1、毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 污泥电渗干燥机 二次干燥部分 一、 选题的背景、意义 污泥泛指由水与废水处理中产生的固液混合物 , 一般固含量在 0.25%-12%之间。污泥组成十分复杂，且水分比例极高不易脱水 , 欲使污泥处理达到优良标准 ,所需要的运行成本很高。此外 , 原本废水中所含的有机物、重金属、致病微生物等有害物质在移出后可能被浓缩于污泥中 , 如果得不到处理 , 会对环境造成严重的污染。全面深入了解污泥的一般特性 , 发展妥善处理污泥技术 , 以达到减量化 , 无害化 , 资源化的目标 , 已成为当前世界 普遍关心的重要课题。现在国内的污泥问题十分严重。据不完全统计 ,
2、全国不同规模、不同程度的城市污水厂有 100 多座 , 污水排放量约为 4.47x 710 3m /天。每天所产生的污泥量约为污水处理量的 0.5%-10%, 数量十分惊人。目前 , 我国只有在较大城市才进行污泥处理 , 处理的方法以土地弃置和堆肥为主。污泥处理的投资和运行费用相当巨大 1 。 目前，常用的污泥干化工艺有以下几种： 1）转筒干燥工艺 该工艺特点：结构新颖，操作弹性大，干燥强度大，流程简短，操作简便。 2）打散转筒干燥工艺 该工艺特点：热能消耗低，占地面积小，适于干燥高湿高粘物料。 3）浆叶干燥工艺 该工艺特点：占地少，热效率高，零污染排放，干燥环境好。 4）内加热流化床干燥工艺
3、 该工艺特点：节能高效，占地面积小，投资省，减轻环保压力 2 。 随着污泥干燥技术的完善与革新 ,直接推动了污泥处置手段的发展 ,拓展了污泥处置手段的选择范围 ,使之在安全性、可靠性、可持续性等方面得到越来越可靠的保证。但干燥设备的能耗在工业发达国家超过其能耗总量的 10%。因此 ,降低干燥设备能耗是涉及面广的长远课题。近期内污泥干燥技术要有突破性进展还相当困难 ,一般是趋于技术革新。目前 ,在世界范围内干燥设备的主要研究方向是有效利用能源、提高产品质量与产量、减少环境污染、安全操作、易于控制和一机多用等。具体发展趋势为 : (l) 在直接式干燥器中使用过热蒸汽作为干燥 介质。 (2) 大量使
4、用间接加热方式。 (3) 采用组合式传热方式 (对流、传导与介电或热辐射的组合 ) 。 (4) 采用容积式加热 (微波或高频场 ) 。 (5) 组合使用不同类型干燥器。 (6) 运用新型气固接触技术即二维喷动床、旋转喷动床等。 (7) 应用计算机辅助设计 ;设计灵活的、多用途的干燥器。 (8) 使用模糊逻辑、神经网、专家系统等实现干燥过程的控制 3 。 目前，我国的污泥干燥技术与国外先进技术相比还比较落后，污水处理厂对于污泥处理的效果不是 很明显。因此，对于污泥干燥的研究有很重大的意义，能大大改善环境情况。而污泥电渗干燥的方法是比较新颖的。 二、 相关研究的最新成果及动态 软粘土、疏浚淤泥、工
5、业尾矿和污泥的快速固结和脱水是目前社会发展需要解决的重要问题。电渗固结技术通过施加直流电场 ,使土体产生电渗排水固结从而提高强度 ,是高含水率、低渗透性软土材料高效脱水和快速固结的有效技术。 19 世纪初 ,俄国学者 Reuss发现了粘土中的电渗现象。 20 世纪 30 年代 Casagrande意识到电渗处理对提高细粒土的抗剪强度和稳定性有重要作用，并将电渗技术应用于岩土工 程中的软土加固，之后各国学者在电渗加固机理与应用方面开展了大量的研究工作。 电渗滤水的优点是在污泥脱水过程中不使用任何外加剂的情况下实现了污泥的优良工作性，达到“大水灰质量比施工，小水灰质量比凝结”的目的，且施工简便，是
6、一种崭新的绿色污泥施工方法 ;由于不掺加任何外加剂，解决了外加剂带来的环境污染、污泥长期性能不稳定等问题 ,并且可以显著降低成本；由于大水灰质量比施工 ,因而满足污泥的触变性要求：浇筑完成后是半固体 ,浇注过程中是流体 ,所以基本不用振捣 ,减少了噪音对环境的污染。由于电渗滤水使污泥的凝结水灰质量比变小 ,污泥强度得以提高。采用电渗滤水技术实质是增加了 Ee (滤水水头 ) ,因而可以提高滤水速度。这样可以在初凝前完成滤水 ,以免留下滤水孔道 ,降低污泥的强度和耐久性。电渗时由于水的流动把气泡带走，可以使污泥更加密实 5 。 电渗的作用机理很复杂 ,电渗流主要是由电场中双电层内部离子携水分子定
7、向移动所致。如果不考虑流动电位的影响 ,电渗流可以简化表示成与 Datcy定律类似的形式： xVkik eeee 式中 : e 为电渗流速 , ek 为电渗系数 , ei 为电势梯度 , V 为电势。当土的水力渗透系数hk 不高于 0. 1 m/ s 时 ,预压排水固结就比较困难 ,而电渗固结则较为有效。图 1是电渗实验设备的原理图。 图 1 电渗试验设备示意图 电渗过程中土体电流和电渗出流体积以及土体各部分含水量、 pH值和电阻的变化规律 ,得到以下主要结论 : 电渗过程中电流和电渗出流速率不断变小 ,干密度越高的试样电渗出体积越小且持续时间越短 ; 电渗试验结束后阳极附近含水量低于阴极 ,
8、中间含水量最低的位置会随土性和电渗条件而变化 ,干密度较高的 试样含水量变化较小 ; 电渗结束后土体内部 pH值呈现阳极酸性阴极碱性的分布规律 ,电渗出流的 p H 值随时间而增长并逐渐稳定 ,且与土样干密度关系不大；整个电渗过程中土样总电阻不断增大 ,电极附近区域的电阻增大显著 ,是电渗过程中电流大小的主要控制因素 4 。以高岭土为实验材料，经过电渗后，实验前后含水量如图 2： 图 2 电渗试验前后高岭土试样含水量变化 电渗透污泥干化工艺： 1、 污泥含水结构 图 3 污泥含水结构 图中：间隙水：处于污泥 团块之间的水外部水： b-粘附水； c-吸附水； d-空隙虹吸水；e-虹吸水； f-毛
9、细虹吸水内部水：细胞液（水合作用含水，内部虹吸水） 2、污泥做为燃料的最佳含水率 污泥焚烧前处理技术通常指脱水或热干化等工艺，以提高污泥热值，降低运输和贮存成 本，减少燃料和其他物料的消耗。 热干化工艺有半干化（含固率达到 60 80）和全干化（含固率达到 80 90）两种。热干化工艺一般仅用于处理脱水污泥，主要技术性能指标（以单机升水蒸发量计）为：热能消耗 29404200KJ/kgH2O；电能消耗 0.040.90kW/kgH2O。 污泥含固率在 35 45%时，热值为 4.8 6.5MJ/kg，可自持燃烧，用作土壤改良剂、肥料，或作为水泥窑、发电厂和焚烧炉燃料时，须将污泥含固率提高至 8
10、0%95%。如要将污泥含固率提高至 80%95%时，就要把细胞水也脱掉才行。研究发现： （ 1）用加热方法温度要在 400以上才能把细胞内的水脱离出来。 （ 2）如用外力挤压方法压力要在 50 /cm2以上才能把细胞水脱离出来。 以上两种方法取出细胞水耗能大，不环保。经研究并用工程运行实例验证用电渗透的方法节能效果好运行成本低，而且没有 废弃飞灰及烟尘，所以推荐电渗透污泥干化工艺。电渗透处理污泥是目前效率最高，耗能最少的污泥干化方法（含固率达到 80 90），通过运行证实改变污泥含水率最难的是把污泥细胞内的水分离出来。只有把细胞内的水分离出来，污泥改性后污泥中的水都变成游离水，才能真正地实现所
11、要求的污泥含水率 6 。 由此可见，电渗干燥的效果很理想，并有以下优点： 1）电渗透干化污泥低温燃料化具有良好的经济效益，可以确保城镇剩余污泥资源化。 电渗 透污泥干化工艺不仅满足国家处置标准，而且具有经济效益。电渗透污泥干化设备占地 小，操作简单，把污泥在污水厂做成燃料在外运运费少。该工艺投资省、运行费低、维护费低、环保高效，真正解决了污泥减量处置及再利用等难题 6 。 2）节能高效、占地少、投资省、环境效益高，与我国污泥处理技术的发展方向非常吻合。在常用的几种干化工艺中，它具有较高的可行性，是污泥干化工艺的首选路线 2 。 通过电渗干燥后的污泥的用途 ： (1) 节能：中华人民共和国节约能
12、源法 1997年通过， 2007年修订， 2008年 4月 1日实施。 2007年 12月中华人民共和国能源法征求意见稿出台。 (2) 能源综合利用和可再生能源：传统生物质可再生能源往往采用粮食和植物，容易进一步加剧世界粮食危机和生态危机。因此，生物质能源原料必须开辟新途径。 （ 3）剩余污泥适宜作为生物质能源原料：只要有人类的存在，必将产生废水和污水，其生物处理将产生剩余污泥。 污水厂剩余污泥通过浓缩和机械脱 水后含水率约 80，较高的含水率不仅导致污泥热解前期干燥的能耗升高，而且产生的能源热值降低，利用价值受到影响 6 。 影响污泥干化安全的主要因素： （ 1）设备先天性缺陷：从 70年代
13、以来，世界各国开发和试验过污泥的干化技术，研制了污泥干化设备和装置，这些试验和研制几乎无一例外地全部借鉴于农产品、化工、医药、食品等领域的干燥工艺过程和干燥设备。其方法均是在上述领域原有的干燥器基础上进行污泥的干化试验，其中有成功的，但是更多的是失败的。 其原因在于并非所有干燥工艺均适合于污泥这种物料的干化。 （ 2）配套设施的可靠性：干燥设备只是干化系统的一部分，还涉及大量附属设备，其中包括分离、过滤、筛分、粉碎、混合、输送、提升、储存、供热等。根据工艺不同，辅助配套数量有很大变化。总体来说，设备数量和关键点越多，对系统的稳定性影响越大。绝大部分事故不是源于干燥器本身，而是由辅助配套设施引起
14、的。 （ 3）操作复杂性和人员素质：干燥器的原理决定了工艺的区别，而不同的工艺，所具有的工艺变量的数量是不同的，工艺变量越多，系统越复杂，操作难度也越高。污泥干化属于废物垃 圾处理范畴，其操作人员的素质难以要求很高。对一个污泥干化厂来说，即使计算机监控和处理系统非常全面和敏捷，其出错的几率始终存在，特别是当这些互相牵制、互相影响的参数被错误调整时，极有可能形成误操作。 （ 4）排除险情手段的有效性：对于污泥干化工艺来说，在报警和紧急情况下进行排除险情操作手段种类非常有限，而手段的有效性也存在很大差别。当一个系统的工艺安全性窗口过窄时，干预甚至难以奏效。一些大型事故的发生就在于系统对出现小事故后
15、根本无法在短时间内彻底排除险情而导致的。鉴于污泥干化系统的投资规模，还必须考虑出现极端性 事件：如整厂停电、自动安全系统失灵等时的安全应变能力 7 。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 污泥是化工类工业生产中常见的一种废弃材料，将其废弃会造成严重的环境污染，若将其水份脱去成为粉状，加入到煤中，可作为发电厂的燃料，加以利用，既可变废为宝，节约资源，同时减少对环境的污染。 污泥脱水可采用自然干燥、人工加热干燥等，污泥电渗干燥是通过对污泥加一定的电压，通过正负极电热效应，实现干燥的目 的，为此，需要将污泥呈一定的形状连续通过电极来完成电渗加热过程。 本课题是
16、设计一种污泥自动成型输送机，并配以电极，来自动实现污泥的电渗干燥。由于本课题较新颖，因此需要很强的创新能力。 本课题的预期目标是完成后能顺利的进行污泥脱水干燥。 四、论文详细工作进度和安排 2010.11.20 10.12.20：接受任务，搜资调研，撰写文献综述、开题及外文翻译稿； 2010.12.20 2011.01.20：完成文献综述和开题报告、外文翻译稿； 2011.02.20 11.03.30：工艺分析，设计方案分析论证，确定 总体设计方案； 2011.04.01 11.04.20：毕业实习； 2011.04.20 11.05.10：总体结构设计，零部件结构设计； 2011.05.10
17、 11.05.20：撰写设计说明书； 2011.05.20 ：整理完善各种设计材料，答辩准备。 五、主要参考文献 1彭晓峰，陈剑波等污泥特性及相关热物理研究方向 J中国科学基金， 2002， (5) 2倪春林 ,张富茂 ,郭瑞刚 ,刘明 ,黄帆 ,刘法鑫 . 污泥干燥工艺介绍 J. 干燥技术也设备 ,2010,(2). 3曲艳丽 ,李爱民 . 污泥处理热干燥工艺的研究进展 J. 城市环境与城市生态 ,2004,(2). 4胡黎明 ,洪何清 ,吴伟令 . 高岭土的电渗试验 J. 清华大学学报 (自然科学版 ),2010,(9). 5王立久 ,迟耀辉 ,郑万勇 . 电渗滤水污泥的应用研究 J. 沈
18、阳建筑大学学报 (自然科学版 ),2006,(6). 6张景成 ,才亮 ,杨雷 . 电渗透污泥干化工艺 J. 中国建设信息 (水工业市场 ),2010,(7). 7王立彤 ,陈君宏 ,张春敏 . 污水污泥干化工艺安全性的理论和实践 J. 机 械给排水 ,2005,(2). 8迟耀辉 ,王立久 . 电渗滤水混凝土试验研究 J. 昆明理工大学学报 (理工版 ),2008,(6). 9闫家怡 ,聂丽曼 . 废水处理中污泥减量化技术研究进展 J. 科技信息 ,2010,(24). 10冉景煜 ,牛奔 ,张力 ,蒲舸 ,唐强 . 煤矸石综合燃烧性能及其燃烧动力学特性研究 J. 中国电机工程学报 ,200
19、6,(15). 11于晓艳 ,张书廷 ,徐辉 ,郑磊 ,吕学斌 ,马德刚 . 阴极滤布对活性污泥电渗透脱水的影响(英文 )J. Chinese Journal of Chemical Engineering,2010,(4). 12王洪臣 . 中国污泥处理处置技术路线的初步分析 J. 中国建设信息 ,2010,(7). 13王甦达 ,张林洪 ,费维水 ,魏业清 . 电渗法处理过湿填料的施工技术 J. 公路工程 ,2009,(3). 14刘桂华 ,张显玉 ,王建斌 . 城市污水处理污泥干燥新技术的研究 J. 干燥技术与设备 ,2003,(1). 15曲艳丽 ,李爱民 . 污泥处理热干燥工艺的研究进展 J. 城市环境与城 市生态 ,2004,(2). 16Olivier Larue, Thomas Mouroko-Mitoulou, and Eugene Vorobiev.PRESSURIZED ELECTROOSMOTIC DEWATERING IN A FILTER CYCLE. Universite de Technologie de Compiegne, Centre de Recherche de Royallieu, Departement Genie Chimique, BP 20529-60205 Compiegne Cedex, France
