نظام تجفيف الحمأة

وفقًا للدليل الفني لمعالجة الحمأة والتخلص منها في محطات معالجة مياه الصرف الصحي الحضرية، الصادر عن الدولة، تُقترح أربع طرق للتخلص من الحمأة، وهي: استخدام الأراضي، والدفن الصحي، وإعادة استخدامها في مواد البناء، والحرق الجاف. ونظرًا لتزايد القيود والعوامل السلبية للحمأة في الزراعة، ومدافن النفايات، والبحار، وغيرها من المجالات، فقد انتشر استخدام طريقة معالجة الحمأة بالحرق الجاف على نطاق واسع في مختلف البلدان، ولا شك أن هذه الطريقة ستصبح من أهم وأفضل الحلول التقنية للتخلص من الحمأة في الوقت الراهن.

نظراً لأن الحمأة الناتجة عن إحدى الشركات تُصنف ضمن النفايات الخطرة، فإن حرقها والتخلص منها بعد التجفيف يتطلبان مصدراً حرارياً بالبخار. لذا، من الضروري دراسة جوانب السلامة، والملاءمة التقنية، والجدوى الاقتصادية، والتطبيق، والترويج بشكل شامل، بالإضافة إلى نوع معدات التجفيف المستخدمة حالياً. تمت مقارنة ستة أنواع من معدات تجفيف الحمأة، وهي: نوع الطبقة المميعة، ونوع المرحلتين، ونوع الطبقة الرقيقة، ونوع المجداف، ونوع القرص، ونوع الرش، واختيار النوع الأنسب. وبناءً على النضج التقني، واستقرار النظام، وسلامة التشغيل، وحماية البيئة عند التخلص من الحمأة، تم تحديد نوع معدات التجفيف بالطبقة الرقيقة.

1. مكونات معدات مجفف الأغشية الرقيقة

بشكل عام، يتكون مجفف الأغشية الرقيقة من غلاف أسطواني مزود بطبقة تسخين، ودوار داخل الغلاف، وجهاز تشغيل الدوار. يُجهز الدوار بمجاديف ذات أشكال ومواصفات متنوعة، ويتم تثبيت المجداف والدوار بواسطة براغي، مما يسمح بتعديل طريقة التجميع بمرونة للتكيف مع تغير خصائص الحمأة وقدرة المعالجة. يتكون الغلاف الكامل لمجفف الأغشية الرقيقة من عدة أقسام. ويمكن تقسيمه، وفقًا لمتطلبات التخلص المختلفة، إلى مناطق تسخين متعددة، مما يتيح التحكم الفردي، وضبط درجة الحرارة، والتشغيل المرن، وغيرها من عناصر التشغيل.

تُوزَّع شفرات التوزيع عند طرفي مدخل ومخرج الطين في الدوّار. تُركَّب أربع شفرات كاشطة توزيعية على كل عمود من أعمدة مدخل الطين في الأسطوانة، بزاوية 45 درجة مع خط العمود. يهدف هذا التركيب إلى ضمان التصاق الحمأة فور دخولها الأسطوانة بالجدار الساخن، ونقلها إلى طرف التفريغ، ويبلغ عددها الإجمالي 72 شفرة. كما تُركَّب شفرتان كاشطتان توزيعيتان على كل عمود من أعمدة مدخل الطين، وتُركَّب شفرات كاشطة التوزيع عند طرف التغذية بزاوية مائلة 45 درجة، وذلك لتخفيف قوة القصور الذاتي للمنتج أثناء التفريغ، مما يُتيح تفريغه بحرية بفعل الجاذبية، ويبلغ عددها الإجمالي 36 شفرة.

يتم توزيع شفرات ناقل الحركة في المنطقة الوسطى من الدوار، ويتم تركيب 40 شفرة على كل عمود، ليصبح المجموع 720 شفرة.

تُحقق الأنواع المختلفة من الشفرات وظائفها المهمة في توزيع الحمأة ونشرها وكشطها وتقليبها وخلطها العكسي وتنظيفها ذاتيًا ونقلها على سطح الجدار الساخن. باختصار، عند دخول الحمأة الرطبة من أحد طرفي المجفف الأفقي، يتم توزيعها فورًا وبشكل مستمر على سطح الجدار الساخن بواسطة الدوار لتشكيل طبقة رقيقة. وبينما تقوم الشفرات الموجودة على الدوار بتدوير هذه الطبقة الرقيقة من الحمأة الرطبة الموزعة على سطح الجدار الساخن، تدور شفرات النقل المزودة بوظيفة زاوية التوجيه المثبتة على الدوار مع دورانه الدائري. وتتحرك جزيئات الحمأة شبه الجافة المتولدة أثناء عملية تكوين الطبقة الرقيقة وتجفيفها أفقيًا مع اتجاه دوران الدوار بسرعة خطية معينة، وتتجه للأمام نحو مخرج الحمأة في الطرف الآخر من مجفف الأغشية الرقيقة. لا يقتصر طول المحور الأفقي لمجفف الأغشية الرقيقة على المسافة الأفقية من مدخل التغذية إلى مخرج التفريغ، بل يشمل أيضًا عملية تغذية وتفريغ الحمأة داخل المجفف الأسطواني الأفقي بالكامل. في هذه العملية، تُسخّن الحمأة الرطبة بالتساوي بواسطة جدار البخار الساخن، مما يؤدي إلى تبخر الماء. يبلغ زمن بقاء الحمأة الرطبة في مجفف الأغشية الرقيقة من 10 إلى 15 دقيقة، مما يتيح بدء التشغيل والإيقاف والتفريغ بسرعة، كما يتميز الجهاز بسرعة فائقة في التشغيل والتحكم.

3. عملية تجميع غازات العادم لمجفف الأغشية الرقيقة

تتراوح نسبة الرطوبة في الحمأة المُغذّاة بمجفف الأغشية الرقيقة بين 75% و85% (محسوبة بنسبة 80%)، بينما تبلغ نسبة الرطوبة في الحمأة الناتجة حوالي 35%. تُنقل الحمأة شبه الجافة، المُشكّلة على هيئة حبيبات، إلى الوحدة التالية عبر معدات النقل الخاصة بالمرحلة التالية. يتحرك الغاز الحامل المختلط، الذي يتكون من بخار الماء والغبار المتصاعد وغازات الرائحة، أثناء تشغيل مجفف الأغشية الرقيقة، عكس اتجاه الحمأة داخل الأسطوانة، ويُصرّف إلى المكثف عبر خط الأنابيب من خزان غاز العادم الموجود أعلى منفذ تغذية الحمأة. في المكثف، يتكثف بخار الماء الموجود في الغاز الحامل، بينما يُفصل الغاز غير المتكثف على شكل قطرات ويُصرّف إلى نظام التجفيف عبر مروحة سحب غاز العادم. كمية غاز العادم الناتج عن عملية مجفف الأغشية الرقيقة صغيرة نسبيًا، وعادةً ما تُمثل 5% إلى 10% فقط من تبخر النظام. تعمل مروحة سحب الهواء المستحثة على جعل نظام التجفيف بأكمله في حالة ضغط سلبي صغير لتجنب تدفق غاز الرائحة والغبار.

2. المعايير الفنية للمعدات الرئيسية لعملية تجفيف الأغشية الرقيقة

وفقًا لمتطلبات هذا المشروع، تم تحديد قدرة معالجة الحمأة لنظام تجفيف الحمأة الواحد بـ 2.5 طن/ساعة (بناءً على نسبة رطوبة 80%)، ونسبة رطوبة الحمأة 35%. تبلغ قدرة معالجة الحمأة اليومية لمجفف الأغشية الرقيقة الواحد 60 طن/يوم (بناءً على نسبة رطوبة 80%)، وسعة التبخير المقدرة لمجفف الأغشية الرقيقة الواحد 1.731 طن/ساعة، ومساحة التبادل الحراري لمجفف الأغشية الرقيقة الواحد 50 مترًا مربعًا، ونسبة رطوبة الحمأة الداخلة 80%، ونسبة رطوبة الحمأة الخارجة 35%. مصدر الحرارة لمجفف الأغشية الرقيقة هو البخار المشبع، وجودة إمداد البخار هي المعايير المستوردة: درجة حرارة البخار 180 درجة مئوية، وضغط البخار 1.0 ميجا باسكال، واستهلاك البخار لمجفف الأغشية الرقيقة الواحد هو 2.33 طن/ساعة، وعدد مجففات الأغشية الرقيقة هو 2، واحد لكل استخدام.

يُنقل البخار المشبع بدرجة حرارة 180 درجة مئوية إلى المجفف الخطي عبر خط أنابيب الضغط، ويُستخدم كمصدر حراري لتسخين الحمأة شبه الجافة بشكل غير مباشر. ثم يُبخر الماء الموجود في الحمأة شبه الجافة داخل المجفف الخطي. وبحسب متطلبات الحمأة النهائية (بدء التشغيل وإيقافه)، يمكن أن تصل نسبة الرطوبة في الحمأة النهائية إلى 10%، ثم تُنقل إلى مبرد المنتج.

تبلغ سعة معالجة المجفف الخطي 0.769 طن/ساعة (محتوى الرطوبة 35%)، ومعدل التبخر المقدر 0.214 طن/ساعة، ومساحة التبادل الحراري 50 مترًا مربعًا، ومحتوى الرطوبة في الحمأة الداخلة إلى المجفف الخطي 35%، ومحتوى الرطوبة في الحمأة الخارجة 10%، ومعايير جودة البخار الداخلة إلى المجفف الخطي: درجة حرارة البخار 180 درجة مئوية، وضغط البخار 1.0 ميجا باسكال، واستهلاك البخار للمجفف الخطي الواحد 0.253 طن/ساعة، والكمية مجهزة بمجموعة واحدة.

نوع معدات مكثف الغاز الحامل هو مكثف هجين للحقن المباشر، مع مدخل هواء يبلغ 3500 متر مكعب/ساعة، ودرجة حرارة غاز الدخول من 95 إلى 110 درجة مئوية، ودرجة حرارة غاز الخروج من 90 إلى 180 متر مكعب/ساعة، ودرجة حرارة غاز الخروج 55 درجة مئوية.

نوع جهاز مروحة السحب المستحثة بغاز الناقل هو مروحة طرد مركزي عالية الضغط، ويبلغ أقصى حجم لسحب الهواء 400 متر مكعب/ساعة، وضغط الهواء 4.8 كيلو باسكال، والمعلمات الفيزيائية لوسط غاز الناقل: درجة الحرارة 45 درجة مئوية، والرطوبة 80% إلى 100% خليط من الهواء الرطب وغاز الرائحة، ويتم تجهيز نظام التجفيف بمجموعة واحدة.

تبلغ سعة معالجة مبرد المنتج 1.8 طن / ساعة، ودرجة حرارة مدخل الحمأة 110 درجة مئوية، ودرجة حرارة مخرج الحمأة ≤45 درجة مئوية، ومساحة التبادل الحراري 20 متر مربع، والكمية وحدة واحدة.

3. تحليل استهلاك الطاقة الاقتصادي أثناء تشغيل مجفف الأغشية الرقيقة

بعد ما يقرب من نصف شهر من التشغيل الفردي وتشغيل حمولة الطين لنظام عملية تجفيف الأغشية الرقيقة، كانت النتائج كما يلي.

تبلغ الطاقة الإنتاجية التصميمية لمجفف الأغشية الرقيقة الواحد في هذا المشروع 60 طنًا/يومًا. حاليًا، يبلغ متوسط ​​معالجة الحمأة الرطبة خلال فترة التشغيل 50 طنًا/يومًا (بنسبة رطوبة 79%)، وهو ما يمثل 83% من حجم المعالجة المصمم للحمأة الرطبة و87.5% من حجم المعالجة المصمم للحمأة الجافة.

يبلغ متوسط ​​محتوى الرطوبة في الحمأة شبه الجافة المنتجة بواسطة مجفف الأغشية الرقيقة 36٪، ويبلغ محتوى الرطوبة في الحمأة شبه الجافة المصدرة بواسطة المجفف الخطي 36٪، وهو ما يتوافق بشكل أساسي مع القيمة المستهدفة للمنتج المصمم (35٪).

تم قياس استهلاك البخار المشبع بواسطة مقياس البخار المشبع الخارجي في ورشة تجفيف الحمأة، حيث بلغ 25 طن/يوم، وكان إجمالي الاستهلاك الحراري اليومي النظري للحرارة الكامنة لتبخر البخار 25 طن × 1000 × 2014.8 كيلوجول/كيلوجرام ÷ 4.184 كيلوجول = 1.2038719 × 107 كيلوكالوري/يوم. وكان متوسط ​​إجمالي تبخر الماء اليومي لنظام التجفيف (50 طن × 0.79) - [50 طن × (1 - 0.79)] ÷ (1 - 0.36) × 1000 = 23875 كيلوجرام/يوم، وبالتالي فإن استهلاك وحدة الحرارة لنظام تجفيف الحمأة هو 1.2038719 × 107 ÷ 23875 = 504 كيلوكالوري/كيلوجرام من الماء المتبخر. نظراً لأن نظام تجفيف الحمأة يخضع لتغير محتوى رطوبة الحمأة الرطبة، وجودة البخار الخارجي، وخصائص معدات نقل منتجات الحمأة شبه الجافة لمتطلبات الحبيبات وعوامل أخرى، فمن الضروري تحسين قيمة المتغيرات المختلفة في التشغيل التجريبي طويل الأجل في المستقبل، وذلك لتلخيص أفضل ظروف التشغيل ومؤشر استهلاك الطاقة الاقتصادي للنظام.

1. آلة تجفيف الأغشية الرقيقة

يتكون هيكل جهاز تجفيف الأغشية الرقيقة من غلاف أسطواني مزود بطبقة تسخين، ودوار دوار داخل الغلاف، وجهاز تشغيل الدوار: محرك + مخفض سرعة.

تم تجهيز الدوّار بشفرات للطلاء والخلط والدفع. تتراوح المسافة بين الشفرات والغلاف الداخلي من 5 إلى 10 ملم. يمكن تنظيف سطح التسخين ذاتيًا، كما يمكن تعديل الشفرات وإزالتها بشكل فردي.

جهاز القيادة: (محرك + مخفض) يمكن اختيار محرك تحويل التردد أو محرك السرعة الثابتة، ويمكن اختيار مخفض الحزام أو علبة التروس، ويمكن استخدام التوصيل المباشر أو التوصيل بالاقتران، ويمكن التحكم في سرعة الدوار عند 100 دورة في الدقيقة، ويمكن التحكم في السرعة الخطية للحافة الخارجية للدوار عند 10 م/ث، ووقت بقاء الحمأة من 10 إلى 15 دقيقة.

2. جسم مجفف خطي

تعتمد المجففة الخطية على ناقل لولبي على شكل حرف U، وقد صُممت شفرة النقل خصيصًا لتجنب بثق جزيئات الحمأة وتقطيعها. يُعد غلاف المجففة الخطية وعمود الدوران من أجزاء التسخين، ويمكن تفكيك غلافها. باستثناء أجزاء التسخين، فإن الجزء الملامس للحمأة مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L أو ما يعادله، بينما الأجزاء الأخرى مصنوعة من الفولاذ الكربوني، أي أن معدات التجفيف الخطية مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 والفولاذ الكربوني.

3. المكثف

تتمثل وظيفة مكثف الغاز الحامل في غسل غاز العادم الخارج من مجفف الحمأة لتكثيف الغاز القابل للتكثيف الموجود فيه. نوع هيكل الجهاز هو مكثف رش مباشر، ومادة التصنيع هي الفولاذ المقاوم للصدأ 304.

4. مبردات المنتجات

تتمثل وظيفة مبرد المنتج في خفض درجة حرارة الحمأة شبه الجافة من 110 درجة مئوية إلى حوالي 45 درجة مئوية، بمساحة نقل حرارة تبلغ 21 مترًا مربعًا وقدرة 4 كيلوواط. مادة التصنيع والمعالجة الرئيسية المستخدمة فيه هي الفولاذ المقاوم للصدأ 304 والفولاذ الكربوني.

أصبحت عملية تجفيف الحمأة بالغشاء الرقيق شائعة في السنوات الأخيرة نظرًا لخصائصها التقنية، مما يجعلها طريقة فعالة لمعالجة الحمأة. تتضمن هذه العملية استخدام مجفف ذي غشاء رقيق لإزالة الرطوبة من الحمأة بسرعة وكفاءة، تاركةً منتجًا حبيبيًا جافًا يسهل التعامل معه ونقله. وبالاستناد إلى الخبرة التشغيلية لمعدات أنظمة المعالجة ذات التقنيات المختلفة في مجال تجفيف الحمأة وحرقها، يمكن تلخيص الخصائص التقنية لعملية تجفيف الحمأة بالغشاء الرقيق فيما يلي.

١. من أهم الميزات التقنية لآلة تجفيف الحمأة ذات الطبقة الرقيقة سهولة دمجها. تتطلب هذه الطريقة أقل قدر من المعدات المساعدة، كما أنها سهلة التشغيل والتحكم. لا تتطلب عملية التجفيف إعادة الخلط، وتتجاوز الحمأة مباشرةً مرحلة اللزوجة، مما يجعل العملية أكثر كفاءة وانسيابية. إضافةً إلى ذلك، فإن كمية الغازات الناتجة قليلة نسبيًا، وعملية معالجتها بسيطة، مما يجعلها خيارًا اقتصاديًا وفعالًا وصديقًا للبيئة لتجفيف الحمأة.

٢. يُعدّ الاقتصاد التشغيلي جانبًا مهمًا آخر في آلة تجفيف الحمأة ذات الطبقة الرقيقة. فهي معروفة باستهلاكها المنخفض نسبيًا للطاقة وكفاءتها العالية في التبخير. كما يُمكن استعادة وسيط التسخين وإعادة تدويره، مما يُقلل تكاليف الطاقة بشكلٍ أكبر. إضافةً إلى ذلك، يتميز الجهاز بمتانته، وانخفاض تكاليف صيانته، واحتياجه إلى الحد الأدنى من المراقبة، مما يجعله حلاً فعالاً من حيث التكلفة لتجفيف الحمأة.

3. تتميز آلة تجفيف الحمأة ذات الطبقة الرقيقة بمرونة تشغيلية عالية. فهي مناسبة لتجفيف أنواع مختلفة من الحمأة اللزجة، وتنتج جزيئات حمأة متجانسة مهما كان محتواها من الرطوبة. تتميز هذه العملية بانخفاض نسبة المواد الصلبة، وسهولة التشغيل والإيقاف، وقصر مدة التفريغ، مما يعزز مرونتها التشغيلية بشكل أكبر.

4. تُعرف عملية تجفيف الحمأة بالغشاء الرقيق بأمانها وحرصها على حماية البيئة. وتعتمد هذه العملية على تصميم متعدد الجوانب يعتمد على مواد خاملة مثل النيتروجين والبخار، بالإضافة إلى نظام كشف الإطفاء الذاتي. وتعمل العملية في نظام مغلق ذي ضغط سلبي، مع انخفاض نسبة الأكسجين، وانعدام الروائح، وعدم تسرب الغبار، مما يقلل من احتمالية حدوث انفجار غباري، ويضمن سلامة عملية تجفيف الحمأة وحماية البيئة.

باختصار، تجعل الخصائص التقنية لعملية تجفيف الحمأة بالأغشية الرقيقة منها خيارًا فعالًا واقتصاديًا وصديقًا للبيئة لمعالجة الحمأة. تتميز هذه العملية بالبساطة الشاملة، والاقتصاد التشغيلي، والمرونة التشغيلية، والسلامة، وحماية البيئة، وغيرها، مما يجعلها حلاً قيماً لمعدات تجفيف الحمأة.