥薄层 干燥.表 3 为不同工况下 Logarithmic 模型的拟合 结果.
中国环境科学 2009,29(1)：22~25
China Environmental Science
脱水污泥薄层干燥特性及动力学模型分析
姜瑞勋,李爱民*,王伟云 (大连理工大学环境与生命学院,工业生态与环境工程教育部重点实验室,辽宁 大连
116024)
摘要：采用薄层干燥方式进行脱水污泥热干燥的研究,考察了污泥的干燥特性,并引入薄层干燥模型进行数值分析.结果表明, Logarithmic
and predicted moisture ratiΒιβλιοθήκη Baidu values at different
conditions for the Logarithmic model
温度(℃) 80 120 150 150 150
表 3 不同情况下 Logarithmic 的结果 Table 3 Statistical results obtained from Logarithmic model
量利用率越高.
污泥在预干燥阶段,物料自由水含量高,随着
温度的提高,干燥速度逐渐加快,因此存在一个较
短的加速干燥阶段.进入恒速干燥阶段后,由于向
污泥提供的热量基本全部消耗于以液态转移的
水分蒸发,此时,污泥表面水分蒸发速率几乎等于
污泥内部水分向外部扩散的速率,该阶段主要进 行间隙水分的蒸发,干燥速率基本是稳定的.当污 泥含水率降低到一定程度(约 65%)时,污泥主要 发生毛细水和吸附水的蒸发,干燥速率减慢,进入 降速干燥阶段.
目前,城市污水厂处理污泥一般只进行重力 浓缩和机械脱水,处理后的污泥含水率为 80%左 右[1],且成分复杂,含有多种有毒有害成分,若不对 其进行深度处理而直接排放到环境中,既占用大 量土地,又带来二次污染[2].采用热干燥工艺对脱 水污泥进行深度处理,可以实现污泥的减量化和 资源化.污泥干燥工艺主要分为热对流工艺和热 传导工艺 2 种类型.与热对流相比,热传导具有无 需载气或所需载气量较小,二次污染气体产量少, 后续尾气处理费用低及系统安全性较高等优点, 因此热传导干燥成为污泥干燥的主流[3].污泥干 燥是一个能量净支出的过程,降低污泥干燥能耗 是提高污泥干燥处理的重点,其有效途径是降低 污泥厚度.
2.2 干燥曲线模型分析 引入薄层质量分析模型对污泥干燥曲线进
行模拟,模型表达式见表 1.
24
中国环境科学
29 卷
表 1 薄层干燥模型 Table 1 Thin-layer drying curve models considered
模型 Lewis[6] Page[7] Modified page[8] Henderson and Pabis[9] Logarithmic[10]
干燥速率[×10-3g/(g⋅s)]
4.0
1mm
3.5
2mm
4mm
3.0
10mm
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0 01234567
污泥含水率(g/g)
图 1 150℃不同厚度污泥干燥的速度曲线
Fig.1 Variation of drying rate as a function of moisture
2 结果与分析
2.1 不同条件下污泥含水百分比随时间的变化 不同时间污泥含水百分比计算公式[4]:
MR=(Mt−Me)/(M0− Me)
(1)
式中: MR 为污泥含水百分比,%;M0 为初始单位
干污泥中含水质量,g/g;Me 为干燥平衡时单位干
污泥中含水质量,g/g;Mt 为干燥过程中单位干污
泥中含水质量,g/g.
1.0
0.8
MR 理论值
0.6
80℃,2mm
0.4
120℃,2mm
150℃,1mm
0.2
150℃,2mm
150℃,4mm
0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 MR 实验值
图 3 Logarithmic 拟合值与实验值关系
Fig.3 Relationships between experimentally determined
厚度(mm) 2 2 1 2 4
图 3 对实验值和 Logarithmic 拟合值进行对 比,其数据基本上在斜率 45°的直线周围,说明 Logarithmic 模型较适于薄层污泥干燥的模拟.
表 2 不同模型污泥拟合结果 Table 2 Statistical results obtained from thin-layer drying
content for different thicknesses
2mm 厚污泥在不同温度下失水率随干燥时 间 t 的变化曲线如图 2 所示.由图 2 可知,在其他 条件相同的情况下,温度越高,经相同时间干燥后 的物料含水量就越低.这是因为温度越高,传热推 动力(温度差)就越大,干燥速度也就越快,要达到 一定的含水量所需的时间就越短.
干燥阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段.1mm
污 泥 恒 速 时的 干 燥速 度 约为 0.0035g/(g⋅s), 是
10mm 污泥干燥速率[约 0.00025g/(g⋅s)]的 14 倍,
这说明污泥作为一种多孔介质,料层越薄,水分越
容易从污泥内部迁移,干燥速度也就越快,要达到
一定的含水量所需时间就越短,所需能量越少,能
k =0.001916
R2 0.9164 0.9956 0.9956 0.9794
0.9974
χ2 7.383×10-3 1.967×10-3 1.967×10-3 1.876×10-3
2.419×10-4
表 2 列出了 150℃、厚度 2mm 条件下不同 模型的参数.Logarithmic 模型的相关系数 R2 在所
本研究采用污泥薄层方式进行热干燥分析, 考察温度及厚度等因素对脱水污泥含水率变化
的影响.引入动力学模型,对污泥薄层干燥进行动 力学数值模拟,考察不同温度和薄层厚度的污泥 干燥程度变化,得出最适模型及干燥扩散系数等 参数,为污泥干燥模拟提供了新途径和新方法.
1 材料与方法
1.1 材料 脱水污泥取自大连某污水处理厂,污泥,颗粒
关键词：污泥；薄层干燥；有效扩散系数；活化能
中图分类号：X705
文献标识码：A
文章编号：1000-6923(2009)01-0022-04
Thin layer drying characteristics and kinetics model of dewatered sludge. JIANG Rui-xun, LI Ai-min*, WANG Wei-yun (Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering, Ministry of Education, School of Environmental and Biological Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China). China Environmental Science, 2009,29(1)：22~25 Abstract：The drying of sludge presently became an important procedure for sewage disposal. The thin layer drying behavior of sewage sludge was investigated in an indirect drying process and the mathematical modeling was performed by using thin layer drying models. The logarithmic model was found to show better predictions. At the same time, moisture transfer from sewage sludge was described by applying the Fick’s diffusion model. The effective diffusivity coefficient of moisture transfer varied from 8.486×10-10m2/s to 4.386×10-9m2/s over the temperature 80℃ to 150℃. In addition, the temperature dependence of the effective diffusivity coefficient was expressed by Arrhenius type relationship. The activation energy for the moisture diffusion of sludge drying was found to be 29.56 kJ/mol. Key words：sludge；thin layer drying；effective diffusion coefficient；activation energy
100
80℃
120℃
80
150℃
60
含水率(%)
40
20
0
0 480 960 1440 1920 2400 2880 干燥时间(s)
图 2 不同温度失水率随时间的变化 Fig.2 Thin-layer drying curves of sewage sludge cake at
different temperatures
1期
姜瑞勋等：脱水污泥薄层干燥特性及动力学模型分析
23
电子天平,通过数据连接装置对天平质量进行采 集.用功率 2000W 的电热板,通过 pid 温控仪进 行加热,用热电偶进行温度检测.将污泥平铺在反 应器底部,分别铺成约 1,2,4,10mm 厚,控制加热温 度为 150℃,考察不同厚度污泥的干燥特性.再分 别取相同质量的污泥,铺成 2mm 厚,通过控温装 置,设定温度为 80,120,150℃,通过数据连接装置 每 2s 自动采集并记录 1 次干燥过程中天平的质 量,推算出污泥的质量,绘制污泥失水率随时间的 变化曲线.
较细,密度为 1020kg/m3,含水率为 86.39%.污泥干 基主要成分为:C 43.54%、H 6.879%、N 6.685%、 P 1.20%、O 41.696%、有机物 81.92%. 1.2 装置与流程
实验用天平为精度 0.01g 的梅特勒-托利多
收稿日期：2008-07-04 基金项目：教育部“985”二期工程资助(1000-872A01) * 责任作者, 教授, leeam@dlut.edu.cn
模型比其他模型更适合薄层污泥干燥分析.应用 Fick 扩散模型,得到 80~150℃条件下薄层污泥干燥的有效扩散系数的变化范围为 8.486×10-10~4.386×10-9m2/s,并根据 Arrhenius 经验公式建立温度与扩散系数的关系,得到污泥干燥时水分扩散的活化能为 29.56kJ/mol.