Schlammtrocknungssystem

Gemäß dem vom Staat herausgegebenen Technischen Leitfaden für die Schlammbehandlung und -entsorgung städtischer Kläranlagen werden vier Entsorgungsmethoden für Klärschlamm vorgeschlagen: landwirtschaftliche Nutzung, Deponierung, Wiederverwertung als Baustoff und Trockenverbrennung. Aufgrund der zunehmenden Belastungen und negativen Auswirkungen von Klärschlamm in der Landwirtschaft, auf Deponien, im Meer und anderen Bereichen hat sich die Schlammtrocknungsverbrennung in vielen Ländern etabliert und wird dort intensiv genutzt und gefördert. Sie zählt zweifellos zu den wichtigsten und vielversprechendsten technischen Entsorgungsmethoden.

Da der von einem Unternehmen erzeugte Klärschlamm die technischen Eigenschaften von Sondermüll aufweist und nach der Trocknung verbrannt und entsorgt werden muss, sowie eine Dampfwärmequelle benötigt, müssen Sicherheit, technische und wirtschaftliche Eignung, Anwendung und Förderung umfassend berücksichtigt werden. In Verbindung mit den bereits in Betrieb befindlichen Trocknungsanlagen wurden sechs Anlagentypen – Wirbelschicht-, Zweistufen-, Dünnschicht-, Paddel-, Scheiben- und Sprühtrocknung – verglichen und ausgewählt. Unter Berücksichtigung der technischen Reife, Systemstabilität, Betriebssicherheit und Umweltverträglichkeit der Entsorgung wurde schließlich die Dünnschichttrocknungsanlage bestimmt.

1. Gerätekomponenten des Dünnschichttrockners

Ein Dünnschichttrockner besteht im Allgemeinen aus einem zylindrischen Gehäuse mit Heizschicht, einem darin befindlichen Rotor und dessen Antrieb. Der Rotor ist mit Schaufeln unterschiedlicher Formen und Abmessungen ausgestattet. Schaufel und Rotor sind verschraubt, wobei die Montage flexibel an die sich ändernden Schlammeigenschaften und die gewünschte Behandlungskapazität angepasst werden kann. Das Gehäuse des Dünnschichttrockners ist segmentiert und kann je nach Entsorgungsanforderungen in mehrere Heizzonen unterteilt werden. Jede Zone ermöglicht die individuelle Steuerung, Temperaturregelung und flexible Schaltung weiterer Bedienelemente.

Die Spreizschaufeln sind am Schlammeinlass und -auslass des Rotors angeordnet. An jeder Säule des Schlammeinlasses sind vier Spreizschaber in einem Winkel von 45° zur Säulenachse installiert. Dadurch haftet der Schlamm nach dem Eintritt in den Zylinder sofort an der heißen Zylinderwand und wird zum Auslass transportiert (insgesamt 72 Stück). An jeder Säule des Schlammauslasses sind zwei Spreizschaber angebracht. Die Spreizschaber am Einlass sind in einem Winkel von 45° angeordnet, um die Massenträgheit des Produkts beim Ausstoß zu dämpfen und so einen freien Ausstoß durch Schwerkraft zu ermöglichen (insgesamt 36 Stück).

Die Antriebsschaufeln sind im mittleren Bereich des Rotors verteilt, und an jeder Säule sind 40 Schaufeln installiert, was insgesamt 720 Schaufeln ergibt.

Die verschiedenen Schaufeltypen erfüllen umfassend die wichtigen Funktionen der Schlammverteilung, -verteilung, -abstreifung, -umwälzung, -rückmischung, -selbstreinigung und des -transports auf der heißen Wandoberfläche. Zusammenfassend lässt sich sagen: Beim Eintritt des feuchten Schlamms von einem Ende des horizontalen Trockners wird dieser durch den rotierenden Rotor sofort und kontinuierlich auf der heißen Wandoberfläche verteilt und bildet eine dünne Materialschicht. Während die Schaufeln am Rotor diese dünne Schlammschicht kontinuierlich auf der heißen Wandoberfläche verteilen, rotieren die mit einer Führungswinkelfunktion ausgestatteten Förderschaufeln mit der Rotation des Rotors. Die dabei entstehenden halbtrockenen Schlammpartikel werden mit einer bestimmten linearen Geschwindigkeit horizontal in Rotorrichtung transportiert und gelangen so zum Schlammauslass am anderen Ende des Dünnschichttrockners. Die axiale Länge des Dünnschichttrockners entspricht nicht nur der horizontalen Linie von der Zufuhr- zur Auslaufseite, sondern umfasst die gesamte Zufuhr und Ausleitung des Schlamms im horizontalen Zylinder. Dabei wird der Nassschlamm durch die dampfbeheizte Wand gleichmäßig erhitzt und das Wasser verdampft. Die Verweilzeit des Nassschlamms im Dünnschichttrockner beträgt 10–15 Minuten, was ein schnelles Starten, Stoppen und Entleeren ermöglicht. Die Prozesssteuerung und -regelung der Anlage erfolgen sehr schnell.

3. Abgassammelverfahren des Dünnschichttrockners

Der Feuchtigkeitsgehalt des dem Dünnschichttrockner zugeführten Schlamms beträgt 75–85 % (berechnet: 80 %), der des vom Trockner produzierten Schlamms ca. 35 %. Der halbtrockene, granulierte Schlamm wird über die Förderanlage der nächsten Stufe zur nächsten Einheit transportiert. Das im Betrieb des Dünnschichttrockners entstehende Trägergasgemisch, bestehend aus Wasserdampf, Feinstaub und Geruchsgasen, strömt entgegen der Schlammströmung im Zylinder und wird über die Rohrleitung vom Abgasbehälter oberhalb der Schlammzuführung in den Kondensator geleitet. Im Kondensator kondensiert das Wasser aus dem Trägergas, und die nicht kondensierenden Gase werden durch Tröpfchen abgetrennt und mittels des Saugzugventilators in das Trocknungssystem zurückgeführt. Die Menge des Prozessabgases des Dünnschichttrockners ist relativ gering und beträgt üblicherweise nur 5–10 % der Verdunstung des Systems. Der Abluftventilator versetzt das gesamte Trocknungssystem in einen leichten Unterdruck, um das Übertreten von Geruchsgasen und Staub zu vermeiden.

2. Technische Parameter der Hauptausrüstung für den Dünnschichttrocknungsprozess

Gemäß den Anforderungen dieses Projekts beträgt die Schlammbehandlungskapazität einer einzelnen Schlammtrocknungsanlage 2,5 t/h (bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 80 %), der Schlammfeuchtegehalt liegt bei 35 %. Die tägliche Schlammbehandlungskapazität eines einzelnen Dünnschichttrockners beträgt 60 t/d (bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 80 %), die Nennverdampfungsleistung 1,731 t/h, die Wärmeaustauschfläche 50 m², der Feuchtigkeitsgehalt des Schlammeinlaufs 80 % und der des Schlammauslaufs 35 %. Die Wärmequelle des Dünnschichttrockners ist gesättigter Dampf. Die Qualität der Dampfzufuhr wird durch folgende Parameter gewährleistet: Dampftemperatur 180 °C, Dampfdruck 1,0 MPa, Dampfverbrauch eines einzelnen Dünnschichttrockners 2,33 t/h, Anzahl der Dünnschichttrockner 2, jeweils einer pro Trockner.

Der gesättigte Dampf mit einer Temperatur von 180 °C wird über die Druckleitung zum Lineartrockner geleitet und dient dort als Wärmequelle zur indirekten Erwärmung des halbtrockenen Schlamms. Das im Schlamm enthaltene Wasser verdampft anschließend im Lineartrockner. Je nach Bedarf (Start und Stopp) kann der Schlamm einen Restfeuchtegehalt von 10 % erreichen und wird dann dem Produktkühler zugeführt.

Die Verarbeitungskapazität des Lineartrockners beträgt 0,769 t/h (Feuchtigkeitsgehalt 35 %), die Nennverdampfungsleistung 0,214 t/h, die Wärmeaustauschfläche 50 m², der Feuchtigkeitsgehalt des Schlammeinlasses 35 %, der Feuchtigkeitsgehalt des Schlammauslasses 10 %, die Dampfqualitätsparameter des Lineartrockners: Die Dampftemperatur beträgt 180 °C, der Dampfdruck 1,0 MPa, der Dampfverbrauch eines einzelnen Lineartrockners 0,253 t/h, und es wird jeweils 1 Gerät geliefert.

Der Trägergaskondensator ist vom Typ Direkteinspritz-Hybridkondensator mit einem Lufteinlass von 3 500 Nm3/h, einer Einlassgastemperatur von 95~110 ℃, einer Auslassgastemperatur von 90~180 Nm3/h und einer Auslassgastemperatur von 55 ℃.

Der Trägergas-Saugventilator ist ein Hochdruck-Radialventilator mit einem maximalen Luftansaugvolumen von 400 Nm³/h und einem Luftdruck von 4,8 kPa. Die physikalischen Parameter des Trägergasmediums sind: eine Temperatur von 45 °C und eine Luftfeuchtigkeit von 80 % bis 100 % (feuchtes Luft-Geruchsgasgemisch). Ein Trocknungssystem ist mit einem solchen Ventilator ausgestattet.

Die Verarbeitungskapazität des Produktkühlers beträgt 1,8 t/h, die Schlammeintrittstemperatur beträgt 110 °C, die Schlammaustrittstemperatur beträgt ≤45 °C, die Wärmeaustauschfläche beträgt 20 m² und die Anzahl beträgt 1 Einheit.

3. Analyse des wirtschaftlichen Energieverbrauchs während der Inbetriebnahme des Dünnschichttrockners

Nach fast einem halben Monat Einzelinbetriebnahme und Schlammbeladungsinbetriebnahme des Dünnschichttrocknungsprozesses ergeben sich folgende Ergebnisse.

Die Auslegungskapazität eines einzelnen Dünnschichttrockners in diesem Projekt beträgt 60 t/d. Derzeit liegt die durchschnittliche Nassschlammbehandlung während der Inbetriebnahmephase bei 50 t/d (Feuchtigkeitsgehalt 79 %), was 83 % der geplanten Nassschlammbehandlungskapazität und 87,5 % der geplanten Trockenschlammbehandlungskapazität entspricht.

Der durchschnittliche Feuchtigkeitsgehalt des vom Dünnschichttrockner erzeugten halbtrockenen Schlamms beträgt 36 %, und der Feuchtigkeitsgehalt des vom Lineartrockner exportierten halbtrockenen Schlamms beträgt ebenfalls 36 %, was im Wesentlichen dem Zielwert des Konstruktionsprodukts (35 %) entspricht.

Gemessen mit dem externen Sattdampfzähler in der Schlammtrocknungsanlage beträgt der Sattdampfverbrauch 25 t/d, und der theoretische tägliche Gesamtwärmeverbrauch für die Verdampfungswärme des Dampfes beträgt 25 t × 1000 × 2014,8 kJ/kg ÷ 4,184 kJ = 1,2038719 × 10⁷ kcal/d. Die durchschnittliche tägliche Gesamtmenge des verdampften Wassers des Trocknungssystems beträgt (50 t × 0,79) - [50 t × (1 - 0,79)] ÷ (1 - 0,36) × 1000 = 23875 kg/d. Der spezifische Wärmeverbrauch des Schlammtrocknungssystems beträgt somit 1,2038719 × 10⁷ ÷ 23875 = 504 kcal/kg verdampftes Wasser. Da das Schlammtrocknungssystem von Schwankungen des Feuchtigkeitsgehalts des Nassschlamms, der Qualität des externen Dampfes und den Eigenschaften der Transportausrüstung für das halbtrockene Schlammprodukt hinsichtlich der Korngrößenanforderungen und anderer Faktoren abhängt, ist es notwendig, die Werte verschiedener Variablen im zukünftigen Langzeitversuch zu optimieren, um die besten Betriebsbedingungen und den wirtschaftlichsten Energieverbrauchsindex des Systems zu ermitteln.

1. Dünnschichttrockner

Der Dünnschichttrockner besteht aus einem zylindrischen Gehäuse mit Heizschicht, einem darin befindlichen rotierenden Rotor und einer Antriebsvorrichtung für den Rotor: Motor + Getriebe.

Der Rotor ist mit Schaufeln zum Beschichten, Mischen und Vorwärtsbewegen ausgestattet. Der Abstand zwischen den Schaufeln und der Innenschale beträgt 5 bis 10 mm. Die Heizfläche ist selbstreinigend, und die Schaufeln lassen sich einzeln einstellen und entnehmen.

Antriebsvorrichtung: (Motor + Getriebe) Es kann ein Frequenzumrichter- oder Konstantdrehzahlmotor gewählt werden, ein Riemengetriebe oder ein Getriebegetriebe kann gewählt werden, eine direkte Verbindung oder eine Kupplungsverbindung kann verwendet werden, die Rotordrehzahl kann auf 100 U/min geregelt werden, die lineare Geschwindigkeit des Rotoraußenrandes kann auf 10 m/s geregelt werden, die Schlammverweilzeit beträgt 10~15 min.

2. Linearer Trocknerkörper

Der Lineartrockner ist mit einer U-förmigen Förderschnecke ausgestattet. Die Förderschnecke ist speziell konstruiert und bearbeitet, um ein Herausdrücken oder Zerschneiden von Schlammpartikeln zu verhindern. Gehäuse und Drehwelle des Lineartrockners sind Heizelemente, wobei das Gehäuse zerlegbar ist. Mit Ausnahme der Heizelemente bestehen alle mit dem Schlamm in Berührung kommenden Teile aus Edelstahl 316L oder einem gleichwertigen Werkstoff, die übrigen Teile aus Kohlenstoffstahl. Die Lineartrockneranlage ist somit aus Edelstahl 316L und Kohlenstoffstahl gefertigt.

3. Kondensator

Die Funktion des Trägergaskondensators besteht darin, das Abgas des Schlammtrockners zu waschen, sodass die darin enthaltenen kondensierbaren Gase kondensieren. Es handelt sich um einen Direktsprühkondensator, dessen Werkstoff Edelstahl 304 ist.

4. Produktkühler

Die Funktion des Produktkühlers besteht darin, den halbtrockenen Schlamm von 110 °C auf etwa 45 °C abzukühlen. Er verfügt über eine Wärmeübertragungsfläche von 21 m² und eine Leistung von 4 kW. Als Hauptverarbeitungs- und Fertigungsmaterial wird Edelstahl 304 + Kohlenstoffstahl verwendet.

Das Dünnschichttrocknungsverfahren für Klärschlamm hat sich in den letzten Jahren aufgrund seiner technischen Eigenschaften als effiziente und effektive Methode zur Klärschlammbehandlung etabliert. Dabei wird der Klärschlamm mithilfe eines Dünnschichttrockners schnell und effizient entfeuchtet, wodurch ein trockenes, granuliertes Produkt entsteht, das sich leicht handhaben und transportieren lässt. Basierend auf den Betriebserfahrungen mit Prozessanlagen verschiedener Technologien im Bereich der Klärschlammtrocknung und -verbrennung lassen sich die technischen Merkmale des Dünnschichttrocknungsverfahrens für Klärschlamm wie folgt beschreiben.

1. Die wichtigste technische Eigenschaft der Dünnschicht-Schlammtrocknungsanlage ist ihre einfache Integration. Dieses Verfahren benötigt nur minimale Zusatzausrüstung und ist einfach zu bedienen und zu steuern. Der Trocknungsprozess erfordert kein Rückmischen, und der Schlamm überspringt direkt die plastische Phase (Schlammviskositätszone), wodurch der Prozess effizienter und reibungsloser abläuft. Darüber hinaus ist die Menge des entstehenden Abgases relativ gering und die Abgasreinigung unkompliziert, was die Anlage zu einer wirtschaftlichen, effizienten und umweltfreundlichen Option für die Schlammtrocknung macht.

2. Die Wirtschaftlichkeit des Dünnschicht-Schlammtrocknungsverfahrens ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Es zeichnet sich durch einen relativ geringen Energieverbrauch und eine konstant hohe Verdampfungseffizienz aus. Die Rückgewinnung und Wiederverwertung des Heizmediums ist ebenfalls möglich, was die Energiekosten weiter senkt. Darüber hinaus ist die Anlage robust, wartungsarm und erfordert nur minimale Überwachung, wodurch sie eine kostengünstige Lösung für die Schlammtrocknung darstellt.

3. Die hohe Flexibilität im Betrieb ist ein weiteres herausragendes Merkmal der Dünnschicht-Schlammtrocknungsanlage. Sie eignet sich zum Trocknen verschiedener Arten von pastösem Schlamm und erzeugt gleichmäßige Produktschlammpartikel mit beliebigem Feuchtigkeitsgehalt. Das Verfahren zeichnet sich durch geringe Feststoffbelastung, einfaches Starten und Stoppen sowie kurze Entleerungszeiten aus, was die Flexibilität zusätzlich erhöht.

4. Das Dünnschicht-Schlammtrocknungsverfahren ist für seine Sicherheit und Umweltverträglichkeit bekannt. Es nutzt verschiedene inerte Schutzmaßnahmen wie Stickstoff, Dampf und eine selbstlöschende Detektion. Der Prozess läuft in einem geschlossenen Unterdrucksystem mit geringem Sauerstoffgehalt, ohne Geruchs- und Staubaustritt. Dadurch wird die Gefahr von Staubexplosionen minimiert und die Sicherheit und Umweltverträglichkeit des Schlammtrocknungsprozesses gewährleistet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die technischen Eigenschaften des Dünnschicht-Schlammtrocknungsverfahrens es zu einer effizienten, wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Option für die Schlammbehandlung machen. Dieses Verfahren zeichnet sich durch umfassende Einfachheit, Wirtschaftlichkeit im Betrieb, Flexibilität im Betrieb, Sicherheit und Umweltschutz aus und ist somit eine wertvolle Lösung für Schlammtrocknungsanlagen.