CN109796118A - 一种带有余热回收的污泥热处理设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带有余热回收的污泥热处理设备及方法，所述设备包括依次通过污泥管道连通的污泥太阳能干化系统、污泥热能循环稳定处理设备、污泥两级内热激发回收系统、多相热交换系统；所述污泥两级内热激发回收系统的出烟口与污泥热能循环稳定处理设备之间设有高温烟气管道，所述污泥热能循环稳定处理设备的低温废气出口与多相热交换系统连通，所述多相热交换系统设有通向污泥太阳能干化系统的热水管道，所述污泥太阳能干化系统设有通向多相热交换系统的冷水管道。本发明将处理系统浪费掉的余热回收，弥补了余热回收难度大和太阳能干化辅助热源能耗高的缺点，整个污泥处理系统热能利用率明显提高，大幅降低污泥处理的投资成本和运行成本。
Description
技术领域
本发明属于污泥热处理设备技术领域，尤其是涉及一种带有余热回收的污泥热处理设备及方法。
背景技术
随着我国城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，城市污水处理厂的污泥产量也急剧增加。未经适当处理的污泥进入环境后，直接会给水体和大气带来二次污染，对生态环境构成了严重威胁。传统的污泥处置方法主要是填埋和堆肥，污泥填埋对土地资源浪费较大，而且在运输过程和在填埋场里的渗滤液均易对环境造成二次污染，污泥堆肥由于不能有效去除污泥中的重金属和有害物质，重金属离子易在土壤和植物体内积累。近年来，污泥固相残余物化技术由于具有使污泥减量化、无害化、资源化的优势，是一种污泥热处理技术，包换污泥高温炭化、焚烧等处理工艺，逐渐得到越来越多的应用。污泥太阳能干化是利用太阳能为能源对污泥进行干化的技术，借助封闭式阳光棚形成温室环境，在较低温度下将污泥中的水分蒸发，由于太阳能是免费的能源，因此该技术的运行费用较低。
使用固相残余物化技术生产的固相残余物是一种粉状或颗粒状物质，热解产生的污泥炭热值1500～2000kcal/kg，刚出炭化炉的固相残余物温度约在 500℃以上，如果使用空气直接冷却则有燃烧爆炸的风险，因此只能用冷却水对其间接冷却，换热后的热水冷却后循环使用，因此固相残余物的大量显热得不到利用，浪费了能源，另一种固相残余物是没有热值的灰渣，通常通过湿式出渣的方式冷却，热量也浪费了废水中。同时尾气处理系统中由于温度低，余热回收困难，也造成了能源的浪费。污泥太阳能干化技术如果仅仅依靠太阳辐射热的话，所需的占地面积则极其巨大，而且受季节影响较大，在冬季气温低、太阳辐射强度弱的情况下干化速率明显下降，造成处理能力不稳定，因此往往使用热泵或太阳能集热系统产生热水通过地暖形式加速污泥干化，而一般的地热源热泵、水源热泵、空气源热泵由于源热温度低，导致热泵的电耗较大，从而增加了投资成本和运行费用。因此，开发一种带有余热回收的污泥热处理成套设备成为了污泥热处理技术和设备发展的新课题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种工艺合理、流程简单、处理效果好、能源消耗低的带有余热回收的污泥热处理设备及方法，以克服现有技术中的不足。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种带有余热回收的污泥热处理设备，包括依次通过污泥管道连通的污泥太阳能干化系统、污泥热能循环稳定处理设备、污泥两级内热激发回收系统、多相热交换系统；所述污泥两级内热激发回收系统的出烟口与污泥热能循环稳定处理设备之间设有高温烟气管道，所述污泥热能循环稳定处理设备的低温废气出口与多相热交换系统连通，所述多相热交换系统设有通向污泥太阳能干化系统的热水管道，所述污泥太阳能干化系统设有通向多相热交换系统的冷水管道。
优选的，还包括尾气处理排放装置，所述多相热交换系统设有通向尾气处理排放装置的尾气排放管道。
优选的，所述污泥太阳能干化系统采用带地暖的阳光棚结构，且所述多相热交换系统设有的通向污泥太阳能干化系统的热水管道以及所述污泥太阳能干化系统设有通向多相热交换系统的冷水管道分别与地暖的进水口以及出水口连通。
优选的，所述污泥热能循环稳定处理设备为回转式直接换热式的污泥干燥机。
优选的，所述污泥两级内热激发回收系统中，一级反应器为外热式热解炉；二级反应器为焚烧炉；一级反应器与二级反应器之间设有热解气管道；二级反应器与污泥热能循环稳定处理设备之间设有高温烟气管道；污泥热能循环稳定处理设备分别与一级反应器以及二级反应器之间设有污泥管道；且一级反应器与二级反应器均与多相热交换系统之间通过污泥管道连通。
优选的，所述污泥多相热交换系统采用固液间接换热与气源热泵的联合形式。
还可以包括控制装置，所述控制装置分别用于污泥太阳能干化系统、污泥热能循环稳定处理设备、污泥两级内热激发回收系统、多相热交换系统以及尾气处理排放装置。可以采用的现有的常规控制装置即可，不属于本发明要解决的技术问题，因此在此不作过多陈述。
本发明还提供一种污泥热处理的方法，使用如上所述的带有余热回收的污泥热处理设备，包括以下步骤，
湿污泥首先进入污泥太阳能干化系统，在太阳辐射和地暖辅热的作用下逐渐蒸发水分，半干化的污泥进入污泥热能循环稳定处理设备与热烟气直接换热，从污泥热能循环稳定处理设备排出的干化后的污泥进入污泥两级内热激发回收系统，污泥两级内热激发回收系统产生的高温烟气进入污泥热能循环稳定处理设备为污泥干化提供热量，固相残余物从污泥两级内热激发回收系统出料口排出进入多相热交换系统；在冷却水间接换热的作用下逐渐降至常温，冷却水被加热后进入污泥太阳能干化系统的地暖管；出污泥热能循环稳定处理设备的低温废气进入多相热交换系统，通过气源热泵回收低温烟气中的热量转化成热水进入污泥太阳能干化系统的地暖管，多相热交换系统排出的尾气进入尾气处理排放装置处理达标后高空排放，污泥太阳能干化系统地暖换热的冷水回到多相热交换系统。
优选的，当污泥有机质含量较高(有机质质量含量≥70％)时，干化后的污泥进入污泥两级内热激发回收系统的一级反应器中发生热解反应，产生热解气和固相残余物，热解气在污泥两级内热激发回收系统的二级反应器中燃烧放热，产生的高温烟气进入污泥热能循环稳定处理设备为污泥干化提供热量；
当污泥有机质含量较低(有机质质量含量＜70％)时，干化后的污泥进入污泥两级内热激发回收系统的二级反应器中发生氧化反应，产生高温烟气和固相残余物，高温烟气进入污泥热能循环稳定处理设备为污泥干化提供热量；
固相残余物从污泥两级内热激发回收系统出料口排出进入多相热交换系统。
相对于现有技术，本发明所述的污泥热处理设备及方法，具有以下优势：
由于采用上述技术方案，将处理系统浪费掉的余热回收，弥补了余热回收难度大和太阳能干化辅助热源能耗高的缺点，解决了太阳能干化能力不稳定、处理速度慢、占地大的问题，整个污泥处理系统热能利用率明显提高，大幅降低污泥处理的投资成本和运行成本。
将污泥太阳能干化和固相残余物化技术相结合，用水作为介质以间接换热方式回收炭化后高温固相残余物的显热，同时使用热泵产生热水，将尾气中的余热作为热泵的低温热源，极大提高热泵效率，二者产生的60℃热水进入太阳能干化系统的地暖为其提供辅热，换热后冷水回到系统循环使用。
本发明最大限度的回收固相残余物及尾气的余热，将其作为太阳能干化的辅助热源，弥补了固相残余物化余热回收难度大和太阳能干化辅助热源能耗高的缺点，解决了太阳能干化能力不稳定、处理速度慢、占地面积大的问题，整个污泥处理系统热能利用率明显提高，大幅降低污泥处理的投资成本和运行成本。
本发明污泥处理彻底，系统设计合理，能源利用率高，系统热量损失减少15％，实现污泥太阳能干化和固相残余物化的技术互补。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的污泥热处理设备的简单结构示意图；
附图标记说明：
1、污泥太阳能干化系统；2、污泥热能循环稳定处理设备；3、污泥两级内热激发回收系统；4、多相热交换系统；5、尾气处理排放装置。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种带有余热回收的污泥热处理成套设备，其特征在于：包括污泥太阳能干化系统1、污泥热能循环稳定处理设备2、污泥两级内热激发回收系统3、多相热交换系统4以及尾气处理排放装置5，所述污泥太阳能干化系统1的半干化污泥通向污泥热能循环稳定处理设备2，所述污泥热能循环稳定处理设备2的干污泥通向污泥两级内热激发回收系统3，所述污泥两级内热激发回收系统3的固相残余物通向多相热交换系统4，所述污泥两级内热激发回收系统3的高温烟气通向污泥热能循环稳定处理设备2，所述污泥热能循环稳定处理设备2的低温废气通向多相热交换系统4，所述多相热交换系统4的尾气通向尾气处理排放装置5，所述多相热交换系统4 的热水通向污泥太阳能干化系统1，所述污泥太阳能干化系统1的冷水通向多相热交换系统4。
在上述实施例中，湿污泥首先进入污泥太阳能干化系统1，在太阳辐射和地暖辅热的作用下逐渐蒸发水分，半干化的污泥进入热能循环稳定处理设备2与热烟气直接换热，当污泥有机质含量较高时，干化后的污泥进入污泥两级内热激发回收系统3的一级反应器中发生热解反应，产生热解气和固相残余物，热解气在污泥两级内热激发回收系统3的二级反应器中燃烧放热，产生的高温烟气进入污泥热能循环稳定处理设备2为污泥干化提供热量，当污泥有机质含量较低时，干化后的污泥进入污泥两级内热激发回收系统3的二级反应器中发生氧化反应，产生高温烟气和固相残余物，高温烟气进入污泥热能循环稳定处理设备2为污泥干化提供热量，固相残余物从污泥两级内热激发回收系统3出料口排出进入多相热交换系统4，在冷却水间接换热的作用下逐渐降至常温，冷却水被加热后进入污泥太阳能干化系统1的地暖管，出污泥热能循环稳定处理设备2的低温废气进入多相热交换系统4，通过气源热泵回收低温烟气中的热量转化成热水进入污泥太阳能干化系统1的地暖管，多相热交换系统4排出的尾气进入尾气处理排放装置5处理达标后高空排放，污泥太阳能干化系统1地暖换热的冷水回到多相热交换系统4。整个过程不需要外加辅助燃料即可达到系统的热平衡。
上述所有过程均通过控制系统的集中控制自动运行。控制系统通过对湿污泥含水率、进料流量、太阳辐射强度、燃料喷射速率、空气流量、污泥两级内热激发回收系统温度、多相热交换系统进出口温度、污泥热能循环稳定处理设备出口温度等的监测而自动调整各个系统、设备的运行工况、温度等参数，以满足整个工艺系统的运行控制要求。
对含水率80％的湿污泥，有机质含量占干基的50％，处理量为20吨每小时，太阳能干化系统的阳光棚面积为2000m2，污泥在太阳辐射和地暖辅热作用下蒸发水分，在翻抛机输送下向出料端移动，在阳光棚内停留时间为 13天，半干化的污泥含水率为60％，半干化污泥进入热能循环稳定处理设备中的停留时间为20min，干污泥含水率为30％，干污泥在污泥两级内热激发回收系统中发生完全氧化反应，温度为850摄氏度，多相热交换系统将800℃的固相残余物冷却到80℃，出热能循环稳定处理设备的废气温度为120 摄氏度，多相热交换系统将废气通过热泵回收余热，将冷却水从20℃加热到 60℃，热水通过水泵进入阳光棚地暖管供热。全部运行过程由控制系统根据温度、运行监测仪表及设定运行参数自动控制运行，与没有余热回收装置的系统相比能源利用率提高了15％以上，得到的固相残余物可用作建材实现资源化利用。采用本发明的方法以及常规处理方法(不使用多相热交换系统，污泥最终形成的高温固相残余物直接进行水冷，或者间接冷却后产生的热水没有利用，同时尾气没有余热回收)得到的效果对比表，如下所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种带有余热回收的污泥热处理设备，其特征在于：包括依次通过污泥管道连通的污泥太阳能干化系统、污泥热能循环稳定处理设备、污泥两级内热激发回收系统、多相热交换系统；所述污泥两级内热激发回收系统的出烟口与污泥热能循环稳定处理设备之间设有高温烟气管道，所述污泥热能循环稳定处理设备的低温废气出口与多相热交换系统连通，所述多相热交换系统设有通向污泥太阳能干化系统的热水管道，所述污泥太阳能干化系统设有通向多相热交换系统的冷水管道。
2.根据权利要求1所述的带有余热回收的污泥热处理设备，其特征在于：还包括尾气处理排放装置，所述多相热交换系统设有通向尾气处理排放装置的尾气排放管道。
3.根据权利要求1所述的带有余热回收的污泥热处理设备，其特征在于：所述污泥太阳能干化系统采用带地暖的阳光棚结构，且所述多相热交换系统设有的通向污泥太阳能干化系统的热水管道以及所述污泥太阳能干化系统设有通向多相热交换系统的冷水管道分别与地暖的进水口以及出水口连通。
4.根据权利要求1所述的带有余热回收的污泥热处理设备，其特征在于：所述污泥热能循环稳定处理设备为回转式直接换热式的污泥干燥机。
5.根据权利要求1所述的带有余热回收的污泥热处理设备，其特征在于：所述污泥两级内热激发回收系统中，一级反应器为外热式热解炉；二级反应器为焚烧炉；一级反应器与二级反应器之间设有热解气管道；二级反应器与污泥热能循环稳定处理设备之间设有高温烟气管道；污泥热能循环稳定处理设备分别与一级反应器以及二级反应器之间设有污泥管道；且一级反应器与二级反应器均与多相热交换系统之间通过污泥管道连通。
6.根据权利要求1所述的带有余热回收的污泥热处理设备，其特征在于：所述污泥多相热交换系统采用固液间接换热与气源热泵的联合形式。
7.一种污泥热处理的方法，其特征在于：使用如权利要求1～6任一项所述的带有余热回收的污泥热处理设备，包括以下步骤，
湿污泥首先进入污泥太阳能干化系统，在太阳辐射和地暖辅热的作用下逐渐蒸发水分，半干化的污泥进入污泥热能循环稳定处理设备与热烟气直接换热，从污泥热能循环稳定处理设备排出的干化后的污泥进入污泥两级内热激发回收系统，污泥两级内热激发回收系统产生的高温烟气进入污泥热能循环稳定处理设备为污泥干化提供热量，固相残余物从污泥两级内热激发回收系统出料口排出进入多相热交换系统；在冷却水间接换热的作用下逐渐降至常温，冷却水被加热后进入污泥太阳能干化系统的地暖管；出污泥热能循环稳定处理设备的低温废气进入多相热交换系统，通过气源热泵回收低温烟气中的热量转化成热水进入污泥太阳能干化系统的地暖管，多相热交换系统排出的尾气进入尾气处理排放装置处理达标后高空排放，污泥太阳能干化系统地暖换热的冷水回到多相热交换系统。
8.根据权利要求7所述的污泥热处理的方法，其特征在于：
当污泥有机质含量较高时，干化后的污泥进入污泥两级内热激发回收系统的一级反应器中发生热解反应，产生热解气和固相残余物，热解气在污泥两级内热激发回收系统的二级反应器中燃烧放热，产生的高温烟气进入污泥热能循环稳定处理设备为污泥干化提供热量；
当污泥有机质含量较低时，干化后的污泥进入污泥两级内热激发回收系统的二级反应器中发生氧化反应，产生高温烟气和固相残余物，高温烟气进入污泥热能循环稳定处理设备为污泥干化提供热量；
固相残余物从污泥两级内热激发回收系统出料口排出进入多相热交换系统。
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