【实验研究】微波干燥技术处理市政污泥

由污泥温度变化曲线图可知，污泥在微波辐射下，温度迅速升高至100℃，污泥中的水分子优先吸收微波，产生热能使污泥升温;此后污泥温度恒定在100℃，此阶段污泥中的水分迅速蒸发，微波能转化为水蒸发所需的热能，因此污泥温度保持不变;随着污泥含水率的下降，污泥中的固体开始吸收微波，污泥固体温度迅速上升(系统设定污泥温度为120℃时，停止微波辐射)。

2.3 微波干燥效能分析

不同功率下微波干燥污泥能耗变化如图6所示。

由图可知，实验开始的4分钟内，微波能主要转化为污泥升温的热能，水分蒸发量较小，因此污泥干燥效能较高。此时，高功率微波使污泥快速升温，干燥效能降低。随着实验的进行，污泥温度达到水的沸点100℃，大量水分子从污泥内部扩散到污泥表面，再从表面逸出，微波能转化为水分子蒸发焓，污泥干燥效能降低。当污泥温度均达到100℃时，微波功率越低，污泥干燥效能越低，其中400W时，干燥效能为1.47kWh/kg水。微波辐射10分钟后，污泥含水率较低，干燥效能缓慢升高。这主要是因为污泥水分蒸干后，固体组分吸收微波，使微波干燥效能升高。

2.4 微波干燥经济性分析

2.4.1 污泥干燥理论能耗及成本计算

设污泥起始温度20℃，常压下汽化温度为100℃，微波能量转化率η取80%，水比热4.2kJ/kg℃，100℃时水的蒸发焓ΔvapHm(100℃)=40.63kJ˙mol-1(即2257kJ/kg)，电价按0.7元/kWh(1kWh=3600kJ)。

①1kg含水率80%污泥处理至含水率50%所需能量W总：

1)污泥升温所需能量：

W1=4.2*1000*0.8*(100-20)=269kJ

2)水分蒸发所需要的能量：

W2=2257*(1000-1000*0.2/0.5)=1354kJ

3)所需能量W总=(W1+W2)/η=2029kJ

4)将1kg含水率80%的污泥处理至含水率50%的成本N：

N=W总/3600*0.7=0.394元。

②1kg含水率80%污泥处理至含水率30%所需能量W总：

1)污泥升温所需能量：

W1=4.2*1000*0.8*(100-20)=269kJ

2)水分蒸发所需要的能量：

W2=2257*(1000-1000*0.2/0.7)=1612kJ

3)所需能量W总=(W1+W2)/η=2351kJ

4)将1kg含水率80%的污泥处理至含水率30%的成本N：N=W总/3600*0.7=0.457元。

③1kg含水率80%污泥处理至含水率10%所需能量W总：

1)污泥升温所需能量：

W1=4.2*1000*0.8*(100-20)=269kJ

2)水分蒸发所需要的能量：

W2=2257*(1000-1000*0.2/0.7)=1755kJ

3)所需能量W总=(W1+W2)/η=2530kJ

4)将1kg含水率80%的污泥处理至含水率10%的成本N：N=W总/3600*0.7=0.492元。

污泥干化后热值约为1500大卡/kg，即6300kJ/kg，3吨干燥污泥相当于1吨4500大卡燃煤[8]。1kg含水率80%污泥含0.2kg干污泥，热值约为1260kJ。

理论计算结果：含水率80%的污泥处理至50%时，成本为394元/t污泥;处理至30%时，能耗为650kWh/t污泥，成本为457元/t污泥;处理至10%时，能耗为910kWh/t污泥，成本为492元/t污泥。

2.4.2 经验公式计算污泥干燥能耗及成本技术

工业微波干燥固体的能耗经验值约为1.3kWh/kg水，含水率80%的污泥处理至50%时，能耗为780kWh/t污泥(按80%含水率算)，成本为546元/t污泥(每度电0.7元);处理至30%时，能耗为929kWh/t污泥，成本为650元/t污泥;处理至10%时，能耗为1011kWh/t污泥，成本为707元/t污泥。

2.4.3 微波干燥污泥实验能耗及成本计算

含水率82%污泥进行微波干化实验，处理至含水率为50%时，干燥污泥能耗为867kWh/t污泥(以每度电0.7元算，约607元/t污泥);处理至含水率为30%时，干燥污泥能耗为1133kWh/t污泥(793元/t污泥);处理直含水率10%时，干燥污泥能耗为1300kWh/t污泥(910元/t污泥)。污泥干燥成本比较如表1所示。由表1可知，实验干燥污泥成本远高于理论成本及经验成本，推测原因，微波加热产生的水蒸气不能及时排走，消耗微波能。

3 结论

微波干燥技术可高效降低污泥含水率，含水率82%的机械脱水污泥通过微波干燥后含水率降至10%以下。微波功率越高，污泥干燥速度越快，干燥能耗越大。微波法干燥污泥减量效果明显，处理速度快，但运行成本较高。