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污泥微波干燥:性能和能源需求

发表于
污泥干燥集箱

Eva Kocbek.a, b, c *,赫克托·a·加西亚b,克里斯汀M. Hooijmansb伊凡Mijatovićc,branko lahd,一BrdjanovicA,B

一个代尔夫特理工大学生物技术系,荷兰代尔夫特范德马斯威格9,2629hz
b荷兰代尔夫特理工学院水教育学院供水、卫生和环境工程系,韦斯特维斯特72611 AX代尔夫特
cTehnobiro d.o.o.,Heroja Nandeta 37,2000 Maribor,斯洛文尼亚
d斯洛文尼亚普图伊中央污水处理厂,Ob Dravi 7, 2250普图伊
*通讯电邮地址:info@tehnobiro.eu

1.介绍

机械脱水污泥的微波(MW)干燥呈现常规的替代品对流导电热干燥技术,在915和2,450 MHz之间的频率下采用微波(MWS)。MW干燥提供相对较高的通量能力,更快的过程启动和关机,有效的病原体失活,并且可能比传统的热干燥过程更小的鳞片。其操作模式是指选择性地加热/去除诸如水的介电材料是有效的,提供潜在的高能量效率 - 特别是当采用具有高MW产生效率的低频(例如,915与2,450MHz)磁控管时。

然而,研究表明,该过程似乎也会产生相对较高的整体能量消耗。除其他外,这归功于:

  1. 不必要的水腔加热和系统的其他部件
  2. 无效地从辐照腔中提取水汽/冷凝物,以及
  3. 其他传热效率低下(例如,绝缘不良、冷启动、MW能量和温度分布不均匀,以及没有从水蒸气中热回收)。

通过将MW辐射与热空气处理组合来解决这些缺点中的一些,其中通过热空气流除去MW辐射的水,避免缩合和随后的固体重新润湿,并且还促进加热均匀性。可以应用间歇MW对热空气的混合性干燥,以及引入辐射腔中的行驶波涂布器和/或移动部件。

尽管如此,用于污水污泥干燥的MW技术的试点规模的演示相对较少。本研究旨在解决上述i) - iii)中确定的一些问题。在不同的MW输出功率下对中试MW系统的处理性能进行了评价,确定了总处理/暴露次数、污泥干燥速率和系统关键能源相关参数。

2.材料和方法

这项研究是基于离心机浪费活性污泥(C)为特征的总和挥发性固体含量(TS和VS),热值(CV)和元素硫(S)、氢(H)、碳(C)和氮(N)的水平(表1),MW干燥器(图1)由一个不锈钢圆柱腔,使用最大容量为6kg的聚丙烯(PP)椭圆形污泥容器和电动PP转盘,以1rpm的转速旋转污泥样品,以促进均匀辐照。腔体装有通风装置以提取冷凝液,并装有MW磁控管,最大输出功率为6kw,功率为2,450 MHz。

表1。原始c是特点
参数(除非另有说明,否则%) 价值

一个在干燥固体(DS)的基础上

总固体(干固) 17±1
水分含量 83±1
挥发性固体一个 88±2
C一个 46.5
H一个 5
N一个 9.9
年代一个 1.5
总热值一个,乔丹公斤-1 18.4
图1. MW干燥机,示意图
图1. MW干燥机,示意图
图1所示。MW干燥机流程,原理图

所有试验均在试验当天从废水处理厂(WWTP)收集的C-是样品。MW输出功率分别从初始污泥质量载荷和3千克和60mm的厚度增加到6kW(表1)。该试验持续直至污泥水分含量达到每1kg干燥固体〜0.18千克-1(即85%DS)。

录制/计算的参数包括:

  • 每升水量消耗的MJ电能中的特定能耗(秒)
  • MJ微波能量的特定能量输出(SEO)提供给每公斤初始样品质量的MW单位
  • 每个公斤初始样品质量消耗MJ电能中的特定能量输入(SEI)
  • 能源效率EN.就热除去水的理论能量而言,与输送的能量相比,热除去水(通过特定的热容量和蒸发潜热)
  • MW生成效率μgen,由MW能量输出和输入的比率给出
  • 干燥速度dR以千克为单位时间内去除的水,和
  • 功率吸收密度Pd,即每单位初始污泥体积吸收的功率量。

3。结果与讨论

3.1干燥率和曝光时间

在输出MW功率为1−6 kW时,含水率由4.88 kg/kg DS降低到0.18 kg/kg DS(对应DS由17%提高到85%)的污泥干燥特性如下:

  • 含水率随时间的变化(图2)
  • 干燥速率随时间的变化(图3)
  • 干燥速率与水分含量(即Krischer曲线,图4)。
图2.不同MW输出功率值下的污泥干燥瞬态
图2.不同MW输出功率值下的污泥干燥瞬态
图2。不同MW输出功率值下的污泥干燥瞬态

如所预期的,随着MW输出功率的增加,所需的曝光时间减小(图2),干燥率从0.03至0.28kg水的每1kg干燥固体增加-1最小值-1(图3)。在Krischer曲线(图4)中,趋势处于瞬态的反向(图3):最高X轴值对应于初始条件和测试结束的最低值。图4显示了三个干燥地区(i)初始干燥速率适应,(ii)恒定速率干燥,(iii)下降干燥速率,后者在更高的MW功率输出值下更可辨别。

干燥速率适配周期被描绘为图3和4的左侧和右侧的陡峭曲线。这在所有评估的MW功率值中持续了〜34%的曝光时间,达到每kg ds的污泥水分〜3.8千克水,或21%ds(图4)。在适应时段之后,污泥干燥速率在很大程度上恒定,直到几乎施加最高的施加功率的干燥过程的结束。

污泥的MW辐射导致了一个延长的恒定速率干燥期作为水分含量的函数,这有别于传统的热过程干燥曲线一般显示下降速度期间陡峭.以前已经观察到,当污泥含水率下降到0.7 kg水kg DS时,就会出现下降速率干燥期-1最小值-1和下面。这种干燥趋势表明污泥的表面不再完全湿润,使得水从大块输送到污泥颗粒表面的速率小于表面蒸发速率。

图3. MW输出功率值为1-6 kW的干燥速率
图3. MW输出功率值为1-6 kW的干燥速率
图3。在MW输出功率值为1−6 kW时的干燥速率瞬变
图4。以污泥含水率为函数的MW输出功率对干燥速率的影响
图4。以污泥含水率为函数的MW输出功率对干燥速率的影响
图4. MW输出功率对干燥速率的影响作为污泥水分含量的函数

This being the case, it might be expected that extending the constant rate drying period to lower moisture contents would improve energy efficiency since the energy required to remove water from the bulk of the material (i.e. during the falling rate period) is greater than that needed to evaporate the water from the surface.

图4中所示的扁平趋势通常由于倒置的干燥温度曲线而产生MW干燥,其中颗粒内的水直接加热。因此,颗粒内的内部压力有相应的增加,将水强制到蒸发的表面。这将与传统的热干燥器区分开,其中在外部提供热量,因此必须从颗粒表面转移到其体积,并且在这样的情况下阻碍干燥污泥的低导热率。直接加热意味着对于MW加热,来自体积到材料表面的水流量比热对流干燥器更高的大约10倍。

3.2特定能量输出

污泥干燥率在比能量输出(SEO) 2 MJ kg-1对于1至6kW的输出功率(图5)表示污泥干燥速率随着MW输出功率的增加而导致线性增加。因此,MW污泥干燥过程受到能量递送到污泥而不是SEO的速率的管辖。在较高的MW输出功率下处理污泥(在相同的能量输出处)导致更快的干燥(较低的曝光时间),增加潜在的系统容量。MW系统的速度较快,每单位时间提供更多能量(即,更高的MW输出功率)和污泥每单位时间和单位体积(更高的污泥功率吸收密度)吸收更多能量。

图5.干燥速率和曝光时间作为MW输出功率在2 MJ的能量输出的函数
图5.干燥速率和曝光时间作为MW输出功率在2 MJ的能量输出的函数
图5.干燥速率和曝光时间作为MW输出功率在2 MJ的能量输出的函数

因此,过程效率随着功率的增加而增加。这直接反映在SEO和SEI随水分含量的变化趋势中(图6),在增加功率输入时记录了较低的值。这种较低的能量需求来自于污泥在较高的输出功率下所经历的较高的功率吸收密度,最大限度地减少潜在的热损失。

图6 a。SEO是不同功率输入下含水率的函数
图6 a。SEO是不同功率输入下含水率的函数
图6 a。SEO是不同功率输入下含水率的函数
图6 b。SEI是不同功率输入下含水率的函数
图6 b。SEI是不同功率输入下含水率的函数
图6 b。SEI是不同功率输入下含水率的函数

3.3 MW发电效率,能源效率和特定能耗

MW的发电效率(µgen),即输送的能量和消耗的能量的比例随着MW功率的增加而增加(图7)。这证实该过程在施加的最高功率(6 kW)上最有效地操作。

图7。MW发电效率作为MW输出功率的函数
图7。MW发电效率作为MW输出功率的函数
图7. MW生成效率作为MW输出功率的函数

能量效率(μEN.),在含水率为3.8%左右时达到最大值(图8)。总体而言,能量效率随着输出功率的增加而增加,与其他趋势相同。

图8。MW输出功率对能量效率的影响作为污泥含水率的函数
图8。MW输出功率对能量效率的影响作为污泥含水率的函数
图8. MW输出功率对污泥水分含量函数的能效的影响

曲线的形状与图4所示的干燥趋势一致。在最高水分含量下,施加的能量主要用于加热水,不会产生蒸发,从而产生具有水分含量的能量效率的垂直趋势。The slope becomes increasingly shallow until the energy efficiency reaches a maximum, in this case at 3.8 kg water/kg DS (i.e., 21% DS), beyond which (from 3.8 down to ~0.2 kg water/kg DS) the drying rate and associated efficiency are both constant.

最后,以每L水去除的MJ计算的比能耗(SEC)(图9)与能源效率的趋势相似,当应用的能量加热而不是蒸发水时,最高的值出现在最高的含水量上。最低SEC值(4.5 ~ 8.5 MJ L .-1,或1.25到2.36 kwh l-1)通过在最低水分含量下采用的输出功率范围,随着施加功率的增加,与其他能量趋势保持不断增加(图7-8)。使用MW功率的阶段(图10)反映了MW生成效率的趋势(图7)。

图9. MW输出功率对特定能耗的影响,作为污泥含水量的函数
图9. MW输出功率对特定能耗的影响,作为污泥含水量的函数
图9. MW输出功率对特定能耗的影响,作为污泥含水量的函数
图10. MW输出功率对秒的影响
图10. MW输出功率对秒的影响
图10。MW输出功率对SEC的影响

考虑到各种不同类型的热干燥器的SEC(图11)表明,在本研究中测量的值的范围略高于热干燥器报告的值。然而:

  1. 测量的MW SEC包含了初始加热污泥水分到蒸发温度所需的能量消耗,理论上等于~0.38 MJ (0.1 kWh)。这一需求可以由每千克原污泥产生的水蒸气的潜在能量- 0.82千克水蒸气来满足。在MW发电效率为60%的基础上,利用冷凝液加热污泥,每L蒸发水可节约0.63 MJ (0.17 kWh)的SEC,使总SEC降至~3.9 MJ L-1(1.1千瓦时L-1).
  2. 通过使用全规模的工业MW发电机,MW发电效率可以潜在地提高到~90%,进一步降低SEC到~2.6 MJ L-1(0.74千瓦时l-1).在这个值下,MW干燥在能量效率上可以与常规热过程相比较(2.5−5.0和2.9−3.4 MJ L-1对于对流干燥器和导电干燥器,分别,图11)。
图11.不同类型干燥器的特定能耗(秒)。阴影区域表示在最佳条件下可实现的极限
图11.不同类型干燥器的特定能耗(秒)。阴影区域表示在最佳条件下可实现的极限
图11.不同类型干燥器的特定能耗(秒)。阴影区域表示在最佳条件下可实现的极限

4.结论

微波(MW)污泥干燥技术的试验规模研究表明,与常规热干燥器相比,MW干燥机构的性质可能提供能量效率。为了实现这些,必须利用提取的水蒸气的潜能量,并且MW产生效率最大化,以及避免通过冷凝物重新擦拭干燥的污泥。

致谢

本文取自:

Kocbek, E., Garcia, H. A., Hooijmans, C. M., Mijatović, I., Lah, B., & Brdjanovic, D.(2020)。市政污水污泥的微波处理:试验尺度微波干燥系统的干燥性能和能源的评价.科学总环境,742 140541

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此页面上次更新11月11日2021年

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