張緒坤，劉勝平，吳青榮，曾 恩，王高敏

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污泥低溫干燥動(dòng)力學(xué)特性及干燥參數(shù)優(yōu)化

張緒坤，劉勝平，吳青榮，曾 恩，王高敏

（南昌航空大學(xué)機(jī)電設(shè)備研究所，南昌 330063）

為了研究污泥的低溫干燥動(dòng)力學(xué)特性，以薄層污泥為研究對(duì)象進(jìn)行了低溫干燥試驗(yàn)，探討了溫度、薄層厚度以及風(fēng)速對(duì)污泥水分比和干燥速率的影響，并對(duì)低溫干燥參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：污泥低溫干燥過(guò)程主要由升速和降速段組成，其中降速階段存在第一、第二降速階段；不同低溫干燥條件下的第二臨界含水率變化不大，大致在0.5 g/g（干基）附近。使用決定系數(shù)2、卡方2及均方根誤差RMSE對(duì)6種常用干燥模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明Midilli模型的平均2最大、平均2及RMSE最小，分別為0.999 8、2.46×10-5、0.004 2，是描述污泥低溫?zé)犸L(fēng)干燥的最優(yōu)模型。根據(jù)Fick第二定律和Arrhenius方程，得到5、10和15 mm厚度污泥在50～90 ℃熱風(fēng)干燥的水分有效擴(kuò)散系數(shù)和活化能。正交試驗(yàn)得到相對(duì)單位能耗最優(yōu)干燥工藝為：溫度90 ℃、風(fēng)速0.8 m/s、厚度10 mm，平均干燥強(qiáng)度最優(yōu)工藝為干燥溫度90 ℃、風(fēng)速0.8 m/s、厚度5 mm。試驗(yàn)結(jié)果可為后續(xù)研究污泥熱泵干燥及太陽(yáng)能-熱泵聯(lián)合干燥提供參考。

干燥；模型；優(yōu)化；污泥；低溫；干燥動(dòng)力學(xué)

0 引 言

污泥具有含水率高、體積大、成分復(fù)雜等特點(diǎn)[1]，加熱干燥是實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無(wú)害化及資源化處理的重要途徑[2-3]。傳統(tǒng)污泥加熱干燥往往采用轉(zhuǎn)鼓式、轉(zhuǎn)盤式、流化床等進(jìn)行干燥，干燥介質(zhì)為空氣、燃?xì)狻⒄羝驘嵊?，干燥溫度設(shè)置較高（100 ℃以上），導(dǎo)致能耗高及產(chǎn)生二次污染[4-5]。對(duì)污泥進(jìn)行100 ℃以下的低溫干燥，一方面可以有效利用太陽(yáng)能、廢熱等低品位能源[6]，或者利用熱泵干燥技術(shù)[7]，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。另一方面Deng等[8]、褚赟等[9]、翁煥新等[10-11]的研究表明當(dāng)干燥溫度低于100 ℃時(shí)，污泥中的揮發(fā)性有機(jī)化合物如烷類、芳烴類、脂類的釋放量以及惡臭氣體如NH3、H2S的釋放量將大大減少，因此100 ℃以下的低溫可以有效減少污泥干燥過(guò)程中產(chǎn)生的二次污染及降低尾氣處理難度。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)100 ℃以下的污泥低溫干燥有較多研究。劉長(zhǎng)燕等[12]研究認(rèn)為當(dāng)溫度小于100 ℃時(shí)，顆粒粒徑是影響污泥干燥速率的主要因素，溫度影響不顯著。王永川等[13]研究了污泥干燥中導(dǎo)熱系數(shù)在溫度30～83 ℃范圍內(nèi)的變化特征。鄭龍等[6]研究了污泥在溫度30～50 ℃和相對(duì)濕度20～60%范圍內(nèi)的低溫干燥特性，認(rèn)為Page模型能夠較好地?cái)M合低溫低濕干燥過(guò)程，并對(duì)Arrhenius公式進(jìn)行了濕度修正。曹雷等[14]研究了薄膜態(tài)污泥在50和70 ℃、風(fēng)速0.3～1.2 m/s條件下的干燥特性，結(jié)果表明，采用薄膜形態(tài)能夠有效增大污泥低溫干燥速度、避免“硬殼”出現(xiàn)。Ruiz等[15]對(duì)剩余污泥在30 ℃恒溫、不同相對(duì)濕度條件下脫水與變形動(dòng)力學(xué)特性之間的相互關(guān)系進(jìn)行了研究。Font等[16]建立了顆粒污泥與柱狀污泥在30～65 ℃內(nèi)的干燥模型，在模型中考慮了干燥過(guò)程中水分蒸發(fā)擴(kuò)散、傳熱傳質(zhì)以及趨膚效應(yīng)的影響，并分析了傳質(zhì)系數(shù)、傳熱系數(shù)、趨膚因子、擴(kuò)散系數(shù)及活化能等干燥動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響因素。Celma等[17]研究了污泥在30～50 ℃、不同風(fēng)速下的對(duì)流干燥特性。此外，為了有效利用混合太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)加熱溫度范圍，Celma等[18]研究了橄欖污泥在溫度20～80 ℃的薄層干燥特性。Louarn等[19]進(jìn)行了干燥溫度在20～60 ℃范圍內(nèi)的污泥對(duì)流、傳導(dǎo)以及聯(lián)合干燥試驗(yàn)，并建立了基于一維傳熱傳質(zhì)機(jī)理的擬合數(shù)學(xué)模型，為研究污泥熱泵輔助低溫干燥奠定了基礎(chǔ)?？紤]到100 ℃以下的污泥低溫干燥成為了新興研究熱點(diǎn)，本文擬對(duì)50～90 ℃范圍內(nèi)的城市污泥低溫干燥動(dòng)力學(xué)進(jìn)行試驗(yàn)研究，為下一步開(kāi)展污泥熱泵干燥及太陽(yáng)能-熱泵聯(lián)合干燥提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)備

自行研制的熱風(fēng)對(duì)流干燥試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，主要包括電力控制柜、HB-329型高壓離心風(fēng)機(jī)（功率0.75 kW）、電加熱器（3 kW）、YK250A40型金屬管浮子流量計(jì)、WSS-411型溫度計(jì)、干燥室、功率與溫度調(diào)節(jié)組合控制器、電能表、溫度傳感器、質(zhì)量在線稱量系統(tǒng)（由ML1602型電子天平、RS232串口線、計(jì)算機(jī)組成）。其他試驗(yàn)儀器有電熱鼓風(fēng)干燥箱、PC電腦1臺(tái)、玻璃培養(yǎng)皿若干。儀器型號(hào)、精度、生產(chǎn)廠家見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2,20-21]。

1.干燥室 2.ML1602天平 3.污泥試樣 4.流量計(jì) 5.加熱器 6.PC電腦 7.電力控制柜 8.離心風(fēng)機(jī) 9.溫度傳感器 10.功率、溫度控制器

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料取自南昌某污水處理廠，經(jīng)網(wǎng)帶式壓濾機(jī)脫水處理，松散狀態(tài)下密度約為979 kg/m3，含水率約為73%。根據(jù)試驗(yàn)污泥薄層厚度要求，采用自制木質(zhì)模型放在0.3 mm的薄鋁片上，將濕污泥裝入木質(zhì)模型內(nèi)并輕輕壓平，成型后薄層污泥尺寸為100 mm×100 mm，厚度分別為5、10和15 mm[2,20]。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1試驗(yàn)流程

開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，保持干燥室內(nèi)空氣流通；將智能溫控儀溫度設(shè)定到預(yù)設(shè)值（50、70和90 ℃），預(yù)熱結(jié)束后將其設(shè)置為人工智能模式；通過(guò)變頻器調(diào)整熱風(fēng)流量到預(yù)設(shè)值（18.6、27.9和37.2 m3/h，對(duì)應(yīng)風(fēng)速分別為0.4、0.6和0.8 m/s）；將事先制備好的試驗(yàn)原料放入干燥室內(nèi)，記錄電能表讀數(shù)，緊閉干燥室門；當(dāng)在線稱量天平顯示為試驗(yàn)預(yù)設(shè)值時(shí)[21]，記錄電能表讀數(shù)，關(guān)閉智能溫控儀，停止加熱；當(dāng)加熱器溫度降低接近室溫時(shí)，關(guān)閉風(fēng)機(jī)，斷開(kāi)控制柜。為實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，將在線稱量天平用一根RS232串口線與數(shù)據(jù)采集電腦相連。根據(jù)試驗(yàn)需要，試驗(yàn)數(shù)據(jù)每5 s自動(dòng)采集1次，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次[20-21]。

1.3.2 污泥干燥參數(shù)的計(jì)算

1）水分比

試驗(yàn)過(guò)程某一時(shí)刻污泥水分比的計(jì)算公式為[2,22-23]

式中MR為污泥的水分比；0為污泥的初始干基含水率，g/g；M為平衡時(shí)污泥干基含水率，g/g；M為干燥過(guò)程時(shí)刻污泥的干基含水率，g/g。

由于M相對(duì)于0及M很小，可以忽略，因此式（1）可以簡(jiǎn)化為

2）干燥速率

試驗(yàn)過(guò)程中，污泥水分去除效果可用干燥速率來(lái)表示，其計(jì)算公式為[24]

式中DR為干燥速率，g/(g?min)；Mt)為干燥過(guò)程中(t)時(shí)刻污泥干基含水率，g/g。

3）有效擴(kuò)散系數(shù)及活化能

污泥薄層干燥是水分從污泥薄層內(nèi)部向外擴(kuò)散的過(guò)程，通過(guò)Fick擴(kuò)散定律可計(jì)算水分的有效擴(kuò)散系數(shù)，計(jì)算方程為[2,25-26]

式中eff為有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；為試驗(yàn)時(shí)間，s；為試驗(yàn)時(shí)污泥薄層厚度的一半，m；為試驗(yàn)采樣數(shù)。

將式（4）等號(hào)兩邊分別取自然對(duì)數(shù)，可得到lnMR與時(shí)間的線性關(guān)系表達(dá)式

由式（5）可知，lnMR與時(shí)間線性關(guān)系的斜率表達(dá)式為

通過(guò)擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)MR與的值，可以得到方程（5）的數(shù)學(xué)表達(dá)式，再通過(guò)式（6）就可以計(jì)算出有效擴(kuò)散系數(shù)eff的值，有效擴(kuò)散系數(shù)eff與活化能的關(guān)系式可根據(jù)Arrhenius方程建立得到[2,26-27]

式中0為Arrhenius因數(shù)，m2/s；為濕分?jǐn)U散活化能，kJ/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol?K)；為熱力學(xué)溫度，K。

將式（7）等號(hào)兩邊分別取自然對(duì)數(shù)，可得到lneff與1/的線性關(guān)系表達(dá)式

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)線性擬合由式（8）可得到lneff與1/線性關(guān)系的斜率值-/R，從而計(jì)算活化能。

4）試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

干燥速率是衡量干燥過(guò)程的一個(gè)重要指標(biāo)，由于難以測(cè)定干燥介質(zhì)與被干物料的接觸面積，常采用干燥強(qiáng)度表示干燥進(jìn)行的速率。干燥強(qiáng)度一般采用平均干燥強(qiáng)度表示，定義為干燥前與干燥后物料干基含水率之差與總干燥時(shí)間之比，單位為g/(g?min)[23]。

污泥干燥是一個(gè)能量?jī)粝牡倪^(guò)程，耗能費(fèi)用在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)干化系統(tǒng)運(yùn)行成本中的比例>80%[4,23]，因此能耗是評(píng)價(jià)污泥干燥工藝的另一重要指標(biāo)。為了保證試驗(yàn)條件基本相同，干燥介質(zhì)（熱空氣）流過(guò)污泥后即排出干燥室，故能耗采用相對(duì)單位能耗，定義為干燥過(guò)程中，加熱器加熱空氣并保持試驗(yàn)所需溫度以及風(fēng)機(jī)保持試驗(yàn)所需空氣風(fēng)速所消耗的總電能與去除物料中水分質(zhì)量的比值，單位為kJ/g。

相對(duì)單位能耗的計(jì)算公式為

式中為相對(duì)單位能耗，kJ/g；1為干燥前電能表讀數(shù)，kW?h；2為干燥后電能表讀數(shù)，kW?h；1為干燥前物料總質(zhì)量，g；2為干燥后物料總質(zhì)量，g。

5）模型擬合判定參數(shù)

為了探討污泥薄層低溫干燥過(guò)程中水分比隨時(shí)間變化的關(guān)系，利用現(xiàn)有干燥模型對(duì)試驗(yàn)值進(jìn)行擬合分析。薄層干燥常用模型分別為L(zhǎng)ewis、Henderson and Pabis、Page、Wang and Singh、Logarithmic與Midilli模型，這6種模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式及參數(shù)說(shuō)明詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[22,28-29]。試驗(yàn)值與干燥數(shù)學(xué)模型擬合度主要由決定系數(shù)2、卡方2及均方根誤差RMSE來(lái)判定[2,21,23]。2越大、2及RMSE越小，說(shuō)明試驗(yàn)值與干燥模型的擬合度越好[30]。3個(gè)參數(shù)的值由數(shù)學(xué)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型擬合時(shí)自動(dòng)生成[20,31]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用OriginPro8.5.1及SPSS22.0軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 溫度對(duì)污泥干燥特性的影響

圖2為10 mm厚度薄層污泥在熱風(fēng)風(fēng)速0.6 m/s、干燥溫度分別為50、70和90 ℃下的干燥曲線和干燥速率曲線。從圖2中可以看出干燥溫度越高，干燥時(shí)間越短。10 mm薄層污泥濕基含水率由73%降至20%所用時(shí)間分別為：50 ℃用218 min、70 ℃用124 min、90 ℃用76 min。50 ℃所用時(shí)間約為90 ℃的2.9倍、70 ℃的1.8倍。干燥溫度升高，有效地加強(qiáng)了濕分遷移，污泥內(nèi)部傳熱驅(qū)動(dòng)力增大，干燥效率增大，說(shuō)明溫度是影響低溫干燥效率的重要因素。從圖2中可以看出，不同溫度下污泥低溫干燥過(guò)程主要有加速段和降速段組成，降速段可分為第一降速段K和第二降速段L。不同溫度下，第一和第二降速段的臨界含水率大致在0.5 g/g（干基）附近，這與謝蘊(yùn)江等[32]研究結(jié)果不同。只有在50 ℃時(shí)存在短暫的恒速段J，而70和90 ℃恒速段并不明顯，說(shuō)明污泥低溫干燥過(guò)程是以內(nèi)部控制傳質(zhì)為主的降速干燥。在50 ℃時(shí)，經(jīng)過(guò)短暫恒速段后，干燥速率反而升高，說(shuō)明此時(shí)污泥開(kāi)始出現(xiàn)收縮、裂縫等現(xiàn)象，導(dǎo)致表面積增大，使得干燥速率不降反升。另外，干燥溫度越高，干燥速率降低幅度越大。這是因?yàn)闇囟壬呤刮勰鄡?nèi)外水分傳遞動(dòng)能增大，更有利于水分的蒸發(fā)，由于污泥初始含水率高，污泥中存在大量的自由水，干燥開(kāi)始時(shí)，干燥速率迅速升高；隨著干燥的進(jìn)行，污泥中的自由水越來(lái)越少，污泥出現(xiàn)表面硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)外熱質(zhì)傳遞阻力增大，而干燥溫度越高，表面硬化形成越快，干燥速率下降幅度就越大。

a. 干燥曲線

a. Drying curves

b. 干燥速率曲線

b. Drying rate curves

注：I、J、K和L分別加速段、恒速段、第一降速段和第二降速段。下同。

Note: I, J, K and L were acceleration period, constant rate period, first falling rate period and the second falling rate period, respectively. The same below.

圖2 10 mm厚度污泥在熱風(fēng)風(fēng)速0.6 m/s不同溫度下的干燥曲線和干燥速率曲線

Fig.2 Drying curves and drying rate curves of 10 mm sludge at different temperatures under hot air speed of 0.6 m/s

2.1.2 薄層厚度對(duì)污泥干燥特性的影響

圖3為薄層厚度為5、10和15 mm污泥在干燥溫度70 ℃、熱風(fēng)風(fēng)速0.6 m/s下的干燥曲線和干燥速率曲線。從圖3中可以看出污泥薄層厚度越大，干燥時(shí)間越長(zhǎng)。污泥含水率由73%降至20%所用時(shí)間分別為：5 mm用74 min、10 mm用124 min、15 mm用174 min。15 mm所用時(shí)間約為5 mm的2.4倍、10 mm的1.4倍。污泥薄層厚度越大，干燥進(jìn)行時(shí)，污泥熱質(zhì)傳遞路徑越長(zhǎng)，且干燥形成的表面硬化層越厚，阻力越大，干燥效率越低。另外，不同厚度下污泥低溫干燥過(guò)程也主要有加速段和降速段組成，恒速段不明顯，降速段也可分為第一降速段K和第二降速段L。不同厚度下，第一和第二降速段的臨界含水率大致在0.5 g/g（干基）附近。5 mm干燥速率波動(dòng)幅度較大，主要原因是5 mm厚度污泥的表面積與體積之比大于10和15 mm，干燥收縮產(chǎn)生裂紋更明顯。

a. 干燥曲線

a. Drying curves

b. 干燥速率曲線

2.1.3 風(fēng)速對(duì)污泥干燥特性的影響

圖4為10 mm厚度的薄層污泥在溫度70 ℃，熱風(fēng)風(fēng)速為0.4、0.6和0.8 m/s的干燥曲線和干燥速率曲線?？梢钥闯鰺犸L(fēng)風(fēng)速越大，干燥時(shí)間越短，干燥速率波動(dòng)越大。污泥含水率由73%降至20%所用時(shí)間分別為：0.4 m/s用168 min、0.6 m/s用124 min、0.8 m/s用92 min；0.4 m/s所用時(shí)間約為0.6 m/s的1.4倍，約為0.8 m/s的1.8倍。風(fēng)速越大，污泥表面的流動(dòng)邊界層越薄，增大了污泥表面與熱風(fēng)之間熱質(zhì)傳遞動(dòng)力，加速表面硬化，促進(jìn)了裂紋的產(chǎn)生。從圖4中可以看出，不同熱風(fēng)風(fēng)速下低溫干燥過(guò)程同樣主要由升速段和降速段構(gòu)成，降速段可分為第一降速段和第二降速段。不同厚度下，第一和第二降速段的臨界含水率大致在0.5 g/g（干基）附近。隨著干燥的進(jìn)行，風(fēng)速對(duì)干燥速率的影響越來(lái)越小。這是由于隨著干燥的進(jìn)行，污泥干燥過(guò)程由外部條件控制的過(guò)程轉(zhuǎn)為內(nèi)部條件控制的過(guò)程，內(nèi)部因素成為影響干燥速率的主要因素。

2.2 模型選擇

6種模型R2與RMSE值如表1所示，6種模型中Midilli模型的平均2為0.999 8，平均2為2.46×10-5，平均RMSE為0.004 2，優(yōu)于其他模型，擬合效果最好。

a. 干燥曲線

a. Drying curves

b. 干燥速率曲線

表1 薄層干燥模型擬合結(jié)果

2.3 Midilli模型驗(yàn)證

由表2可知，Midilli模型更適合描述污泥低溫薄層干燥過(guò)程水分比MR隨干燥時(shí)間變化。模型干燥常數(shù)是干燥溫度、熱風(fēng)速度及污泥薄層厚度的函數(shù)，本研究擬合得到的Midilli模型如下

如圖5所示，隨機(jī)選取干燥溫度90 ℃，污泥薄層厚度15 mm，熱風(fēng)風(fēng)速0.8 m/s的試驗(yàn)值與模擬值進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明試驗(yàn)值與模擬值擬合度很高，決定系數(shù)2為0.989 5，可用方程（10）預(yù)測(cè)污泥低溫干燥過(guò)程任意時(shí)刻的水分比MR。

圖5 Midilli模型驗(yàn)證

Fig.5 Verification of Midilli model

2.4 有效擴(kuò)散系數(shù)及活化能

表2、3為不同干燥條件下lnMR與的擬合及有效擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算結(jié)果。從表2中可以看出，在熱風(fēng)風(fēng)速0.6 m/s，干燥溫度50，70與90 ℃的條件下，5、10和15 mm薄層厚度污泥的水分有效擴(kuò)散系數(shù)分別為：8.72×10-10～3.61×10-9、1.41×10-9～5.22×10-9、2.46×10-9～9.69×10-9m2/s。由此可見(jiàn)，干燥溫度越高或薄層厚度越大，水分?jǐn)U散系數(shù)越大。從表3中還可以看出，在干燥溫度70 ℃、熱風(fēng)風(fēng)速0.4和0.8 m/s的條件下，薄層厚度10 mm的污泥水分有效擴(kuò)散系數(shù)為2.46×10-9和4.48×10-9m2/s，干燥介質(zhì)（熱風(fēng)）流速的增大，濕分有效擴(kuò)散系數(shù)也增大，說(shuō)明提高介質(zhì)流速有利于物料濕分的遷移。

由上述計(jì)算所得厚度5、10和15 mm的薄層污泥在不同熱風(fēng)干燥溫度下的有效擴(kuò)散系數(shù)eff，對(duì)lneff與1/進(jìn)行擬合，2>0.969，<0.05，呈顯著線性相關(guān)。由式（8）可得薄層厚度為5、10和15 mm污泥試樣，在熱風(fēng)干燥溫度50～90 ℃的條件下的水分活化能分別為25.25、25.28和23.96 kJ/mol，與文獻(xiàn)[2]的結(jié)論相近。

表2 不同溫度下污泥低溫干燥的有效擴(kuò)散系數(shù)

表3 不同風(fēng)速下污泥低溫干燥的有效擴(kuò)散系數(shù)

2.5 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.5.1 極差分析

為了求得污泥低溫干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)，參考上述單因素試驗(yàn)結(jié)果，以平均干燥強(qiáng)度和相對(duì)單位能耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了3因素3水平的正交試驗(yàn)方案。采用L9（34）正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果與極差分析見(jiàn)表4。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

從表4中可以看出，對(duì)于相對(duì)單位能耗指標(biāo)，影響因素的主次順序?yàn)闇囟?風(fēng)速>厚度，最優(yōu)干燥工藝A3B3C2，即干燥溫度90 ℃、風(fēng)速0.8 m/s、厚度10 mm。對(duì)于平均干燥強(qiáng)度指標(biāo)，影響因素的主次順序?yàn)闇囟?厚度>風(fēng)速，最優(yōu)干燥工藝A3B3C1，即干燥溫度90 ℃、風(fēng)速0.8 m/s、厚度5 mm。

2.5.2 方差分析

方差分析結(jié)果見(jiàn)表5。從表5中可以看出，干燥溫度對(duì)相對(duì)單位能耗的影響為極顯著（<0.01），而風(fēng)速和薄層厚度對(duì)相對(duì)單位的能耗均不顯著（>0.05），說(shuō)明在低溫干燥過(guò)程中產(chǎn)生的能耗主要為加熱管所消耗的電能。結(jié)合極差分析表4可以發(fā)現(xiàn)，干燥溫度越低，相對(duì)單位能耗越大，這是由于溫度越低，干燥時(shí)間越長(zhǎng)，消耗的電量越多。因此，污泥低溫干燥應(yīng)盡可能保持較高的溫度。從表5中可以看出，溫度和厚度對(duì)平均干燥強(qiáng)度的影響均顯著（<0.05）。溫度越高，厚度越小，熱質(zhì)傳遞動(dòng)力越大，污泥內(nèi)部水分向外擴(kuò)散路徑越短，阻力越小，使得平均干燥強(qiáng)度越大。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析

注：*表示差異顯著（<0.05）；**表示差異極顯著（<0.01）。

Note: * means the difference is significant at 0.05 level; ** means the difference is significant at 0.01 level.

2.5.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

從正交試驗(yàn)結(jié)果中得到的相對(duì)單位能耗最優(yōu)干燥工藝組合和平均干燥強(qiáng)度最優(yōu)干燥工藝組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。在干燥溫度90 ℃、風(fēng)速0.8 m/s以及厚度10 mm條件下，得到相對(duì)單位能耗122.29 kJ/g，低于其他干燥組合，說(shuō)明該干燥工藝組合可以作為相對(duì)單位能耗最優(yōu)組合；在干燥溫度90 ℃、風(fēng)速0.8 m/s以及厚度5 mm條件下，得到平均干燥強(qiáng)度0.064 3 g/(g?min)，高于其它干燥組合，說(shuō)明該干燥組合可以作為平均干燥強(qiáng)度最優(yōu)組合。

3 結(jié) 論

1）污泥低溫干燥過(guò)程主要由升速段、降速段組成，恒速段不明顯，整個(gè)干燥過(guò)程以降速階段為主。其中降速階段有明顯的第一、第二降速階段；由于干燥后期內(nèi)部因素成為影響低溫干燥的主要因素，不同干燥條件下的第二臨界含水率變化不大，在0.5 g/g（干基）附近。隨著干燥溫度的升高、風(fēng)速的增大以及污泥厚度的減小，干燥速率增大，干燥時(shí)間縮短。

2）對(duì)6種常用的薄層干燥模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合比較，得到最優(yōu)模型為Midilli模型，其2值均大于0.999，2值范圍為7.61×10-6～3.33×10-5，RMSE的變化范圍為0.002 8～0.005 8。

3）采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到相對(duì)單位能耗最優(yōu)工藝為溫度90 ℃、風(fēng)速0.8 m/s、厚度10 mm，得到平均干燥強(qiáng)度最優(yōu)工藝為干燥溫度90 ℃、風(fēng)速0.8 m/s、厚度5 mm。方差分析得到干燥溫度對(duì)相對(duì)單位能耗的影響為極顯著影響（<0.01），風(fēng)速和厚度對(duì)平均干燥強(qiáng)度的影響為顯著影響（<0.05）。

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Drying kinetics and parameters optimization of sludge drying at low temperature

Zhang Xukun, Liu Shengping, Wu Qingrong, Zeng En, Wang Gaomin

(,330063,)

The production of sewage sludge in China is increasing daily. Such a large amount of sewage sludge has a tremendous pressure on environment. The moisture content of sewage sludge is greatly high. Decreasing the moisture content of sludge is a critical step in harmlessness, bulkiness reduction, and resource utilization. Thermal drying has been proven to be an effective method to reduce solid volumes. The traditional sludge drying is often carried out by drum dryer, rotary dryer, fluidized dryer, and so on. The drying temperature is set higher (above 100 ℃), resulting in high energy consumption and producing secondary pollution. However, sludge drying at low temperature can not only save energy, but also reduce the emissions of malodorous gases and have a safer drying process. In order to study the drying kinetics of sludge drying at low temperature, the effects of drying temperature, thin-layer thickness and air speed on sludge moisture ratio and drying rate were examined. The optimization of the low temperature drying parameters was also studied. The results showed that the drying rate and drying time were influenced significantly by drying temperature, thickness and air speed. The low temperature drying process could be mainly divided into 2 periods: the acceleration period and falling rate period. The falling rate period could be also divided into 2 periods: the first falling rate period and the second falling rate period. The critical water contents under different drying conditions were about 0.5 g/g (dry basis) between the first falling rate period and the second falling rate period. According to statistical parameters, i.e. coefficient of determination (2), chi-square (2), and root mean square error (RMSE), the Midilli model was the most suitable to describe the relationship between sewage sludge moisture and drying time among 6 common thin-layer drying models. The effective diffusion coefficients of sludge having thicknesses of 5, 10, and 15 mm were 8.72×10-10-3.61×10-9, 1.41×10-9-5.22×10-9and 2.46×10-9-9.69×10-9m2/s respectively under the temperature range of 50-90 ℃ at the air speed of 0.6 m/s. Besides, the activation energy values were 25.25, 25.28 and 23.96 kJ/mol respectively. The effective diffusion coefficients of sludge with thickness of 10 mm was 2.46×10-9and 4.48×10-9m2/s under the air speed of 0.4 and 0.8 m/s at the temperature of 70 ℃. An orthogonal experiment was designed with the drying temperatures of 50, 70 and 90 ℃, the thicknesses of 5, 10 and 15 mm and the air speeds of 0.4, 0.6 and 0.8 m/s. The effect of drying temperature on relative unit energy consumption was extremely significant. The effect of air speed and thickness on average drying intensity was significant. The order of the factors for decreasing relative unit energy consumption was drying temperature > air speed > thickness, and for increasing average drying intensity was drying temperature > thickness > air speed. In terms of relative unit energy consumption, the optimal technological parameters were presented as follows: drying temperature of 90 ℃, thickness of thin layer of 10 mm, and air speed of 0.8 m/s. In terms of average drying intensity, the optimal technological parameters were presented as follows: drying temperature of 90 ℃, thickness of thin layer of 5 mm, and air speed of 0.8 m/s. The results of this study provide a reference for the subsequent study of the heat pump drying or combined drying of solar and heat pump for sewage sludge.

drying; models; optimization; sewage sludge; low temperature; drying kinetics

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.17.029

X705

A

1002-6819(2017)-17-0216-08

2017-04-17

2017-08-14

江西省科技計(jì)劃（重大）資助項(xiàng)目（2015ACG70012），國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51168038）

張緒坤，博士，教授，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)與干燥設(shè)備研究。Email：xukun008@163.com。

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：張緒坤（E041200712S）