引言随着环保政策的日益严格，市政污泥处理开始朝着减量化、无害化以及资源化方向发展。对于绝大多数污泥资源化处理工艺，如焚烧、热解、农业利用等，污泥干化是必要的前处理技术[1-2]。在污泥干化处理中，热干化技术应用最为广泛和成熟，干化方式主要分为直接接触式、间接接触式以及混合接触式[3]。直接干燥方式中污泥与干燥介质直接接触，污泥中的水分与干燥介质换热速度快、干燥效率高，但高速高温流动介质易使污泥的有机物挥发，因此需要对挥发产物进行处理。而间接干燥方式不与干燥介质直接接触，干燥载气中，恶臭气体浓度低、处理难度小，但间接干燥方式在污泥的深度脱水过程中换热效率较低，同时对于含水率在40%~55%的污泥易发生换热装置的黏结现象，进一步降低换热效率[4-6]。除此之外，现有的污泥热干化工艺中，二次蒸汽的潜热及显热未被完全利用，热量回收比例较低[7]。机械蒸汽再压缩技术（MVR）是将蒸发器产生的二次蒸汽重新升压升温，然后作为热源加热进料，可以有效利用二次蒸汽的潜热，降低系统能耗[8]，目前此技术已在食品、工业废水浓缩结晶等领域得到广泛应用。针对污泥干化过程中存在的二次蒸汽热量回收比例低以及“黏滞区”导致污泥干化速度慢的缺点，创新性地设计一种基于机械蒸汽再压缩的两级污泥干化系统。工艺上采用分段干化，融合了直接接触式与间接接触式干化技术的优点，同时采用MVR技术回收二次蒸汽的汽化潜热。在设计工艺的基础上，采用化工流程软件Aspen Plus建立相关模型，并对工艺流程的可行性进行验证。1工艺流程试验设计的污泥干化工艺由两段组成，第一段为基于机械蒸汽再压缩的间接接触式干化系统，第二段为流化床式干化系统。其中第一段干化系统主要由预热器、间接接触式干化系统、压缩机、冷凝水缓冲罐组成。第二段干化系统主要由流化床式干化机、旋风分离器、空气预热器、空气加热器和除臭装置组成，系统的工艺流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.016.F001图1基于机械蒸汽再压缩的两级污泥干化系统工艺进料为某污水处理厂经过机械脱水预处理后的污泥，含水率为80%。（1）污泥处理流程：湿污泥经预热器加热后进入到间接接触式干化系中换热干燥，经过干燥后的污泥含水率在55%~60%，此时污泥开始进入“黏滞区”。进入到“黏滞区”的污泥继续进入到流化床式干化机中继续加热干燥，上方出口的混合介质进入到旋风分离器中进行分离，其中分离出的固体颗粒与循环流化床下方出口干污泥混合后排出，排出的污泥含水率约为40%。（2）气体及冷凝水的流程：间接接触式干化系统出口蒸汽进入到压缩机中升温升压，后作为热源重新回到干化机中干化污泥，饱和蒸汽经换热冷凝后进入到冷凝水缓冲罐中，出口不凝结气体进入到除臭装置处理后排出，出口冷凝水进入到污泥预热器中加热湿污泥；第二段干化系统中的介质空气经空气预热器及空气加热器两级加热到150 ℃左右，加热后的空气作为热源进入到流化床干化机中对污泥进行深度脱水，出口混合介质首先进入到旋风分离器去除固体颗粒物，接着气体混合物进入到空气预热中对介质进行预热，经过换热后的气体进入到湿式除尘器中进一步去除杂质，最后气体混合物进入到除臭装置处理后排出。由上述系统可知，间接接触式干化系统出口二次蒸汽经升温升压后重新利用，降低了系统能耗，同时对“黏滞区”污泥采用流化床式干化系统，增加污泥的干化效率[9-10]，避免污泥的黏结现象。该工艺结合了直接接触与间接接触式干化系统的优点，是一种节能、高效、稳定的污泥干化系统。2系统模型的建立Aspen Plus是集生产设计、稳态模拟和系统优化功能于一体的大型通用流程模拟软件。在污泥干化焚烧领域，有研究采用Aspen Plus对有关污泥的干化技术进行模型，模拟结果与实际结果较为吻合，误差在工程模拟的可接受范围内[11-12]。本研究利用Aspen Plus建立基于机械蒸汽再压缩的两级污泥干化系统模型，并对工艺流程的可行性进行验证。2.1组分定义以某污水处理厂经过机械脱水预处理后的污泥为研究对象，污泥含水率为80%，采用非常规组分的方式进行定义，其工业分析与元素分析结果，如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.016.T001表1污泥的工业分析与元素分析检验项目数值工业分析全水分Mar80.00灰分Ad48.70挥发分Vd45.46固定碳FCd5.84元素分析碳Car5.45氧Oa0.82氢Har2.90氮Oar0.78硫Sar0.31灰分Aar9.74全水分Mar80.00%2.2物性方法污泥虽然属于非常规物质体系，但物性方法需要对应模拟中所有模块，因为流程中涉及H2O、N2和O2等低压状况下的气体，所以本研究模型选用常规组分下的IDEAL物性方法。2.3模型建立根据图1工艺流程中各个单元的功能，选择Aspen Plus中合适的模块，模块所对应的功能单元如表2所示。在建模过程中，考虑以下基本假设：10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.016.T002表2工艺流程中的功能模块对应表功能模块压缩机Compr模块预热器Heatx模块冷凝器Heatx模块污泥干燥Rstoic模块分离器Flash模块流股混合Mixer模块流股分离Fsplit模块泵Pump模块（1）系统在稳态条件下工作；（2）忽略污泥给料系统功耗；（3）忽略污泥干化过程中二次蒸汽的液滴携带；（4）整个系统运行时无热损失。3模型计算与分析以某污水处理厂经过机械脱水预处理后的污泥为参考，忽略微量离子的影响，结合污泥的工业及元素分析，对组分进行定义，通过系统的模拟计算，对工艺流程的可行性进行验证。3.1基准参数的输入污泥干化的模拟流程计算中，需结合污泥的处理量和干化过程输入初始参数，在模拟中基准参数的输入值如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.016.T003表3基准参数输入值参数数值入口湿污泥质量流量/（kg/h）1 000入口污泥含湿率/%80第一段污泥出口含湿率/％60第一段污泥干化压力/bar1送风机进口空气量/（kg/h）10 000流化床式干化机进口空气温度/℃150出口干化后污泥湿度/%403.2模型的计算按照表3的输入条件，在相应模块中输入参数，采用Fortran语言在Calculation功能中定义各段干化系统中污泥出口含水率，其中第一段出口污泥含水率60%，第二段污泥含水率40%，输入完成后，运行模拟计算，模型经过多次迭代计算后收敛，系统无报错，结果为可查询状态。系统模型及计算结果如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.016.F002图2基于机械蒸汽再压缩的两级污泥干化模型由图2中的模拟结果可知，含水率80%的污泥经第一级干化后，含水率降为60%，二次蒸汽经压缩机升温升压，压缩蒸汽经减温水减温后降为120 ℃的饱和蒸汽，与非接触式干化系统换热后冷凝，其中少数为未凝气体排出，冷凝水作为热源加热进口湿污泥，换热端相差约为15~20 ℃，满足换热器的设计要求。对第一段干化系统干化后的污泥进行干燥，干化后的污泥含水率为40%，温度为112 ℃，干化系统出口混合气体预热进口空气，空气预热器换热端差约为15 ℃。模拟结果表明，基于机械蒸汽再压缩的两级污泥干化系统在稳定运行中不需要生蒸气的输入，有效利用了生蒸气的汽化潜热和显热；第二段采用流化床式干化系统，解决了污泥的黏结及蒸发速率低等问题，同时有效利用出口混合气体的显热余热进口空气，模拟的计算结果合理，工艺流程可行。3.3影响因素分析在污泥的两段式干化过程中，影响系统运行最主要的因素是第一段出口污泥的含水率[13-15]，分析第一段出口污泥含水率对系统功耗及运行的影响，结果如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.016.F003图3第一段干化系统出口污泥含水率对系统功耗及运行影响由图3可知，随着第一段干化系统污泥含水率的增加，压缩机电耗逐渐减小，加热装置热耗逐渐增加。随着第一段干化系统污泥出口含水率的增加，非接触式干化系统出口二次蒸汽量减少，即压缩机电耗降低。在整个干化系统出口污泥含水率不变的情况下，第二段干化系统的蒸发量增加，需要的换热量增多，加热装置热耗增加。相比于非接触式干化系统，直接接触式干化系统能耗更高。干化系统补充蒸汽量随第一段干化系统出口污泥含水率的变化，如图4所示。由图4可知，当第一段干化系统出口污泥含水率高于60%时，干化系统补充蒸汽量增加，当含水率低于60%时，系统不需要外来蒸汽即可实现污泥干化。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.016.F004图4干化系统补充蒸汽量随第一段干化系统出口污泥含水率的变化当第一段干化系统污泥含水率较高时，非接触式干化系统出口蒸汽量减小，冷凝水量降低，即污泥预热器热源减少。为维持第一段干化系统的热量平衡，需在压缩机出口位置补充部分蒸汽，而当第一段干化系统污泥含水率较低时，非接触式干化系统出口蒸汽量增加，冷凝水量增多，预热器中换热量增多，污泥可以达到预热温度，从而不需要外来蒸汽的补充，当出口污泥含水率低于60%时，非接触式干化系统黏结风险增加，所以第一段干化系统出口污泥含水率应在60%左右最佳。4结语本研究提出一种基于机械蒸汽再压缩的污泥两级干化系统，该系统能有效利用二次蒸汽的汽化潜热与显热，同时解决污泥的黏结及蒸发速率低等问题。（1）结合提出的工艺流程，通过Aspen Plus软件建立相关系统模型并进行模拟计算，模拟结果验证了工艺流程的可行性。（2）随着第一段干化系统污泥出口含水率的增加，压缩机电耗降低，加热装置能耗增加，当含水率高于60%时，此时系统需要补充外来蒸汽维持运行，考虑非接触干化系统的黏结风险，第一段干化系统出口污泥含水率应在60%左右最佳。（3）通过模型的建立，可开展关于该工艺在不同工况下的模拟计算，进而探究压缩机的压缩比、流化床式干化机进口空气温度等其他参数对系统能耗的影响，为该工艺的工程化应用提供理论依据和数值参考。