CN111718100A - 一种污泥低温干化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及污泥处理技术领域的一种污泥低温干化方法及系统。方法的步骤包括将湿污泥的废热空气依次输入冷却系统、冷媒系统输出高温干空气，通过循环风系统将高温干空气输出到干化室链网输送系统，高温干空气与所述干化式链网输送系统中的湿污泥进行热质交换，输出废热空气到所述冷却系统，上述过程构成循环，多次循环后，将干化式链网输送系统中的湿污泥干化。通过输入输出参数的设定，并根据预先建立的冷媒系统数学模型，调整所述冷媒系统的参数。该关键参数用于调整冷媒系统冷凝器、压缩机和蒸发器参数，使得系统参数与实际需求相适应，提高了污泥低温干化机系统的工作效率，更加节能减排。

Description

一种污泥低温干化方法及系统

技术领域

本发明涉及污泥处理技术领域，特别是涉及一种污泥低温干化方法及系统。

背景技术

随着我国经济的快速发展和工业化水平的不断提高,污水和污水的排放继而增多，伴随产生了大量污泥。污泥中除含有大量有毒有害物质外,还含有大量的金属离子，并且具有含水量高、体积形态复杂、运输困难等特性。如不妥善处理处置,将会对化境造成巨大的破坏，甚至威胁食物链对人类产生危害。目前，污泥的处理处置已经成为我国发展进程中必须面对的重大环保性问题。我国现有的低温污泥烘干技术在工业应用上还处于起步阶段，许多技术还需要进一步的理论研究和实践检验。例如针对整个低温污泥干化设备系统的建模，利用现在化技术如智能网关、边缘计算、物联网、人工智能算法等去优化系统的理论，从而达到更加智能，更加节能减排。

发明内容

本发明目的在于为污泥低温干化机系统的冷凝系统建立了数学模型，提出了一种污泥低温干化方法及系统，基于该数学模型，可以根据污泥低温干化机系统的运行情况，设定冷凝系统的参数，提高了污泥低温干化机系统的工作效率，使得系统更加智能，更加节能减排。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种污泥低温干化方法，步骤包括：

S1，将湿污泥的废热空气输入冷却系统，通过冷却系统进行第一次冷凝除湿，输出第二废热空气；

S2，将第二废热空气送入冷媒系统，第二废热空气在冷媒系统中，依次经过第二次冷凝除湿，第一次升温和第二次升温，输出干热空气到循环风系统；

S3，干热空气通过循环风系统输出到干化室链网输送系统，干热空气与干化式链网输送系统中的湿污泥进行热质交换，输出废热空气到冷却系统；

S4，经过步骤S1-S3的反复循环，将干化式链网输送系统中的湿污泥干化；

在上述过程中，通过预先建立冷却塔冷却系统热传质数学模型，求解出冷却塔冷却系统输出的空气的温湿度参数；通过冷却塔冷却系统输出的空气的温湿度参数、预设的冷媒系统输出干热空气的温湿度参数、预先建立的冷媒系统数学模型，调整冷媒系统的参数。

进一步的，冷媒系统数学模型是Q_out＝Q₁+W_y，其中，Q₁是冷媒系统中蒸发器吸收的热量，W_y为冷媒系统中压缩机的实际功耗，Q_out是冷媒系统中冷凝器输出的热量。

作为本发明的优选方案，冷媒系统的参数包括：冷凝器传热面积、压缩机的实际功率、蒸发器的传热面积。

进一步的，冷凝器传热面积的计算公式为：

其中，Q₁是冷媒系统中蒸发器吸收的热量，W_y为冷媒系统中压缩机的功耗，k是传热系数，Δt冷媒系统中冷凝器的平均温差。

作为本发明的优选方案，冷凝器的平均温差计算公式为：

其中，Δt冷媒系统中冷凝器的平均温差，t₂是第二废热空气进入冷媒系统的冷凝器时其温度，t₃是从冷媒系统中输出干热空气，t₄经过第二次冷凝除湿后的温度。

作为本发明的优选方案，压缩机的实际功耗计算公式为：

其中，Q₁是冷媒系统中蒸发器吸收废热空气的总热量，Q₂是每公斤制冷剂在冷媒系统中蒸发器中吸收的热量，h₁是当压力值为1000kpa时，制冷剂中焓的含量，h₂当压力值为3100kpa时，制冷剂中焓的含量，η定义是压缩机的等熵效率。

作为本发明的优选方案，蒸发器的传热面积计算公式是

其中，Q₁是冷媒系统中蒸发器吸收的热量，k是传热系数，Δt'冷媒系统中蒸发器的平均温差。

作为本发明的优选方案，冷媒系统中蒸发器的平均温差计算公式为：

其中，Δt'冷媒系统中蒸发器的平均温差，t₅是废热空气进过冷却塔系统第一次冷凝除湿之后，进入蒸发器时的温度，t₆是空气出蒸发器时的温度、t₇蒸发器蒸发温度。

基于相同的构思，本发明还提出了一种污泥低温干化系统，包括干化室链网输送系统、制冷系统、冷媒系统和循环风系统，

制冷系统用于将湿污泥的废热空气进行第一次冷凝除湿，接收湿污泥的废热空气，输出第二废热空气；

冷媒系统接收第二废热空气，用于将第二废热空气依次经过第二次冷凝除湿，第一次升温和第二次升温，输出干热空气到循环风系统；

循环风系统接收干热空气，用于将干热空气输出到干化室链网输送系统，循环风系统还用于为空气在干化室链网输送系统、制冷系统、冷媒系统和循环风系统中依次流通提供动力；

干化室链网输送系统将湿污泥传输到干化室中，使得循环风系统输入的干热空气与干化室中的湿污泥进行热质交换，输出废热空气到冷却系统；

冷媒系统的参数通过冷却塔冷却系统输出的空气的温湿度参数、预设的冷媒系统输出干热空气的温湿度参数、预先建立的冷媒系统数学模型进行调整；冷却塔冷却系统输出的空气的温湿度参数通过预先建立冷却塔冷却系统热传质数学模型和湿污泥的废热空气的温湿度参数求得。

作为本发明的优选方案，其特征在于，冷媒系统包括：蒸发器、热回收器、冷凝器、压缩机和控制单元，

蒸发器接收第二废热空气，用于将第二废热空气进行第二次冷凝除湿，输出低温空气到热回收器；

热回收器将低温空气进行第一次升温，得到中温干空气，将中温干空气输出到冷凝器；

冷凝器接收中温干空气，对中温干空气进行第二次升温，输出干热空气到循环风系统；

压缩机分别与冷凝器和蒸发器连接，用于将低温低压的制冷剂气体进行压缩，向冷凝器和蒸发器排出高温高压的制冷剂气体；

控制单元根据冷却塔冷却系统输出的空气的温湿度参数、预设的冷媒系统输出干热空气的温湿度参数、预先建立的冷媒系统数学模型，输出冷媒系统的参数，冷媒系统的参数包括冷凝器的传热面积、压缩机的实际功率、蒸发器的传热面积。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明在污泥低温干化方法的基础上，为冷凝过程建立了数学模型，在空气循环将湿污泥干化的过程中，根据废热空气的温度、湿含量、相对湿度，以及高温干空气的温度、湿含量、相对湿度，以及预先建立的冷媒系统数学模型，可以计算出冷媒系统的关键参数，该关键参数用于调整冷媒系统冷凝器、压缩机和蒸发器参数的调整，使得系统参数与实际需求相适应，提高了污泥低温干化机系统的工作效率，更加节能减排。另外，也能在工作中，指导冷媒系统冷凝器、压缩机和蒸发器的选型，节约成本。

附图说明：

图1为本发明一种污泥低温干化方法的原理框图；

图2为本发明实施例1中一种具体的污泥低温干化方法及系统的工作原理图；

图3为本发明实施例1中冷却塔冷却系统热传质数学三维模型简化为一维模型示意图；

图4为本发明实施例1中工质理论循环T-S图。

附图标记，1-干化室链网输送系统，2-冷却塔冷却系统，21-热回收器，22-水冷凝器，23-冷却塔，24-冷却水循环泵，3-冷媒系统，31-蒸发器，32-冷凝水，33-热回收器，34-压缩机，35-电子膨胀阀，36-冷凝器，4-循环风系统，5-干粮仓，6-提升可变频调节器。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种污泥低温干化方法的原理框图如图1所示，废热空气依次经过冷却系统、冷媒系统、循环风系统输出干热空气到干化室链网输送系统，整个过程循环进行，包括以下步骤：废热空气先经过制冷系统进行第一次凝露除湿，得到的空气再进入冷媒系统进行第二次凝露除湿并进行热交换提高空气的温度，再经过第二次除湿升温获得高温干空气，高温干空气通过循环风系统输送到干化室链网输送系统，该循环过程将干化室链网输送系统中的污泥进行了烘干处理。

一种具体的污泥低温干化方法及系统的工作原理图如图2所示。污泥低温干化机系统是将干化室里中温高湿的废热空气进入冷却塔冷却系统的热回收器进行第一次冷凝除湿，再进入冷媒系统中的蒸发器进行第二次冷凝除湿，得到的低温空气绝对含水量减少，此时的低温空气又回到热回收器中与热回收器中温空气进行能量交换，进行第一次升温，变成中温干空气，将中温干空气再输出到冷媒系统的冷凝器，进行第二次冷凝升温后，输出干热空气到循环风系统，循环风系统将干热空气吹到污泥表面，干热空气在干化室放热降温，带走湿污泥的水分，变成湿热空气输出到冷却塔制冷系统，反复循环。整个工作过程经过四个系统形成了制冷循环和空气循环，制冷循环是指冷媒系统内部的制冷剂经过压缩机压缩做功后转变为高温高压气体，在冷凝器内放热后进入蒸发器，在蒸发器内吸收干燥箱体内的水蒸气热量进入空气循环；空气循环是进干化室链网输送系统内的干热空气经过与物料直接接触后，吸收物料中的水分降低温度，再经过冷却塔冷却系统后在蒸发器内与制冷剂间接接触，两次降温凝露除去湿空气中的水分，最后与冷凝器间接接触吸收热量提高温度，输出干热空气，干热空气通过循环风系统再次进入干化室链网输送系统内。

由图2知道，干化室里中温高湿的废热空气进入冷却塔冷却系统的热回收器进行第一次冷凝除湿，本发明通过建立热传质数学模型，体现了冷却塔冷却系统的工作过程和原理。冷却塔冷却系统内包括了热回收器、水冷凝器、冷却塔和冷却水循环泵，废热空气经过热回收器后，进入水冷凝器升温，假设在水冷凝器中空气热质交换的过程中，水和空气是以理想稳态进行热质交换的，忽略流体、环境、以及冷却塔内部结构之间的热质传递。基于冷却塔逆流流型，把复杂的冷却塔冷却系统热传质数学三维模型简化成为一个如图3中所描述的一维模型，根据能量和质量守恒方程，得到冷却塔冷却系统热传质数学一维模型，如以下公式所示：

m_adh_a＝c_(p,w)d(m_wt_w)

dm_s＝m_add_a

其中，m_s为填料质量；d_a为空气质量，单位kg/s；h_a为空气焓值，单位kJ/kg，m_w为水流量单位kg/s，t_w为水温，单位℃，c_(p,w)为水的定压比热容，单位J/(kg℃)。

相应的，冷却塔冷却系统中空气侧的能量传递方程为：

其中，

其中，h_m为传热系数，单位为kg/(m²·s)；a为填料的表面积，单位为m²/m³；V是冷却塔内填料的体积，单位为m³；h_e为水温对应的饱和空气的焓，单位为kJ/kg。

同时，空气与水之间的传质方程为：

d_e为水温对应的饱和空气的含湿量，单位kJ/kg。

给定入口废热空气与水冷凝器相关参数(空气温湿度、流量，水温度流量)利用上述数学模型可求解出冷却塔冷却系统输出的空气的温湿度。

从冷却塔冷却系统输出的空气进入冷媒系统，进行第二阶段的处理。以下是针对冷媒系统的设计，根据输入冷媒系统空气的温度、湿含量和相对湿度，以及冷媒系统输出干热空气的温度、湿含量和相对湿度，通过预先建立的冷媒系统数学模型，可以调整冷媒系统的参数，使得系统参数与实际需求相适应，提高了污泥低温干化机系统的工作效率，节能减排，节约成本。

干燥的对象是污泥，其初始的含水率为80％左右记为X1，而根据生产需求污泥处理后的含水率约为10％记为X2，污泥初始总质量记为M₁，干燥后污泥的质量记M₂，则可以得到：

则污泥的平均脱水量为：

其中，t为干燥的时长。在实际工业生产中污泥初始质量M1＝1000kg，t＝24h，根据上述公式可以计算得到M2＝222.2kg，y＝32.4kg/h。根据干燥工艺需求干化室内的温度应该达到80℃左右，高温低湿的干热空气进入干化室对污泥进行干燥除湿，该过程是一个等焓绝热的增湿过程。设计送风温度为T＝80℃，相对湿度Φ＝10％，由空气状态点的焓湿变化规律可以得到循环风系统的排风量

其中，Δd是焓湿变化，一般情况下焓湿变化根据不同地域需求计算，这里采用一个均值L＝3100kg/h。

循环风系统的主要参数是循环率，循环率是通过联络巷道的循环风量与循环区域内通过工作面的总风量之比得到的，根据下面公式：

R1为入口风阻；R2为管道风阻；R3为出口风阻；P3为系统进口总风量；P1为无循环通风时系统风量；P2为循环风量；f—循环率。可以计算出从冷媒系统到循环风系统需要的总风量，同时通过循环风系形成一个稳定的出风量，为干化室提供所需要的干热风源。

废热空气进入冷凝器时其温度设定为t2＝20℃，湿含量d2＝15g/kg，相对湿度Φ2＝10％，空气经过冷媒系统后的温度由上述需求可知为t3＝80℃，相对湿度Φ3＝10％，湿含量d3＝15/kg，根据冷凝器出口温度和其系统温差6℃设计，则冷凝温度t4为86℃。可得到冷凝器的平均温差：

由前面计算的风量可得到风速为风量与其管道的横截面积之比V＝8m/s，传热系数k＝30w/(m2 k)，则冷凝器传热面积为：

其中，Q_out＝Q₁+W_yM，其中W_y为压缩机实际功耗，Q₁为蒸发器吸收的热量，再得到二者的数学模型，即可完成冷凝器的参数设计，从而指导冷凝器的选型。

由前面确定冷凝温度比冷凝器出口温度高6℃，即约为86℃，蒸发温度约为25℃。假定蒸发器出口都是饱和气体，而在冷凝器出口全部为饱和液体，如图4所示，若制冷剂选择R22型号，再根据R22性能参数可得到：

a处压力p1＝1000kpa,比热容v1＝0.025m³/kg,焓h1＝450kJ/kg，熵s1＝1.80kJ/(kg*k)；

b处压力p2＝3100kpa,焓h2＝469kJ/kg，熵s2＝s1＝1.80kJ/(kg*k)；

c处压力p3＝3100kpa,焓h3＝348kJ/kg；

D处压力p4＝1000kpa,焓h3＝h4＝348kJ/kg。

单位R22在蒸发器中吸收的热量为：Q2＝h1-h4＝450-348＝102kJ/kg。

蒸发器吸收废热循环风的总热量Q1等于Q2与R22所用质量的乘积。

实际压缩机的等熵效率为η＝60％，则实际功耗：

通过计算可得出压缩机的实际功率，即可对压缩机的实际功率进行设置，或者对压缩机的型号选择做理论指导。

废热空气进过冷却塔系统第一次冷凝除湿之后，进入蒸发器时的温度t5＝32℃，相对湿度Φ3＝40％，空气出蒸发器时温度t6＝15℃，相对湿度为Φ4＝10％。在实际工况中蒸发器内部温度要比其出口的温度低5℃，则蒸发温度为t7＝10℃,可得其内部平均传热温差：

由传热系数k＝25W/(m²·k)，则蒸发器的传热面积为

确定蒸发器的传热面积即达到建模从而指导蒸发器的选型。

实施例2

基于相同的构思，本发明还提出了一种污泥低温干化系统，包括干化室链网输送系统、制冷系统、冷媒系统和循环风系统，如图2所示。

制冷系统用于将湿污泥的废热空气进行第一次冷凝除湿，接收湿污泥的废热空气，输出第二废热空气；

冷媒系统接收第二废热空气，用于将第二废热空气依次经过第二次冷凝除湿，第一次升温，第三次冷凝和第二次升温，输出高温干空气到循环风系统；

循环风系统接收高温干空气，用于将高温干空气输出到干化室链网输送系统，循环风系统还用于为空气在干化室链网输送系统、制冷系统、冷媒系统和循环风系统中依次流通提供动力；

干化室链网输送系统将湿污泥传输到干化室中，使得循环风系统输入的高温干空气与干化室中的湿污泥产生进行热质交换，输出废热空气到冷却系统。

作为优选方案，冷媒系统包括：蒸发器、热回收器、冷凝器、压缩机和控制单元，

蒸发器接收第二废热空气，用于将第二废热空气进行第二次冷凝除湿，输出低温空气到热回收器；

热回收器将低温空气进行第一次升温，得到中温干空气，将中温干空气输出到冷凝器，热回收器还用于接收第二低温空气，对第二低温空气进行第二次升温，输出高温干空气到循环风系统；

冷凝器接收中温干空气，对中文干空气进行第三次冷凝，输出第二低温空气到热回收器中；

压缩机分别与冷凝器和蒸发器连接，用于将低温低压的制冷剂气体进行压缩，向冷凝器和蒸发器排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力；

控制单元根据废热空气的温度、湿含量、相对湿度，以及高温干空气的温度、湿含量、相对湿度，通过预先存储的冷媒系统数学模型，输出冷媒系统的参数，冷媒系统的参数包括冷凝器的传热面积、压缩机的实际功率、蒸发器的传热面积。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种污泥低温干化方法，其特征在于，步骤包括：

S1，将湿污泥的废热空气输入冷却系统，通过所述冷却系统进行第一次冷凝除湿，输出第二废热空气；

S2，将所述第二废热空气送入冷媒系统，所述第二废热空气在冷媒系统中，依次经过第二次冷凝除湿，第一次升温和第二次升温，输出干热空气到循环风系统；

S3，所述干热空气通过循环风系统输出到干化室链网输送系统，所述干热空气与所述干化式链网输送系统中的湿污泥进行热质交换，输出废热空气到所述冷却系统；

S4，经过步骤S1-S3的反复循环，将所述干化式链网输送系统中的湿污泥干化；

在上述过程中，通过预先建立冷却塔冷却系统热传质数学模型，求解出冷却塔冷却系统输出的空气的温湿度参数；通过所述冷却塔冷却系统输出的空气的温湿度参数、预设的冷媒系统输出干热空气的温湿度参数、预先建立的冷媒系统数学模型，调整所述冷媒系统的参数。

2.根据权利要求1所述的一种污泥低温干化方法，其特征在于，所述冷媒系统数学模型是Q_out＝Q₁+W_y，其中，Q₁是所述冷媒系统中蒸发器吸收的热量，W_y为所述冷媒系统中压缩机的实际功耗，Q_out是所述冷媒系统中冷凝器输出的热量。

3.根据权利要求2所述的一种污泥低温干化方法，其特征在于，所述冷媒系统的参数包括：冷凝器传热面积、压缩机的实际功率、蒸发器的传热面积。

4.根据权利要求3所述的一种污泥低温干化方法，其特征在于，所述冷凝器传热面积的计算公式为：

其中，Q₁是所述冷媒系统中蒸发器吸收的热量，W_y为所述冷媒系统中压缩机的功耗，k是传热系数，Δt所述冷媒系统中冷凝器的平均温差。

5.根据权利要求4所述的一种污泥低温干化方法，其特征在于，所述冷凝器的平均温差计算公式为：

其中，Δt冷媒系统中冷凝器的平均温差，t₂是所述第二废热空气进入所述冷媒系统的冷凝器时其温度，t₃是从所述冷媒系统中输出干热空气，t₄经过第二次冷凝除湿后的温度。

6.根据权利要求3所述的一种污泥低温干化方法，其特征在于，所述压缩机的实际功耗计算公式为：

其中，Q₁是冷媒系统中蒸发器吸收废热空气的总热量，Q₂是每公斤制冷剂在冷媒系统中蒸发器中吸收的热量，h₁是当压力值为1000kpa时，制冷剂中焓的含量，h₂当压力值为3100kpa时，制冷剂中焓的含量，η定义是压缩机的等熵效率。

7.根据权利要求3所述的一种污泥低温干化方法，其特征在于，蒸发器的传热面积计算公式是

其中，Q₁是冷媒系统中蒸发器吸收的热量，k是传热系数，Δt'冷媒系统中蒸发器的平均温差。

8.根据权利要求7所述的一种污泥低温干化方法，其特征在于，冷媒系统中蒸发器的平均温差计算公式为：

其中，Δt'冷媒系统中蒸发器的平均温差，t₅是废热空气进过冷却塔系统第一次冷凝除湿之后，进入蒸发器时的温度，t₆是空气出蒸发器时的温度、t₇蒸发器蒸发温度。

9.一种污泥低温干化系统，其特征在于，包括干化室链网输送系统、制冷系统、冷媒系统和循环风系统，

所述制冷系统用于将湿污泥的废热空气进行第一次冷凝除湿，接收湿污泥的废热空气，输出第二废热空气；

所述冷媒系统接收所述第二废热空气，用于将所述第二废热空气依次经过第二次冷凝除湿，第一次升温和第二次升温，输出干热空气到循环风系统；

所述循环风系统接收所述干热空气，用于将所述干热空气输出到所述干化室链网输送系统，所述循环风系统还用于为空气在所述干化室链网输送系统、制冷系统、冷媒系统和循环风系统中依次流通提供动力；

所述干化室链网输送系统将湿污泥传输到干化室中，使得循环风系统输入的所述干热空气与干化室中的湿污泥进行热质交换，输出废热空气到所述冷却系统；

所述冷媒系统的参数通过所述冷却塔冷却系统输出的空气的温湿度参数、预设的冷媒系统输出干热空气的温湿度参数、预先建立的冷媒系统数学模型进行调整；所述冷却塔冷却系统输出的空气的温湿度参数通过预先建立冷却塔冷却系统热传质数学模型和所述湿污泥的废热空气的温湿度参数求得。

10.根据权利要求9所述的一种污泥低温干化系统，其特征在于，所述冷媒系统包括：蒸发器、热回收器、冷凝器、压缩机和控制单元，

所述蒸发器接收所述第二废热空气，用于将所述第二废热空气进行第二次冷凝除湿，输出低温空气到热回收器；

所述热回收器将所述低温空气进行第一次升温，得到中温干空气，将所述中温干空气输出到冷凝器；

所述冷凝器接收所述中温干空气，对所述中温干空气进行第二次升温，输出干热空气到所述循环风系统；

所述压缩机分别与所述冷凝器和所述蒸发器连接，用于将低温低压的制冷剂气体进行压缩，向所述冷凝器和所述蒸发器排出高温高压的制冷剂气体；

所述控制单元根据所述冷却塔冷却系统输出的空气的温湿度参数、预设的冷媒系统输出干热空气的温湿度参数、预先建立的冷媒系统数学模型，输出所述冷媒系统的参数，所述冷媒系统的参数包括所述冷凝器的传热面积、所述压缩机的实际功率、所述蒸发器的传热面积。

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