CC BY
32
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №4
УДК 66.047.7: 66.047.55
РАСЧЕТ И РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ ИЗ ТВЕРДЫХ
ОТХОДОВ СТОЧНЫХ ВОД
С.В. Воробьев, И.В. Постникова, В.Н. Блиничев
CALCULATION AND ENGINEERING OF INSTALLATION REMOVE MOISTURE FROM THE SOLID WASTE OF SEWAGE WATER S.V. Vorobyev, I.V. Postnikova, V.N. Blinichev
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы разработки энерго- и ресурсосберегающей сушилки активного ила, образующегося при очистке сточных вод. Представлены результаты лабораторных исследований процесса сушки разных по форме образцов ила при различных температурах сушильного агента. Исследование процесса сушки твердых отходов сточных вод (активного ила) проводилось в сушильной камере (сушильном шкафу) с автоматическим поддержанием заданной температуры ±20С. На основании исследований разработана принципиальная схема сушки и конструктивное оформление процесса для низкотемпературной (800С) и относительно высокотемпературной (1500С) сушки ила.
Ключевые слова: ленточная сушилка; сушка паст; активный ил; конвективная сушка; кинетика сушки.
Abstract. The article discusses the development of energy and resource-dryers activated sludge generated during wastewater treatment. The results of laboratory studies of the drying process in the form of different samples at different temperatures sludge drying agent. Investigation of drying the solid waste sewage (activated sludge) is performed in an oven (oven) with automatic maintenance of the desired temperature ± 2 ° C. On the basis of researches the concept of drying and constructive clearance process for low-temperature (800С) and a relatively high temperature (1500С) drying the sludge.
Key words: belt dryer; drying of pastes; activated sludge; convective drying; kinetics of
drying.
Введение
Активный ил - это биомасса, образовавшаяся в процессе очищения сточных вод. Состоит активный ил из различных аэробных и анаэробных бактерий, а также одноклеточных организмов таких как: амеба протей, инфузория туфелька, грибы актиномицеты, коловратки, зооглея, солнечники, бодо (жгутиковые), сувойка и черви нематоды. Чтобы убить остатки потенциально опасных микроорганизмов, остановить процесс гнилостности, а также уничтожить яйца гельминтов достаточно будет обычной термической обработки - сушки активного ила, причем температура сушки не должна быть ниже 750С.
При сушке отходов очистки сточных вод необходимо решить следующие задачи:
- обеспечить замкнутый цикл по сушильному агенту, так как выброс в атмосферу отработанного воздуха запрещен по санитарно-гигиеническим соображениям;
- получить в результате сушки твердые гранулы ила с конечной влажностью не больше 10%, пригодные для дальнейшей утилизации.
Высокотемпературная сушка, т.е. сушка при температуре больше 180-200°С приводит к образованию пыли высушенного ила, который может образовывать взрывоопасную смесь с сушильным агентом.
Таким образом, необходимо предложить такую схему сушки активного ила, которая бы позволила обеспечить замкнутый цикл движения сушильного агента, выдержать оптимальный температурный режим сушки при минимальном расходе топлива и полной конденсации удаленной влаги.
Исследование процесса сушки твердых отходов сточных вод (активного ила) проводилось в сушильной камере (сушильном шкафу) с автоматическим поддержанием заданной температуры с отклонением в пределах ±20С. В сушильной камере имелся небольшой осевой вентилятор, создающий продольную продувку высушиваемых образцов.
Исследования осуществлялись в два этапа. На первом этапе исследовалось влияние формы высушиваемого образца на кинетику сушки. На втором этапе определялось влияние температуры сушильного агента на скорость сушки.
На рис. 1 и в табл. 1 представлена кинетика сушки пасты, сформированной в виде пластины высотой 12-15 мм и с размерами в плане 50х50 мм при температуре 750С.
1, мин
Рисунок 1 - Кинетика сушки материала при температуре 75 С (образец представляет собой пластину высотой 12-15 мм и размерами 50х50мм)
аблица 1 - Кинетика сушки образца пластинчатой формы при температуре 750С
Время, мин Вес материала, г Содержание влаги, %
0 55,30 69,94
10 52,30 64,52
20 48,79 58,17
30 45,44 52,11
40 42,44 46,69
50 39,49 41,35
60 36,81 36,51
70 34,40 32,15
80 32,14 28,06
90 29,98 24,06
100 28,11 20,78
110 26,29 17,49
120 24,62 14,46
130 23,10 11,72
140 21,67 9,13
http://vestnik-nauki.ru/
Продолжение таблицы 1
150 20,47 6,96
160 19,38 4,99
170 18,31 3,06
180 17,43 1,46
Для того, чтобы исключить или уменьшить влияние кондуктивного (контактного) теплообмена за счет теплопроводности высушиваемые образцы выкладывались на сетку, имеющую очень малую поверхность контакта с образцами.
Анализ кинетики сушки плоской пластины материала показывает, что, несмотря на наличие мелких частиц в пасте и небольшую температуру воздуха, сушка материала протекает от начальной влажности 70% до 10%, практически, в первом периоде сушки. Это свидетельствует о том, что в высушиваемом материале находятся открытые поры и скорость диффузионного подвода влаги из пор материала больше скорости ее испарения с поверхности. В то же время необходимо отметить, что даже при небольшой высоте образца сушка его с 70% до 10% влажности осуществлялась в течение длительного времени - 135 минут.
На рис. 2 и в табл. 2 представлена кинетика сушки образца пасты, сформированного в виде цилиндра диаметром 30 мм и длиной 100 мм.
О ¿0 40 60 80 100 120
t, мин
Рисунок 2 - Кинетика сушки материала при температуре 75 С (образец представляет собой цилиндр диаметром 30 мм и длиной 100 мм).
Таблица 2 - Кинетика сушки образца в виде цилиндра при температуре 750С
Время, мин Вес материала, г Содержание влаги, %
0 80,87 80,93
20 66,12 62,69
40 53,74 58,17
60 44,08 47,38
80 36,24 35,44
100 30,33 18,44
120 25,58 12,56
Анализ кинетической кривой сушки образца в виде цилиндра при той же температуре 750С показывает, что время сушки цилиндрических образцов до конечной влажности равной 10%, меньше по сравнению с образцом пластинчатой формы, даже несмотря на большую
начальную влажность материала. Поэтому для интенсификации процесса сушки нами проведены исследования процесса сушки образцов материала цилиндрической формы уже при большей температуре, равной 1500С.
На рис. 3 и в табл. 3 представлена кинетика сушки двух образцов пасты цилиндрической формы с диаметром цилиндров 30 и 60 мм, длиной 100 мм при температуре 1500С.
I, мин
Рисунок 3 - Кинетика сушки образцов диаметром 30 и 60 мм при температуре 1500С
аблица 3 - Кинетика сушки образцов при температуре 1500С
Время, мин Образец диаметром 30 мм Образец диаметром 60 мм
Вес материала, Содержание Вес Содержание
г влаги, % материала, г влаги, %
1 2 3 4 5
0 89,23 81,99 91,65 81,40
10 73,62 64,50 81,53 70,35
20 59,43 48,59 69,12 56,81
30 47,46 35,18 57,67 44,32
40 38,11 24,70 48,52 34,34
50 30,80 16,51 40,31 25,38
60 25,56 10,63 33,99 18,48
70 21,35 5,91 28,74 12,75
80 18,75 3,00 24,96 8,63
90 17,12 1,18 21,73 5,11
Анализ кинетических кривых сушки, представленных на рис. 3 показывает, что даже при большей температуре сушки процесс удаления влаги из пастообразного материала от начальной влажности 70% до конечной 10% протекает, в основном, в первом периоде сушки для обоих исследуемых образцов. Этот факт свидетельствует о том, что в данном высушиваемом материале в процессе сушки не образуется плотной корки на поверхности высушиваемого образца, препятствующей диффузионному подводу к ней влаги из внутренних слоев материала.
Анализ экспериментальных данных по кинетике сушки образцов двух диаметров свидетельствует о том, что время сушки образцов диаметром 30 мм до конечной влажности
составляет уже 52 минуты, а время сушки образцов диаметром 60 мм составляет около 65 минут.
Учитывая интенсификацию процесса сушки за счет многократного поперечного обдува сушильным агентом материала, сформированного в виде цилиндров, можно принять, что при температуре 1500С оптимальное время сушки материала цилиндрической формы диаметром 60 мм будет составлять 60 минут.
Авторами были разработаны схемы сушки и определены габариты сушилки для низкотемпературной (800С) и относительно высокотемпературной (1500С) сушки ила. Основными аппаратами в данных схемах являются: ленточная сушилка, абсорбер-конденсатор и топка для нагрева сушильного агента. Абсорбер со слоем орошаемой насадки выбран для конденсации избыточной влаги в отходящем потоке сушильного агента как наиболее простой в изготовлении конденсатор.
Тепловой и материальный расчет ленточной сушилки твердых отходов сточных вод показывает, что при начальной температуре теплоносителя, равной 800С, технологически целесообразно разбивать сушилку на три зоны сушки с раздельным подводом и отводом теплоносителя в каждую зону, а при температуре 1500С, разбивка сушилки на зоны уже экономически не целесообразна, вследствие невозможности достижения высокого влагосодержания выходящего теплоносителя (соответственно, низкой конечной его температуры) во второй и третьей зонах.
Поэтому при начальной температуре воздуха, равной 1500С, горячий воздух должен подаваться противотоком в сушилку (при поперечно-противоточном движении по сечению сушилки), меняя направление движения в каждой секции, что позволит достичь его низкой температуры и высокого влагосодержания на выходе из сушилки и существенно снизить затраты охлаждающей и конденсирующей воды в контактном абсорбере-конденсаторе.
Воздух движется противоточно-поперечно высушиваемому материалу, максимально насыщаясь испаряемой влагой. Благодаря выбранной цилиндрической форме высушиваемой пасты, в сушилке организуется активный гидродинамический режим сушки, когда в каждой секции материал обдувается горячим воздухом с переменной скоростью от 1,56 м/с до ~ 20 м/с, что позволяет реализовать высокие коэффициенты тепло- и массопередачи. Таким образом, в одной секции материал обдувается воздухом, проходящим снизу-вверх, а в следующей секции - сверху-вниз.
К тому же, выгодно производить сушку исходного материала, сформированного на ленте в виде цилиндров, т. к. поверхность сушки при этом может быть в 3 раза больше, чем для сплошного слоя высушиваемого ила и имеется возможность многократного обдува высушиваемого материала горячим воздухом, что, в свою очередь, повышает коэффициент массопередачи. Кроме того, сопротивление сплошного слоя материала на продув горячим воздухом в десятки раз больше, чем сопротивление слоя материала в виде цилиндров.
Исследования процесса сушки твердых отходов сточных вод показали, что после сушки до 10% конечной влажности получаются достаточно прочные цилиндры, не пылящие и достаточно легко снимаемые с мелкой сетки. Поэтому в качестве рабочего органа ленты можно использовать воздухопроницаемую сетку с малым гидравлическим сопротивлением.
Для экономии топлива, расходуемого на нагрев сушильного агента, авторы предлагают использовать теплоту сгорания высушенного ила. Теплотворная способность высушенного до равновесного влагосодержания активного ила составляет 3960 кДж/кг (определена в лаборатории микроанализа Института химии растворов РАН г. Иванова). Проведенные нами расчеты показывают, что при сжигании твердых отходов можно получить более 1/3 необходимого для сушки тепла.
Выводы
• На основании проведенных экспериментальных исследований и расчетов разработаны принципиальные схемы сушки активного ила при 80 и 1500С.
• Предложено конструктивное оформление процесса сушки активного ила.
• Рассмотрены вопросы экологической безопасности процесса сушки с применением замкнутой схемы циркуляции сушильного агента.
• Предложен способ экономии расхода воды для охлаждения отработанного сушильного агента и конденсации в нем паров воды.
• Предложен способ экономии расхода топлива для нагрева сушильного агента.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Б.С. Сажин. Основы техники сушки, М.: Химия, 1984. 320 с.
2. РТМ 26-01-13-67. Применение ленточных и вальцеленточных сушилок. М.: НИИХиммаш, 1968. 56 с.
3. Левченко А. Л. Расчет и конструирование оборудования силикатных производств. М.: Химия, 2001. 240 с.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Воробьев Сергей Владимирович ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», г. Иваново, Россия, магистрант кафедры машин и аппаратов химических производств. E-mail: ch4rlythec4t@gmail.com
Vorobyev Sergey Vladimirovich FSEI HPE «Ivanovo State University of Chemistry and Technology», Ivanovo, Russia, undergraduate of the department of machines and devices of chemical manufactures. E-mail: ch4rlythec4t@gmail.com
Постникова Ирина Викторовна ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», г. Иваново, Россия, доцент кафедры машин и аппаратов химических производств, кандидат технических наук.
E-mail: poirvic@mail.ru
Postnikovа Irina Viktorovna FSEI HPE «Ivanovo State University of Chemistry and Technology», Ivanovo, Russia, associate professor of the department of machines and devices of chemical manufactures, Ph.D. E-mail: poirvic@mail.ru
Блиничев Валерьян Николаевич ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», г. Иваново, Россия, доктор технических наук, профессор кафедры машин и аппаратов химических производств, заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники, почетный химик СССР, действительный член Академии инженерных наук России.
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т 1, №4
Blinichev Valerian Nikolaevich
FSEI HPE «Ivanovo State University of Chemistry and Technology», Ivanovo, Russia, Doctor of Technical Sciences, Professor of the department of machines and devices of chemical manufactures, Honored Scientist of Russia, winner of the RF Government in the field of science and technology, Honorary chemist of the USSR, member of the Russian Academy of Engineering Sciences.
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 155523, г. Иваново, Россия, ул. Ордженикидзе, д. 1/15, Воробьев С.В.
+7 (910) 699-00-73
