CN109574452B - 一种多功能风光互补热泵污泥干燥系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能风光互补热泵污泥干燥系统，包括污泥干燥单元、热泵单元、空气—冷水换热器和空气—热水换热器，热泵单元与污泥干燥单元连接成循环回路，空气—冷水换热器、空气—热水换热器和污泥干燥单元连接成循环回路，空气—热水换热器分别连接太阳能集热器和风力制热装置并由它们供能，各组件通过管路以及设于管路中的三通阀与电磁阀连接并形成多个不同工作模式的污泥干燥子系统，包括热泵干燥子系统、太阳能集热干燥子系统、风力制热干燥子系统、风光互补制热干燥子系统、风光互补制热与热泵并联干燥子系统。与现有技术相比，本发明可在多种运行模式之间切换，实现不同的干燥功率的组合，适用于不同品质的污泥较大容量范围内的波动。

Description

一种多功能风光互补热泵污泥干燥系统

技术领域

本发明属于新型污泥干燥装置技术领域，具体涉及一种多功能风光互补热泵污泥干燥系统。

背景技术

污泥是人们生活和工业生产形成的污水处理后的附属品，含有多种复杂的成分。若污泥不经过处理直接排放到环境中会造成严重污染，污泥中含有的重金属、有毒物质以及病原微生物会对土壤和地下水造成污染，而无机盐分会提高土壤的导电率，破坏植物的养分平衡。绝大多数的污泥都需要通过焚烧的方式降低其对环境的污染。企业将污泥送到焚烧厂的处理成本按照重量计算，若不进行干燥处理会给中小企业带来了巨大的经济压力。

如何提高的干燥效率，降低污泥的含水率以及干燥过程中的耗电量一直以来都是研究重点。常用的是太阳能空气集热系统和热泵系统。太阳能作为一种清洁能源，其利用技术已经比较成熟，太阳能干燥技术的发展已经由浅入深，从当初的简单小试到如今的完善的实验生产过程。近年来，太阳能的开发利用接近饱和，风能的开发逐渐成为研究的重点，而太阳能集热系统、风力制热系统与热泵系统的联合利用来干燥污泥的技术还处于起步阶段。

专利CN 108164122 B公开了一种太阳能干燥污泥装置，该专利采用太阳能进行污泥干燥。该装置包括聚光器、光伏电池、空气集热管、相变储热箱、污泥干燥室、分离器、空气调节器、筛分器和压碎室。装置中的聚光器聚集太阳光，空气集热管吸收经由聚光器聚集的光能以加热空气输出热能。空气集热管中的热空气经风机送至污泥干燥室干燥污泥，然后分别经由空气出口和分离器，以及空气调节器，返回到空气集热管以形成闭环的空气循环管路。该发明装置系统功能单一，仅适用于太阳辐照条件好的情况，在太阳辐照条件不好时，效果很差。

专利CN 108558175 A公开了一种热泵污泥干燥装置，该专利采用热泵进行污泥干燥。该干燥系统的装置主要包括压缩机、蒸发器、节流阀、冷凝器、干燥器、第一风机和蓄热器，采用扩散系数高，导热能力强，传质传热阻力小的氢气作为干燥介质。干热氢气通过干燥器吸收水分后变为低温高湿氢气进入蒸发器，在蒸发器中被工质冷却后变为含水量极少的干冷氢气，冷却下来的冷凝水通过管道排出干燥系统。干冷氢气进入冷凝器加热到40～60℃的干热状态，由风机送入干燥器内循环干燥。该发明装置耗电量大，运行成本偏高，且污泥干燥容量不可调，导致污泥的处理量及污泥适用范围窄。

综上，现有普通太阳能和/或热泵污泥干燥系统存在的缺陷为：(1)系统功能单一，如太阳能污泥干燥仅适用于太阳辐照条件好的情况，在太阳辐照条件不好时，效果很差；在光照条件一般甚至无光照时，只能单独的利用热泵污泥干燥，系统的耗电量大，运行成本偏高；二者的组合系统仍然无法根据光照情况来进行运行模式的调节；(2)热源单一，太阳能资源不可控，在实际设计或是使用时，必须配合其他热源作为补充；(3)污泥干燥容量不可调，导致污泥处理量及污泥适用范围窄，很多污泥会存在发热及热解的情况，导致市面上已有的热泵污泥干燥机组的设计值偏小，导致机组无法运行；使用大型机组又增加了投资及运行成本。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种多功能风光互补热泵污泥干燥系统，可在多种运行模式之间切换，实现不同的干燥功率的组合，适用于不同品质的污泥较大容量范围内的波动。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种多功能风光互补热泵污泥干燥系统，包括污泥干燥单元、热泵单元、空气—冷水换热器空气—热水换热器，所述热泵单元与污泥干燥单元连接成循环回路，所述空气—冷水换热器、空气—热水换热器和污泥干燥单元连接成循环回路，所述空气—热水换热器分别连接太阳能集热器和风力制热装置并由它们供能，各组件通过管路以及设于管路中的三通阀与电磁阀连接并形成多个不同工作模式的污泥干燥子系统，包括：

由污泥干燥单元、热泵单元串联形成的热泵干燥子系统；

由污泥干燥单元、空气—冷水换热器、空气—热水换热器、太阳能集热器连接形成的太阳能集热干燥子系统；

由污泥干燥单元、空气—冷水换热器、空气—热水换热器、风力制热装置连接形成的风力制热干燥子系统；

由太阳能集热干燥子系统和风力制热干燥子系统联合运行形成的风光互补制热干燥子系统；

由风光互补制热干燥子系统与热泵干燥子系统并联形成的风光互补制热与热泵并联干燥子系统。

进一步地，所述空气—热水换热器还连接用于储能或供能的相变储能罐，所述相变储能罐与污泥干燥单元、空气—冷水换热器、空气—热水换热器连接形成储能制热干燥子系统。

进一步地，所述污泥干燥单元包括用于放置湿污泥的干燥箱以及将热空气引入干燥箱的风机。

进一步地，所述热泵单元包括串联成循环回路的蒸发器、冷凝器、节流阀和压缩机。

进一步地，所述空气—冷水换热器连接冷却塔。

进一步地，该系统中设有四个水泵，分别设在冷却塔的出口处，太阳能集热器的出口处、风力制热装置的出口处和相变储能罐的出口处。

进一步地，该系统中设有两个三通阀和三个电磁阀，并通过三通阀和电磁阀的开关组合进行运行模式的切换，其中，所述三通阀分别设于污泥干燥单元的出口处、热泵单元与和空气—热水换热器的出口处；所述电磁阀分别设于热泵单元入口的连接管道、空气—冷水换热器进口的连接管道和水泵与相变储能装置的连接管道上。

本系统的具体工作原理为：

1、光照充足时，采用太阳能集热干燥子系统。将需要干燥的污泥置于干燥箱内，开启太阳能集热干燥子系统，开启电磁阀，相变储能罐出口的水泵处于常开状态。利用太阳能集热器加热给水，再由水泵将热水通入空气—热水换热器中，加热通入其中的冷风至干燥所设定的温度。之后被加热后的热风由通风管道借由风机进入干燥箱内，并在干燥箱内吸收污泥内的水分，变成中温高湿的暖风；中温高湿的暖风从出风口导出经由通风管道进入空气—冷水换热器中冷却并吸收水分。空气-冷水换热器的冷量由冷却塔提供。析水后低温低湿的冷风进入空气—热水换热器中再被太阳能集热器子系统加热成高温低湿的热风，依次循环。在循环过程中，若从空气-热水换热器出来的热空气温度超过设定上限值时，开启电磁阀，同时通过控制电磁阀的开度，将多余的太阳能集热器系统的热量储存在相变储能罐中。

2、没有光照时，根据风力级数高低来选择不同的干燥子系统。具体为：

(1)风力级数偏低时，采用热泵干燥子系统。将需要干燥的污泥置于干燥箱内，开启热泵干燥子系统，打开电磁阀，冷凝器将冷风加热成干燥所设定温度的热风，通入干燥箱内。热风吸收干燥箱内污泥的水分，变成中温高湿的暖风，之后在蒸发器内与低温冷媒进行换热，变成低温低湿的冷风并同时析出水分，析水后的冷风再次通入冷凝器内被加热，进行循环干燥。

(2)风力级数偏高时，采用风力制热干燥子系统。将需要干燥的污泥置于干燥箱内，开启风力制热干燥子系统，打开电磁阀，相变储能罐出口的水泵处于常开状态。利用风力制热加热给水，再由水泵将热水通入空气—热水换热器中，加热通入其中的冷风至干燥所设定的温度。之后被加热后的热风由通风管道借由风机进入干燥箱内，并在干燥箱内吸收污泥内的水分，变成中温高湿的暖风；中温高湿的暖风从出风口导出经由通风管道进入空气—冷水换热器中冷却并吸收水分。空气-冷水换热器的冷量由冷却塔提供。析水后低温低湿的冷风进入空气-热水换热器中再次被风力致热子系统加热成高温低湿的热风，依次循环。在循环过程中，若从空气-热水换热器出来的热空气温度超过设定上限值时，开启电磁阀，同时通过控制电磁阀的开度，将多余的风力制热子系统的热量储存在相变储能罐中。

3、无光微风且相变储能罐储能足够多时，采用储能制热干燥子系统。将需要干燥的污泥置于干燥箱内，开启储能制热干燥子系统，打开电磁阀。利用相变储能罐加热给水，再由水泵将热水通入空气—热水换热器中，加热通入其中的冷风至干燥所设定的温度。之后被加热后的热风由通风管道借由风机进入干燥箱内，并在干燥箱内吸收污泥内的水分，变成中温高湿的暖风；中温高湿的暖风从出风口导出经由通风管道进入空气—冷水换热器中冷却并吸收水分。空气-冷水换热器的冷量由冷却塔提供。析水后低温低湿的冷风进入空气-热水换热器中再次被储能子系统加热成高温低湿的热风，依次循环。

4、风光条件不充足或处于变化状态时，可根据需要采用太阳能集热与风力制热联合干燥子系统，即风光互补制热干燥子系统，或风光互补制热与热泵并联干燥子系统。

该模式下系统功率可调，太阳能集热干燥子系统和风力制热干燥子系统联合运行(风光互补制热干燥子系统)，热泵干燥子系统和风光互补制热干燥子系统通过并联运行皆可实现系统容量可调，具体为：

(1)当风光条件良好时，太阳能集热干燥子系统和风力制热干燥子系统联合运行，系统具有的功率比单个子系统运行时要高，风力制热干燥子系统和太阳能集热干燥子系统分别按照各自设计功率及运行模式独立运行。

(2)当风光条件一般时，热泵干燥子系统和风光互补制热干燥子系统并联运行，此时系统总功率最大，并且可根据辐照条件或是污泥的量进行调节。

风光互补制热干燥子系统与热泵干燥子系统将冷风加热成高温低湿的热风，由风机通入干燥箱内。高低低湿的热风吸收污泥中的水分，从干燥箱内出来后变成中温高湿的暖风，这里可根据风光条件调节进入风光互补制热干燥子系统的暖风，中温高湿的暖风经由通风管道进入空气—冷水换热器中，被冷却并析出水分。空气-冷水换热器的冷量由冷却塔提供。析水后低温低湿的冷风进入空气-热水换热器中被再次加热，依次循环。

另一部分中温高湿的暖风进入热泵干燥子系统。在蒸发器内，中温高湿的暖风与低温液态冷媒进行换热被冷却并析出水分，析水后的低温低湿的冷风后进入冷凝器内，与高温高压的冷媒进行换热，变成高温低湿的热风，与从风光互补制热干燥子系统出来的高温低湿的热风进行混合，依次循环。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明在空气—冷水换热器进口的风管和蒸发器进口的风管上分别设置有电磁阀，根据光照条件的不同，调节进入空气—冷水换热器和蒸发器的空气量，保证从冷凝器出口的空气温度与空气—热水换热器出口的温度相差不大，同时使得系统的干燥容量可调；在风力制热装置出口的水泵与相变储能罐的连接管道和太阳能集热器与相变储能罐的连接管道上共用一个电磁阀，根据系统运行时的环境条件，调节进入相变储能罐的热能，既可满足把进入空气—热水换热器的空气加热到所需的温度，又可保证能量的节约利用。将太阳能、风能、热泵和污泥干燥结合，四者可互利互补，共同实现热源的互补以及性能的提高，增加了系统的运行模式与功率的可调节性，大大地降低系统的能耗。

附图说明

图1为多功能风光互补热泵污泥干燥系统的结构示意图；

图2-7为不同工作模式的系统示意图；

图中：1-压缩机；2-蒸发器；3-冷凝器；4-节流阀；5-干燥箱；6-风机；7-空气—冷水换热器；8-冷却塔；9-空气—热水换热器；10-太阳能集热器；11-风力制热装置；12-相变储能罐；V1、V2-三通阀；S1、S2、S3-电磁阀；B1、B2、B3、B4-水泵；P1-冷媒管道；P2-通风管道；P3-水管道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

多功能风光互补热泵污泥干燥系统，其结构如图1所示，主要包括压缩机1、蒸发器2、冷凝器3、节流阀4、干燥箱5、风机6、空气—冷水换热器7、冷却塔8、空气—热水换热器9、太阳能集热器10、风力制热装置11和相变储能罐12等组件，还有相应的连接管道与控制部件。

其中，压缩机1为直流压缩机，与蒸发器2、冷凝器3、节流阀4和冷媒管道P1等组成了热泵单元；太阳能集热器10、空气—冷水换热器7、冷却塔8、空气—热水换热器9、水泵(B1、B2)水管道P2和通风管道P3等组件组成了太阳能集热子系统；风力制热装置11、空气—冷水换热器7、冷却塔8、空气—热水换热器9、水泵(B1、B3)、水管道P2和通风管道P3等组件组成了风力制热子系统；相变储能罐12、空气—冷水换热器7、冷却塔8、空气—热水换热器9、水泵(B1、B4)水管道P2和通风管道P3等组件组成了储能制热子系统。风机6、干燥箱7和通风管道P3等组件组成了污泥干燥单元。风机6与干燥箱7相连，空气—冷水换热器7与冷却塔8由水管道P2相连，空气—冷水换热器7的出口处由通风管道P2与空气—热水换热器9相连，太阳能集热器10的进出口处由水管道P3都空气—热水换热器9相连。风力制热装置11的进出口处由水管道P3都空气—热水换热器9相连。相变储能罐12一端分别与水泵B2和水泵B3的出口相连，另一端分别与太阳能热水器和风力制热装置进口的水管道P3相连；同时相变储能罐12通过水泵B4及水管道P3直接与空气-热水换热器9相连。蒸发器3与冷凝器4由通风管道P2直接相连。压缩机1、蒸发器2、节流阀4、冷凝器3，按冷媒流动方向通过冷媒管道P1相连。空气与冷媒在蒸发器3和冷凝器4中进行换热。

在冷凝器3的出口位置设置了三通阀F2，干燥箱5出口位置设置了三通阀F1。在蒸发器2的入口处设置了电磁阀S1，空气—热水换热器9的入口处设置了电磁阀S2，水泵B2出口与相变储能罐12相连的水管道P3上设置了电磁阀S3，从而方便对上述组件和流量调节实现实时控制。

当光照充足时，采用太阳能集热干燥子系统。将需要干燥的污泥置于干燥箱5内，开启太阳能集热干燥子系统，如图2所示，将电磁阀S2和水泵(B1、B2)开启，水泵B4处于常开状态。利用太阳能集热器10加热给水，再由水泵B2将热水通入空气—热水换热器9中，加热通入其中的冷风至干燥所设定的温度。之后被加热后的热风由通风管道P2借由风机6进入干燥箱5内，并在干燥箱5内吸收污泥内的水分，变成中温高湿的暖风；中温高湿的暖风从出风口导出经由通风管道P2进入空气—冷水换热器7中冷却并吸收水分。空气-冷水换热器7的冷量由冷却塔8提供。析水后低温低湿的冷风进入空气—热水换热器9中再被太阳能集热器子系统加热成高温低湿的热风，依次循环。在循环过程中，若从空气-热水换热器9出来的热空气温度超过设定上限值时，开启电磁阀S3，同时通过控制电磁阀S3的开度，将多余的太阳能集热器子系统的热量储存在相变储能罐12中。

实施例2

多功能风光互补热泵污泥干燥系统的组成介绍详见实施例1。当没有光照时且风力级数偏低时，将需要干燥的污泥置于干燥箱5内，此时开启热泵干燥子系统，如图3，打开电磁阀S1，冷凝器3将冷风加热成干燥所设定温度的热风，通入干燥箱5内。热风吸收干燥箱5内污泥的水分，变成中温高湿的暖风，之后在蒸发器2内与低温冷媒进行换热，变成低温低湿的冷风并同时析出水分，析水后的冷风再次通入冷凝器3内被加热，进行循环干燥。

实施例3

多功能风光互补热泵污泥干燥系统的组成介绍详见实施例1。当没有光照时且风力级数较高时，采用风力制热干燥子系统。将需要干燥的污泥置于干燥箱5内，开启风力制热干燥子系统，如图4，打开电磁阀S2和水泵(B1、B3)，水泵B4处于常开状态。利用风力制热加热给水，再由水泵B3将热水通入空气—热水换热器9中，加热通入其中的冷风至干燥所设定的温度。之后被加热后的热风由通风管道P2借由风机6进入干燥箱5内，并在干燥箱5内吸收污泥内的水分，变成中温高湿的暖风；中温高湿的暖风从出风口导出经由通风管道P2进入空气—冷水换热器7中冷却并吸收水分。空气-冷水换热器7的冷量由冷却塔8提供。析水后低温低湿的冷风进入空气-热水换热器9中再次被风力制热子系统加热成高温低湿的热风，依次循环。在循环过程中，若从空气-热水换热器9出来的热空气温度超过设定上限值时，开启电磁阀S3，同时通过控制电磁阀S3的开度，将多余的风力制热子系统的热量储存在相变储能罐12中。

实施例4

多功能风光互补热泵污泥干燥系统的组成介绍详见实施例1。无光微风且相变储能罐12储能足够多时，采用储能制热干燥子系统。将需要干燥的污泥置于干燥箱5内，开启储能制热干燥子系统，如图5，打开电磁阀S2和水泵(B1、B4)。利用相变储能罐12加热给水，再由水泵B4将热水通入空气—热水换热器9中，加热通入其中的冷风至干燥所设定的温度，之后被加热后的热风由通风管道P2借由风机6进入干燥箱5内，并在干燥箱5内吸收污泥内的水分，变成中温高湿的暖风；中温高湿的暖风从出风口导出经由通风管道P2进入空气—冷水换热器7中冷却并吸收水分。空气-冷水换热器7的冷量由冷却塔8提供。析水后低温低湿的冷风进入空气-热水换热器9中再次被储能子系统加热成高温低湿的热风，依次循环。

实施例5

本实施例为太阳能集热与风力制热联合干燥子系统，此模式下系统功率可调。

风光条件良好时，可将太阳能集热干燥子系统和风力制热干燥子系统联合运行，即为风光互补制热干燥子系统。如图6，此时系统比上述单个系统运行的容量大；此时太阳能集热干燥子系统和风力制热干燥子系统分别按照各自设计功率及运行模式独立运行。

风光条件一般时，风光互补制热干燥子系统和热泵污泥干燥子系统是并联运行模式，如图7，此时系统总功率达到最大值，并且可根据辐照条件或是污泥的量进行调节。

风光互补制热干燥子系统与热泵干燥子系统将冷风加热成高温低湿的热风，由风机6通入干燥箱5内。高温低湿的热风吸收污泥中的水分，从干燥箱5内出来后变成中温高湿的暖风，这里可根据风光条件调节进入风光互补制热干燥子系统的暖风，中温高湿的暖风经由通风管道P2进入空气—冷水换热器7中，被冷却并析出水分，空气-冷水换热器7的冷量由冷却塔8提供。析水后低温低湿的冷风进入空气-热水换热器9中被再次加热，依次循环。

另一部分中温高湿的暖风进入热泵干燥子系统。在蒸发器2内，中温高湿的暖风与低温液态冷媒进行换热被冷却并析出水分，析水后的低温低湿的冷风后进入冷凝器3内，与高温高压的冷媒进行换热，变成高温低湿的热风，与从风光互补制热干燥子系统出来的高温低湿的热风进行混合，依次循环。

本发明主要是为体现太阳能、风能、热泵与污泥干燥的结合，结合后的四者可以互利互补，共同实现热源的互补以及性能的提高，增加系统功率的可调节性，降低系统的耗电量，本发明主要是体现四者结合的理念。冷却塔的设立为非热泵工作模式下提供冷量；相变储能罐的设立是为了太阳能集热干燥子系统或风力制热干燥子系统独立运行时，储存多余的能量，以便在无光微风的情况下实行储能制热干燥子系统，来降低干燥系统的耗电量。因此所有在风光互补热泵干燥系统结合为核心上的小改动(如更改干燥箱的出风方式、更改干燥箱内污泥的布置方式、更改干燥箱形式、改变提供冷量的方式、太阳能集热器的工作介质、改变压缩机和相变储能罐的类型等)均在本发明专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种多功能风光互补热泵污泥干燥系统，包括污泥干燥单元、热泵单元、空气—冷水换热器（7）和空气—热水换热器（9），所述热泵单元与污泥干燥单元连接成循环回路，所述空气—冷水换热器（7）、空气—热水换热器（9）和污泥干燥单元连接成循环回路，其特征在于，所述空气—热水换热器（9）分别连接太阳能集热器（10）和风力制热装置（11）并由它们供能，各组件通过管路以及设于管路中的三通阀与电磁阀连接并形成多个不同工作模式的污泥干燥子系统，包括：

由污泥干燥单元、热泵单元串联形成的热泵干燥子系统；

由污泥干燥单元、空气—冷水换热器（7）、空气—热水换热器（9）、太阳能集热器（10）连接形成的太阳能集热干燥子系统；

由污泥干燥单元、空气—冷水换热器（7）、空气—热水换热器（9）、风力制热装置（11）连接形成的风力制热干燥子系统；

由太阳能集热干燥子系统和风力制热干燥子系统联合运行形成的风光互补制热干燥子系统；

由风光互补制热干燥子系统与热泵干燥子系统并联形成的风光互补制热与热泵并联干燥子系统；

所述污泥干燥单元包括用于放置湿污泥的干燥箱（5）以及将热空气引入干燥箱（5）的风机（6）；

所述热泵单元包括串联成循环回路的蒸发器（2）、冷凝器（3）、节流阀（4）和压缩机（1）；

所述空气—冷水换热器（7）连接冷却塔（8）；

该系统中设有四个水泵（B1、B2、B3、B4），分别设在冷却塔（8）的出口处，太阳能集热器（10）的出口处、风力制热装置（11）的出口处和相变储能罐（12）的出口处；

该系统中设有两个三通阀（F1、F2）和三个电磁阀（S1、S2、S3），并通过三通阀和电磁阀的开关组合进行运行模式的切换，

其中，所述三通阀（F1、F2）分别设于污泥干燥单元的出口处、热泵单元与和空气—热水换热器（9）的出口处；

所述电磁阀（S1、S2、S3）分别设于热泵单元入口的连接管道（P2）、空气—冷水换热器（7）进口的连接管道（P2）和水泵（B2）与相变储能装置的连接管道（P3）上。

2.根据权利要求1所述的一种多功能风光互补热泵污泥干燥系统，其特征在于，所述空气—热水换热器（9）还连接用于储能或供能的相变储能罐（12），所述相变储能罐（12）与污泥干燥单元、空气—冷水换热器（7）、空气—热水换热器（9）连接形成储能制热干燥子系统。