CN112028443A - 热能利用集成装置、物料干化***及干化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固废处理技术领域，公开了一种热能利用集成装置、物料干化***及干化方法。本发明壳体内由封隔板分隔为三个独立、水平并排设置的腔体，腔体内分别设置有乏汽回热模块、热能提升转化模块和热风吸热模块，循环介质通过热能提升转化模块在乏汽回热模块和热风吸热模块之间独立循环。本发明循环热效率高，能耗低，***运行稳定性好。

Description

热能利用集成装置、物料干化***及干化方法

技术领域

本发明涉及固废处理技术领域，特别是涉及一种热能利用集成装置、物料干化***及干化方法。

背景技术

物料干化是食品加工处置、固废处置、矿山浆液处置等过程中，化工生产的重要环节和关键技术。为了满足废水排放要求,工业、加工制造业生产过程中产生的高温废水需要进行降温处理,不但浪费了大量的水资源,也浪费了大量热能。

而目前污泥固废的处置方式常用的就是耦合大型燃煤锅炉处置，工艺路线主要有直接掺烧和干化掺烧两种，干化掺烧又以蒸汽干化和热风干化两种为主流工艺。

传统蒸汽圆盘污泥干化工艺具有技术成熟、处理能力强、对环境影响小、占地小等优点；传统热风干化工艺具有技术成熟，热源品质要求较低，物料适应能力强等优点。但无论热风干化还是蒸汽干化，高能耗成为该技术的发展掣肘，很大程度上降低了该工艺在市场上的竞争力。

目前已出现两段式蒸汽-热风余热利用污泥干化工艺，通过闪蒸设备将高温高压蒸汽冷凝水闪蒸成低温低压蒸汽，用于热风再加热，实现二级能量梯级利用***，该工艺可节省蒸汽，达到节能目的，但在实际生产运行角度而言，存在对进料污泥局限性大，且热风干化***的高含尘循环热风直接进入蒸汽干化***的乏汽回热器中与含尘乏汽换热，导致乏汽回热器经常堵塞；据工程现场调研，回热换热器需每星期停运清洗一次，难以实现大型工业化的连续运转。

发明内容

本发明提供一种循环热效率高，能耗低，***运行稳定性好的热能利用集成装置、物料干化***及干化方法。

解决的技术问题是：现有的废物处理***中余热利用率低，***运行能耗大，余热利用***管道结构复杂，维修成本较大。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明热能利用集成装置，包括壳体，其特征在于：所述壳体内分为三个独立、水平并排设置的腔体，腔体内分别设置有乏汽回热模块、热能提升转化模块和热风吸热模块，循环介质通过热能提升转化模块在乏汽回热模块和热风吸热模块之间独立循环；

乏汽回热模块包括位于腔体内的乏汽换热装置，热风吸热模块包括位于腔体内的热风换热装置，热能提升转化模块包括热泵，热泵的循环介质低温出口通过低介进管与乏汽换热装置中循环介质的第一进口连接，循环介质的第一出口通过低介回管与热泵的循环介质的低温进口连通，热泵的循环介质高温出口通过高介进管与热风换热装置中循环介质的第二进口连通，第二出口通过回液管与低介进管连通；低介进管、低介回管、高介进管和回液管上分别串联有增压泵。

本发明热能利用集成装置，进一步的，所述乏汽换热装置顶部设置有用于冲洗乏汽流通管道的第一在线清洗装置，热风换热装置顶部设置有用于冲洗热风流通管道的第二在线清洗装置。

本发明热能利用集成装置，进一步的，所述第一在线清洗装置包括设置在乏汽流通管道内的高压喷嘴，靠近乏汽出口设置，高压喷嘴通过软管与清洗水源连接，软管上串联有电磁阀，电磁阀的信号输出端与电控***的信号输入端电连接。

本发明利用热能利用集成装置的物料干化***，还包括蒸汽干化***和热风干化***，

蒸汽干化***包括至少一个蒸汽干化机，以及乏汽冷凝器，蒸汽干化机的出汽口依次与热能利用集成装置中的乏汽换热装置和乏汽冷凝器串连，

热风干化***包括至少一个热风干化机，以及热风冷凝器和热风再热器，热风干化机出气口通过管道依次与热风冷凝器、热能利用集成装置中的热风换热装置和热风再热器串联，热风再热器的出汽口与热风干化机的热风进口连通。

本发明物料干化***，进一步的，所述蒸汽干化机的出汽口通过管道与乏汽换热装置的乏汽进口连通，乏汽出口通过管道与乏汽冷凝器连接；热风干化机的出气口与热风冷凝器的热源进口连通，热风冷凝器的热源出口与热风换热装置的热风进口连通，热风换热装置的热风出口与热风再热器的进气口连通。

本发明物料干化***，进一步的，所述蒸汽干化机的疏水出口通过第一并管与热风换热装置的热风进口连通。

本发明物料干化***，进一步的，所述热风再热器的疏水出口通过第二并管与热风换热装置的热风进口连通。

本发明物料干化***的干化方法，包括以下步骤：

步骤一、湿物料进入蒸汽干化机蒸干，含有杂质的高温蒸汽进行余热回收降温后，进行冷凝，回收的余热进入热能利用集成装置进行热能再利用；

步骤二、湿物料进入热风干化机干燥，含有杂质和水汽的热风进行降温除水后再次进行预热和加热，然后送入热风干化机循环干化湿物料，预热过程中利用热能利用集成装置中热泵回收升温后的热能进行加热。

本发明干化方法，进一步的，步骤一具体包括以下步骤：

1.1、湿物料被高温蒸汽加热蒸发，蒸干后排出蒸汽干化机；

1.2、干化乏汽在热能利用集成装置中进行热能回收，与乏汽换热装置中的循环介质热交换降温，循环介质从乏汽换热装置中回收余热后进入热泵，热泵将部分循环介质加热后送至热风吸热模块再利用，剩余部分循环介质降温后送回乏汽换热装置循环吸热；

1.3、回收热能的干化乏汽冷却后排出蒸汽干化***，进行后续处理。

本发明干化方法，进一步的，步骤二具体包括以下步骤：

2.1、湿物料经过高温热风加热干燥，干化后排出热风干化机；

2.2、蒸发出的含有杂质和水汽的热风降温冷却以除去热风中的大量水汽和杂质；

2.3、冷却干燥后的热风进入热风换热装置，利用经过热能提升转化模块处理后的热能进行预热；

2.4、预热的热风在热风再热器中与高温蒸汽换热，升温后再进入热风干化机，循环利用。

本发明热能利用集成装置、物料干化***及干化方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明热能利用集成装置中将乏汽回热、热风预热和连接的热能循环***一体化设置，集乏汽热能回收和热风预热于一体，用于连接蒸汽干化和热风干化两条处理线，实现热能的循环利用。

本发明使用的热泵为增温型热泵，将从乏汽换热装置中回收的热能集中至一部分循环介质中送至热风换热装置中作为热源对冷却干燥的热风进行预热，剩余部分降温后的循环介质重新送回乏汽换热装置中，循环吸收热能，实现了热能回收利用的循环连续运转。可广泛适用于固废处理、制药及食品行业等。本发明物料干化***包括蒸汽干化和热风干化两段处理线，各自产生的含有大量杂质的高温蒸汽分别处理，并利用热泵回收利用蒸汽干化***中的乏汽热能，将其引入热风干化***中，为干燥冷却的热风进行预热，为热风的循环使用提供保障，大大降低了热风循环所耗费的热能，降低了整体干化***的能耗损失，提高了热能的利用率和循环热效率。

本发明中循环介质有着独立的循环***，与蒸汽干化***中的乏汽和热风干化***中的热风均为非接触换热，循环介质中不会融入杂质，有效避免了乏汽回热器和热风预热器的堵塞，提高了***运行的稳定性和连续性，也有效提高了热能利用率，大幅度降低了污泥干化的能耗。

下面结合附图对本发明的热能利用集成装置、物料干化***及干化方法作进一步说明。

附图说明

图1为本发明热能利用集成装置的结构示意图；

图2为物料干化***的连接结构示意图。

附图标记：

1-壳体；11-封隔板；12-第一在线清洗装置；13-第二在线清洗装置；2-乏汽换热装置；3-热风换热装置；4-热泵；41-低介进管；42-低介回管；43-高介进管；44-回液管；5-蒸汽干化机；51-乏汽冷凝器；6-热风干化机；61-热风冷凝器；7-热风再热器；81-第一并管；82-第二并管；9-湿物料储仓。

具体实施方式

如图1所示，本发明热能利用集成装置包括壳体1，壳体1内通过封隔板11分为三个独立、水平并排设置的腔体，三个腔体内分别设置有乏汽回热模块、热能提升转化模块和热风吸热模块，乏汽回热模块和热风吸热模块通过热能提升转化模块连通，循环介质通过热能提升转化模块在乏汽回热模块和热风吸热模块之间独立循环。

乏汽回热模块包括位于腔体内的乏汽换热装置2，乏汽换热装置2为非接触式的间接换热装置，乏汽换热装置2的乏汽出口和乏汽进口分别位于壳体1的上端和下端，循环介质的进出口位于乏汽回热模块与热能提升转化模块之间的封隔板11上，包括上方的第一进口和下方的第一出口，用于与热能提升转化模块连接以输送循环介质。

乏汽换热装置2顶部设置有用于冲洗乏汽流通管道的第一在线清洗装置12。

第一在线清洗装置12包括设置在乏汽流通管道内的高压喷嘴，靠近乏汽出口设置，高压喷嘴通过软管与清洗水源连接，软管上串联有电磁阀，电磁阀的信号输出端与电控***的信号输入端电连接，电控***通过控制电磁阀的开闭程度，将清洗水通过高压喷嘴喷入乏汽流通管道内，对管道内壁进行实时在线冲洗，冲洗水自由下落，与乏汽的冷凝水汇合后排出乏汽换热装置2，可在装置正常工作时在线使用，可有效避免乏汽中的杂质在管壁上积留，造成堵塞，以免影响装置的运行稳定性。

热风吸热模块包括位于腔体内的热风换热装置3，热风换热装置3为非接触式的间接换热装置，热风换热装置3的热风进口和热风出口分别位于壳体1的上端和下端，循环介质的进出口位于热风吸热模块与热能提升转化模块之间的封隔板11上，包括下方的第二进口和上方的第二出口，用于与热能提升转化模块连接以输送循环介质；与封隔板11相对的一侧壳体1侧壁上还开设有补充介质进口和补充介质出口，用以补充高温的循环介质，作为补充热量用以加热通过热风换热装置3的干燥热风，同时可以将多余的循环介质排出热能利用集成装置。

热风换热装置3顶部设置有用于冲洗热风流通管道的第二在线清洗装置13。第二在线清洗装置13的结构与第一在线清洗装置12相同。

乏汽换热装置2与热风换热装置3中的循环介质相同，在整个集成装置中独立循环，进行吸热和放热，循环介质可以为一切具有流动性和储热能力的流体，通过热泵4在乏汽换热装置2与热风吸热模块之间循环流通。

热能提升转化模块位于两块封隔板11之间，包括热泵4，热泵4为增温型热泵4，热泵4的循环介质低温出口通过低介进管41与乏汽换热装置2的第一进口连接，乏汽换热装置2的第一出口通过低介回管42与热泵4的循环介质的低温进口连通，热泵4的循环介质高温出口通过高介进管43与热风换热装置3的第二进口连通，第二出口通过回液管44与低介进管41连通，将在热风换热装置3内换热降温的循环介质合并送回乏汽换热装置2中吸收热量；低介进管41、低介回管42、高介进管43和回液管44上分别串联有增压泵。

本领域内通常使用的增温型热泵4中，低温的余热水、高温的热源水与冷却介质三路***相互独立，互不干扰。而本申请中，低温的余热水与高温的热源水为相同的介质，并且在热泵4的循环***中是相通的，也就是本发明中所述的循环介质。通过乏汽换热装置2与热风换热装置3中合理的换热温差控制，使得热泵4的热源水回水降温至与余热水回水温度相同的温度，充分利用了常规增温型热泵4热源水回水高出余热水回水温度所对应的能量，提高了乏汽换热装置2整体能量回收率。具体可以使用改装后的热泵4，也可将现有热泵4做使用上的创新，以现有热泵4为例，将余热水的出口与热源水的进口通过管道连通使用，即可实现本发明所述的作用和功能。

本发明中将低温的余热水和高温的热源水连通，整合为循环介质，与增温型热泵4的常规使用方法相比，热能利用率和转化效率更高。在常规使用热泵4的方法中，其回液管44的温度不会小于低阶回管的温度，即高介进管43到回液管44的要小于本发明中的两管之间的温差，本发明所述的***中，能够实现在热风换热装置3中的更大降温，热能利用率更高。此外，回液管44到低阶回管的部分温升是通过乏汽换热装置2实现的能量转化，其转化效率要远高于常规热泵4所能实现的。

如图2所示，本发明一种物料干化***，利用上述热能利用集成装置，还包括蒸汽干化***和热风干化***，蒸汽干化***包括至少一个蒸汽干化机5，以及乏汽冷凝器51，蒸汽干化机5的进料口与湿物料储仓9连通，出汽口依次与热能利用集成装置和乏汽冷凝器51串连，本实施例中使用的蒸汽干化机5为转盘式非接触的干化机。

本发明所述物料干化***可广泛适用于固废处理、制药及食品行业等。本实施例中以湿污泥的干化***和干化方法为例进行说明。

湿污泥中蒸发出来的大量含有杂质的高温蒸汽在热能利用集成装置中通过热交换降温；出汽口通过管道与热能利用集成装置中的乏汽换热装置2的乏汽进口连通，降温后的乏汽再次进入乏汽冷凝器51，热能利用集成装置的乏汽出口通过管道与乏汽冷凝器51连接，与通入乏汽冷凝器51的冷却介质进行换热冷却，冷凝后的乏汽可送至锅炉进行焚烧处理。蒸汽干化机5可以多个组合并联或串联使用，通入的高温蒸汽可以引用电厂的饱和蒸汽。

热风干化***包括至少一个热风干化机6，以及热风冷凝器61和热风再热器7，热风干化机6的进料口与湿物料储仓9连通，出气口通过管道依次与热风冷凝器61、热能利用集成装置和热风再热器7串联，热风再热器7的出汽口与热风干化机6的热风进口连通，热风干燥循环后返回热风干化机6循环利用。

热风干化机6的出气口与热风冷凝器61的热源进口连通，在热风冷凝器61内与冷却介质换热降温，以除去大量从湿污泥中蒸发出来的水分；热风冷凝器61的热源出口与的热风换热装置3的热风进口连通，冷却后的热风进入热风换热装置3中进行预热升温，热风换热装置3的热风出口与热风再热器7的进气口连通，与热风再热器7内的高温蒸汽换热升温，变成高温热风后重新进入热风干化机6内循环利用。

蒸汽干化机5的疏水出口通过第一并管81与热能利用集成装置中的热风进口连通，将蒸汽干化机5中高温蒸汽换热后产生的疏水送入热风吸热模块中作为热源再次进行利用。

热风再热器7的疏水出口通过第二并管82与热能利用集成装置中的热风进口连通，可将热风再热器7中高温蒸汽换热后产生的疏水送入热风吸热模块中作为热源再次进行利用。

除此之外，热风干化机6的进料口还可以直接与蒸汽干化机5的出料口连通，直接处理经过蒸汽干化后的半干污泥，进行进一步的污泥干化。

以上述湿污泥的干化***为例，说明本发明物料干化***的干化方法，具体包括以下步骤：

步骤一、湿物料进入蒸汽干化机5蒸干，含有杂质的高温蒸汽进行余热回收降温后，进行冷凝，回收的余热进入热能利用集成装置进行热能再利用；

1.1、含水率在60-80%的湿污泥物料，送至蒸汽干化机5内，被高温蒸汽加热蒸发，蒸干至含水率30-50%排出蒸汽干化机5，从物料中蒸发出来的含有杂质的干化乏汽为100℃左右；

1.2、干化乏汽在热能利用集成装置中进行热能回收，与乏汽换热装置2中的循环介质热交换降温，乏汽换热装置2中回收的余热，则送至热能提升转化模块，进行再利用；

在乏汽换热装置2中，100℃左右的干化乏汽与60℃左右的循环介质换热，循环介质升温至75℃左右后被送至热能提升转化模块的热泵4；在热泵4内，25%左右的循环介质被转化为95℃左右高温的循环介质，送入热风换热装置3中，作为热源对干燥冷却的热风进行预热，剩余75%左右低温的循环介质降温至60℃左右后，送回乏汽换热装置2，作为循环介质继续吸热循环。

1.3、回收热能的干化乏汽通过乏汽冷凝器51冷却至50℃左右排出蒸汽干化***，送至锅炉进行焚烧处理。

步骤二、湿物料进入热风干化机6干燥，含有杂质和水汽的热风进行降温除水后再次进行预热和加热，然后送入热风干化机6循环干化污泥物料；

2.1、污泥物料经过高温热风加热干燥，干化后的污泥排出热风干化机6，蒸发出60℃左右的热风含有大量杂质和水汽；

进入热风干化机6的污泥物料可以为含水率在60-80%的湿污泥物料，也可以是经过步骤一中蒸汽干化机5蒸干后的含水率30-50%的一次干化污泥，在热风干化机6中与110℃左右的热风接触，加热蒸发，可分别被蒸干至含水率在40-50%和含水率在5-20%后排出热风干化机6。

2.2、在热风干化机6中蒸发出的含有杂质和水汽的热风在热风冷凝器61中降温冷却，热风中含有的大量水汽冷凝后排出，排出的冷凝水会携带有大量的杂质，会大量减少进入热能利用集成装置的热风中的杂质含量，避免***阀门或管路堵塞。

2.3、冷却干燥后的热风进入热风换热装置3，与高温的循环介质进行换热升温，利用经过热能提升转化模块处理后的热能进行预热；

在步骤1.2中，被热泵4加热至95℃左右的循环介质，被送至热风吸热模块中，与干燥冷却的热风换热，降温至60℃左右的循环介质被送回乏汽换热装置2重新吸热循环利用。

步骤一中蒸汽干化机5产生的60℃左右的疏水也可作为热源直接送至热风吸热模块中进行余热利用。

2.4、预热后的80-90℃左右的热风在热风再热器7中与高温蒸汽换热，升温至110℃左右再进入热风干化机6，循环利用；

热风再热器7中通入引自电厂的200℃左右的高温蒸汽，将热风加热至110℃左右送至热风干化机6循环利用。

热风再热器7产生的60℃左右的疏水也可作为热源直接送至热风吸热模块中进行余热利用。

图2所示的***，只列举了典型组合方式下的参数数值，并不能作为鉴定该***工艺的数据标准；举例的***中所述的温度数值上下浮动20%内的所有数据范围均在该工艺可实现范围内。

匹配工艺可满足组1台出力100t/d蒸汽污泥干化机(污泥含水率从60%降至40%)和1台出力100t/d蒸汽污泥干化机(泥含水率从80%降至40%)的余热全部回收，仅需增加1.8t/h的新蒸汽即可满足1台出力200t/d热风污泥干化机(泥含水率从60%降至40%)的干化需求。此工艺单位脱水蒸汽耗量约1.25t/t左右；比传统蒸汽干化至少节省蒸汽消耗量50％，比传统热风干化节省能耗约65%；故本发明的多段式热能梯级再利用***比传统污泥干化工艺至少节能50％以上；此外由于本工艺设置了独立的循环换热***相对于现有的两段式物料干化***本工艺可实现长时间稳定连续运行。以上数据只是列举了基于该具体***的能效分析。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.热能利用集成装置，包括壳体（1），其特征在于：所述壳体（1）内分为三个独立、水平并排设置的腔体，腔体内分别设置有乏汽回热模块、热能提升转化模块和热风吸热模块，循环介质通过热能提升转化模块在乏汽回热模块和热风吸热模块之间独立循环；

乏汽回热模块包括位于腔体内的乏汽换热装置（2），热风吸热模块包括位于腔体内的热风换热装置（3），热能提升转化模块包括热泵（4），热泵（4）的循环介质低温出口通过低介进管（41）与乏汽换热装置（2）中循环介质的第一进口连接，循环介质的第一出口通过低介回管（42）与热泵（4）的循环介质的低温进口连通，热泵（4）的循环介质高温出口通过高介进管（43）与热风换热装置（3）中循环介质的第二进口连通，第二出口通过回液管（44）与低介进管（41）连通；低介进管（41）、低介回管（42）、高介进管（43）和回液管（44）上分别串联有增压泵。

2.根据权利要求1所述的热能利用集成装置，其特征在于：所述乏汽换热装置（2）顶部设置有用于冲洗乏汽流通管道的第一在线清洗装置（12），热风换热装置（3）顶部设置有用于冲洗热风流通管道的第二在线清洗装置（13）。

3.根据权利要求2所述的热能利用集成装置，其特征在于：所述第一在线清洗装置（12）包括设置在乏汽流通管道内的高压喷嘴，靠近乏汽出口设置，高压喷嘴通过软管与清洗水源连接，软管上串联有电磁阀，电磁阀的信号输出端与电控***的信号输入端电连接。

4.利用权利要求1-3任意一项所述的热能利用集成装置的物料干化***，其特征在于：还包括蒸汽干化***和热风干化***，

蒸汽干化***包括至少一个蒸汽干化机（5），以及乏汽冷凝器（51），蒸汽干化机（5）的出汽口依次与热能利用集成装置中的乏汽换热装置（2）和乏汽冷凝器（51）串连，

热风干化***包括至少一个热风干化机（6），以及热风冷凝器（61）和热风再热器（7），热风干化机（6）出气口通过管道依次与热风冷凝器（61）、热能利用集成装置中的热风换热装置（3）和热风再热器（7）串联，热风再热器（7）的出汽口与热风干化机（6）的热风进口连通。

5.根据权利要求4所述的物料干化***，其特征在于：所述蒸汽干化机（5）的出汽口通过管道与乏汽换热装置（2）的乏汽进口连通，乏汽出口通过管道与乏汽冷凝器（51）连接；热风干化机（6）的出气口与热风冷凝器（61）的热源进口连通，热风冷凝器（61）的热源出口与热风换热装置（3）的热风进口连通，热风换热装置（3）的热风出口与热风再热器（7）的进气口连通。

6.根据权利要求4所述的物料干化***，其特征在于：所述蒸汽干化机（5）的疏水出口通过第一并管（81）与热风换热装置（3）的热风进口连通。

7.根据权利要求4所述的物料干化***，其特征在于：所述热风再热器（7）的疏水出口通过第二并管（82）与热风换热装置（3）的热风进口连通。

8.权利要求4所述的物料干化***的干化方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、湿物料进入蒸汽干化机（5）蒸干，含有杂质的高温蒸汽进行余热回收降温后，进行冷凝，回收的余热进入热能利用集成装置进行热能再利用；

步骤二、湿物料进入热风干化机（6）干燥，含有杂质和水汽的热风进行降温除水后再次进行预热和加热，然后送入热风干化机（6）循环干化湿物料，预热过程中利用热能利用集成装置中热泵（4）回收升温后的热能进行加热。

9.根据权利要求8所述的干化方法，其特征在于：步骤一具体包括以下步骤：

1.1、湿物料被高温蒸汽加热蒸发，蒸干后排出蒸汽干化机（5）；

1.2、干化乏汽在热能利用集成装置中进行热能回收，与乏汽换热装置（2）中的循环介质热交换降温，循环介质从乏汽换热装置（2）中回收余热后进入热泵（4），热泵（4）将部分循环介质加热后送至热风吸热模块再利用，剩余部分循环介质降温后送回乏汽换热装置（2）循环吸热；

1.3、回收热能的干化乏汽冷却后排出蒸汽干化***，进行后续处理。

10.根据权利要求8所述的干化方法，其特征在于：步骤二具体包括以下步骤：

2.1、湿物料经过高温热风加热干燥，干化后排出热风干化机（6）；

2.2、蒸发出的含有杂质和水汽的热风降温冷却以除去热风中的大量水汽和杂质；

2.3、冷却干燥后的热风进入热风换热装置（3），利用经过热能提升转化模块处理后的热能进行预热；

2.4、预热的热风在热风再热器（7）中与高温蒸汽换热，升温后再进入热风干化机（6），循环利用。

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