CN101671107B - 一种太阳能烟囱污泥干燥方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能烟囱污泥干燥方法及装置。该装置包括太阳能集热棚、太阳能烟囱、轴流风机、螺旋污泥干燥机。太阳能集热棚由透光板和集热板围成密闭空腔；太阳能集热棚与太阳能烟囱连通，太阳能烟囱包括烟囱管道和固定支架，烟囱管道采用下大上小的锥形结构；太阳能烟囱通过入口管与轴流风机连通，轴流风机密封壳体内设有转轴和叶片，转轴为空心轴，伸入螺旋污泥干燥机壳体内。该方法通过太阳能集热棚温室技术收集太阳能，使空气在太阳能烟囱内产生流动，流动空气动力在轴流风机中形成旋转动力，再由转轴带动螺旋污泥干燥机，利用空气间壁传热技术对含水污泥进行干燥。本发明利用太阳来干燥含水污泥，节能节电，并达到固体废弃物处理效果。

Description

一种太阳能烟囱污泥干燥方法及装置

技术领域

本发明涉及太阳能的利用和污泥干燥领域，具体涉及一种太阳能烟囱污泥干燥方法及装置。

背景技术

化石燃料的使用破坏了环境与生态，同时其有限的储存也是人类面临的极大挑战。太阳热能是取之不尽的可再生能源，它的探索和利用对实现人类社会与自然的可持续发展有着重要意义，可以克服目前燃料供给的不可持续性矛盾，必将成为世界经济发展新的增长点，具有广阔市场前景。

污泥是生活和工业污水处理的副产物，这种副产物富含微生物、病原体、病毒等，具有较强的污染性质，如果处置不当，会形成广泛的污染传播。污泥干燥目的有(1)减小污泥体积，方便运输和处理；(2)降低污泥运输和最终处置成本；(3)改善污泥的外观，使其达到卫生稳定化处理；(4)能源化利用，污泥干燥后表面水份去除，热值相当于褐煤，具有较大的能源利用价值。污泥干燥方式通常有热能干燥和太阳能干燥。热能干燥有分直接干燥和间接干燥。直接干燥是用燃烧后的烟气加热污泥，使污泥水份溢出，这会增加烟气量，导致烟气的处理成本增加。间接干燥是烟气或蒸汽通过间壁加热方式加热污泥，使水份溢出，这种间壁加热式传热效率略低。太阳能干燥现在主要利用温室棚加热污泥，利用了自然能源，成本低，但臭气较难收集，干燥的效率较低。

现有的太阳能烟囱技术主要用于发电，其基本原理是利用太阳能集热棚加热空气以及烟囱产生上曳的气流效应，驱动空气涡轮机带动发电机发电。驱动涡轮发电机所需的热空气是通过集热棚的温室效应产生的。集热棚由半透明的棚顶和支撑结构组成，半透明的棚顶材料通常为玻璃、聚碳酸酯或塑料膜，支撑结构采用混凝土或钢支架。

发明内容

本发明专利的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种节能、环保的利用太阳能强化干燥污泥的装置。

本发明另一目的在于提供利用太阳能强化干燥污泥的方法。

本发明利用可再生能源-太阳能干燥污泥，利用太阳能烟囱和风机技术产生动力，同时利用螺旋污泥干燥机强化传热效果，结合间壁加热方式优点，取代目前的太阳能温室棚加热污泥方式，避免其臭气外逸和干燥效率低缺点，并达到干燥污泥的目的。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种太阳能烟囱污泥干燥装置，包括太阳能集热棚、太阳能烟囱、轴流风机和螺旋污泥干燥机，所述太阳能集热棚放在地面，包括透光板和集热板，由透光板和集热板围成密闭空腔，透光板采用透光玻璃，集热板表面有黑铬涂层，透光板位于集热板的上端；太阳能集热棚与太阳能烟囱连通，太阳能烟囱通过固定支架固定在集热板上，太阳能烟囱包括烟囱管道和固定支架，烟囱管道采用下大上小的锥形结构；太阳能烟囱通过入口管与轴流风机连通，轴流风机密封壳体内设有转轴和叶片，转轴为空心轴，伸入螺旋污泥干燥机壳体内；螺旋污泥干燥机壳体内还设有污泥入口、空心螺旋、水份出口和污泥出口；转轴两端分别通过轴承固定在螺旋污泥干燥机的壳体上，其中一端伸入轴流风机壳体内，至少一个叶片固定在转轴伸入轴流风机壳体内的端部，另一端通过密封垫与排风管连通；空心螺旋固定在转轴上，用于加热和搅拌螺旋污泥干燥机壳体内的污泥。

为进一步实现本发明目的，所述轴流风机与螺旋污泥干燥机，以及螺旋污泥干燥机与排风管之间都通过密封垫密封。

所述轴流风机和螺旋污泥干燥机放置在同一个固定平台上。

所述太阳能集热棚还包括蓄热水箱，集热板下面装有蓄热水箱。

所述集热板呈360度圆周布置，半径为30-50m；太阳能烟囱高度为10-15m。

所述叶片为多个，多个叶片都固定在转轴上，位于轴流风机密封壳体内。

一种应用上述装置的太阳能烟囱污泥干燥方法：太阳能通过透光板照射到集热板上，集热板的高温加热集热棚内的空气，使集热棚的空气密度降低，沿着太阳能烟囱上行，产生流动动能，加热后具有动能的空气通过入口管引入到轴流风机，冲击轴流风机叶片而带动转轴旋转，通过轴流风机转轴带动螺旋污泥干燥机内的空心螺旋旋转，高温空气通过轴流风机的转轴流入空心螺旋；通过空心螺旋的搅拌和加热，污泥水份蒸发，由水份出口排出，干燥后的污泥由污泥出口收集，放出热量后的空心螺旋内冷空气由排风管排放。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明利用太阳能干燥污泥，同时利用太阳能烟囱和风机技术产生动力，利用运动的空心螺旋的间壁加热污泥方式，是利用可再生能源-太阳能代替传统的烟气或蒸汽干燥，节约化石燃料。

(2)利用太阳能烟囱技术，流动的空气产生动力代替传统的电机来带动风机，达到节电效果。

(3)利用运动的空心螺旋的间壁加热污泥方式，利用了热空气的余热，处理固体废弃物效率高。

附图说明

图1是一种太阳能烟囱污泥干燥装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。

如图1所示，太阳能烟囱污泥干燥装置包括太阳能集热棚1、太阳能烟囱2、入口管3、轴流风机4、螺旋污泥干燥机5、排风管6、轴承7和密封垫8。太阳能集热棚1放在地面，包括透光板1-1、集热板1-2和蓄热水箱1-3，由透光板1-1和集热板1-2围成密闭空腔，透光板采用透光玻璃，集热板表面有黑铬涂层(杭州煌家太阳能设备有限公司生产)，以增强吸热效果，集热板呈360度圆周布置，透光板1-1位于集热板1-2的上端；集热板1-2下面装有蓄热水箱1-3，蓄热水箱1-3可以使被加热的空气温度稳定，缓解因太阳日照强度随时间的波动；集热棚1固定在地面上；太阳能集热棚1与太阳能烟囱2连通，太阳能烟囱2通过固定支架2-2固定在集热板1-2上，太阳能烟囱2包括烟囱管道2-1和固定支架2-2，烟囱管道2-1采用下大上小的锥形结构，一方面有利于烟囱管道2-1的稳定，另一方面可以提高管内空气的流速；太阳能烟囱2高度为10-15m；太阳能烟囱2通过入口管3与轴流风机4连通，轴流风机4密封壳体内设有转轴4-1和叶片4-2，转轴4-1为空心轴，伸入螺旋污泥干燥机5壳体内；螺旋污泥干燥机5壳体内还设有污泥入口5-1、空心螺旋5-2、水份出口5-3和污泥出口5-4。转轴4-1两端分别通过轴承7固定在螺旋污泥干燥机5的壳体上，其中一端伸入轴流风机4壳体内，叶片4-2可以是一个或者多个，都固定在转轴4-1伸入轴流风机4壳体内的端部，另一端通过密封垫8与排风管6连通；空心螺旋5-2固定(焊接)在转轴4-1上，用于加热和搅拌螺旋污泥干燥机5壳体内的污泥。热空气在空心螺旋内流动，外面为湿污泥，转轴转动的同时也起到搅拌污泥，强化了传热效果。轴流风机4与螺旋污泥干燥机5，以及螺旋污泥干燥机5与排风管6之间都通过密封垫8密封，轴流风机4和螺旋污泥干燥机5放置在一固定平台上。

轴流风机根据太阳能烟囱的动力大小和污泥干燥的需要，叶片4-2可为单个或者多个，多个叶片4-2都固定在转轴4-1上，位于轴流风机4密封壳体内。

本发明太阳能烟囱出口气流速度转化为轴流风机4的动力，该动力能满足螺旋污泥干燥机5动力要求，而太阳能烟囱出口的空气热量与温度满足污泥干燥的要求。太阳通过透光板照射到集热板上，集热板的高温加热集热棚的空气，使集热棚的空气密度降低，沿着太阳能烟囱上行，产生流动动能，动能的大小可由式(1)确定。

$\mathrm{\Δp}=0.00353\mathrm{gH}(\frac{\mathrm{\πG}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{coll}}}{c_{p}m}{R}_{\mathrm{coll}}^2-\frac{g}{2c_p}H+\frac{1}{2}{\mathrm{\γ}}_{\∞}H)---\left(1\right)$

其中，Δp为太阳能烟囱产生的总压头(静压Pa)，c_p为空气定压比热(J.kg^-1.K^-1)，g为重力加速度(m.s^-2)，η_coll为太阳能集热棚收集效率(％)；R_coll为集热棚半径(m)，γ_∞为环境空气密度(kg.m^-3)，m为烟囱入口热空气质量流量(kg.s^-1)，H为太阳能烟囱高度(m)；G为太阳能辐射能量密度(W.m^-2)。

式(1)源于参考文献X.P Zhou，J.K.Yang，B.Xiao，et al.Analysis of chimney height forsolar chimney power plant.Applied Thermal Engineering，2009，(29)：178-185.。

由伯努里方程可知，静压Δp可以转化为气流速度V₂应满足式(2)：

$\mathrm{\Δp}=\frac{1}{2}\frac{V_2^2-V_1^2}{g}---\left(2\right)$

V₂，V₁分别为太阳能烟囱出口和入口的空气流速(m.s^-1)，g为重力加速度。

气流速度动能使轴流风机获得的功率可表示为式(3)：

$P=\mathrm{\η}\frac{1}{2}m{V}_2^2=\mathrm{\ηm}[0.00353g^{2}H(\frac{\mathrm{\πG}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{coll}}}{c_{p}m}{R}_{\mathrm{coll}}^2-\frac{g}{2c_p}H+\frac{1}{2}{\mathrm{\γ}}_{\∞}H)+\frac{V_1^2}{2}]---\left(3\right)$

其中，P为风机功率(W)，η为轴流风机转换效率(％)；

太阳能烟囱高度H、空气流量m以及轴流风机功率P选择符合以上(1)(2)(3)式的关系，最后由(3)式求得。如集热板呈360度圆周布置，半径为30-50m；太阳能烟囱高度为10-15m。

太阳能烟囱出口的空气热量与温度满足污泥干燥的要求，其定量关系满足(4)、(5)式。

$T\left(H\right)=T_{\mathrm{in}}-\frac{g}{c_p}H+\frac{\mathrm{\πG}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{coll}}}{c_{p}m}{R}_{\mathrm{coll}}^2......\left(4\right)$

mc_p(T(H)-T₂)＝Mc_M(T₂-T₁).......(5)

其中，T_in为太阳能烟囱入口处空气温度(K)，T₁螺旋污泥干燥机内污泥入口温度(K)，T₂螺旋污泥干燥机内污泥出口温度(K)，c_M螺旋污泥干燥机内污泥比热(J.kg^-1.K^-1)，M污泥质量流量(kg.s^-1)，c_p为空气定压比热(J.kg^-1.K^-1)；m为烟囱入口热空气质量流量(kg.s^-1)；η_coll为太阳能集热棚收集效率(％)；R_coll为集热棚半径(m)，T(H)太阳能烟囱出口的空气温度。

利用上述装置的一种太阳能烟囱污泥干燥方法：太阳能通过透光板1-1照射到集热板1-2上，集热板1-2的高温加热集热棚1内的空气，使集热棚1的空气密度降低，沿着太阳能烟囱2上行，产生流动动能，动能的大小与空气的温度和太阳能烟囱管2-1高度有关，太阳能烟囱2通过固定支架2-2固定在集热板1-2上，后与集热棚1一起固定在地面上；加热后具有动能的空气通过入口管3引入到轴流风机4，冲击轴流风机叶片4-2而带动转轴4-1旋转，螺旋污泥干燥机5与轴流风机4共转轴4-1，通过轴流风机4转轴4-1带动螺旋污泥干燥机5内的空心螺旋5-2旋转，高温空气通过轴流风机4的转轴4-1流入空心螺旋5-2；空心螺旋5-2的外侧是有污泥入口5-1加入的高水份污泥，通过空心螺旋5-2的搅拌和加热，污泥水份蒸发，由水份出口5-3排出，干燥后的污泥由污泥出口5-4收集，放出热量后的空心螺旋5-2内冷空气由排风管6排放。以上过程，太阳能经过太阳能集热棚1转化成空气热能，经太阳能烟囱2产生动能，在轴流风机4转化为转轴4-1的机械能，在螺旋污泥干燥机5把空气热能加热污泥，完成整个能量转化过程和污泥干燥。

Claims (7)

1.一种太阳能烟囱污泥干燥装置，其特征在于：包括太阳能集热棚、太阳能烟囱、轴流风机和螺旋污泥干燥机，所述太阳能集热棚放在地面，包括透光板和集热板，由透光板和集热板围成密闭空腔，透光板采用透光玻璃，集热板表面有黑铬涂层，透光板位于集热板的上端；太阳能集热棚与太阳能烟囱连通，太阳能烟囱通过固定支架固定在集热板上，太阳能烟囱包括烟囱管道和固定支架，烟囱管道采用下大上小的锥形结构；太阳能烟囱通过入口管与轴流风机连通，轴流风机密封壳体内设有转轴和叶片，转轴为空心轴，伸入螺旋污泥干燥机壳体内；螺旋污泥干燥机壳体内还设有污泥入口、空心螺旋、水份出口和污泥出口；转轴两端分别通过轴承固定在螺旋污泥干燥机的壳体上，其中一端伸入轴流风机壳体内，至少一个叶片固定在转轴伸入轴流风机壳体内的端部，另一端通过密封垫与排风管连通；空心螺旋固定在转轴上，用于加热和搅拌螺旋污泥干燥机壳体内的污泥。

2.根据权利要求1所述的太阳能烟囱污泥干燥装置，其特征在于：所述轴流风机与螺旋污泥干燥机，以及螺旋污泥干燥机与排风管之间都通过密封垫密封。

3.根据权利要求1所述的太阳能烟囱污泥干燥装置，其特征在于：所述轴流风机和螺旋污泥干燥机放置在同一个固定平台上。

4.根据权利要求1所述的太阳能烟囱污泥干燥装置，其特征在于：所述太阳能集热棚还包括蓄热水箱，集热板下面装有蓄热水箱。

5.根据权利要求1所述的太阳能烟囱污泥干燥装置，其特征在于：所述集热板呈360度圆周布置，半径为30-50m；太阳能烟囱高度为10-15m。

6.根据权利要求1所述的太阳能烟囱污泥干燥装置，其特征在于：所述叶片为多个，多个叶片都固定在转轴上，位于轴流风机密封壳体内。

7.一种应用权利要求1所述装置的太阳能烟囱污泥干燥方法，其特征在于：太阳能通过透光板照射到集热板上，高温的集热板加热集热棚内的空气，使集热棚的空气密度降低，沿着太阳能烟囱上行，产生流动动能，加热后具有动能的空气通过入口管引入到轴流风机，冲击轴流风机叶片而带动转轴旋转，通过轴流风机转轴带动螺旋污泥干燥机内的空心螺旋旋转，高温空气通过轴流风机的转轴流入空心螺旋；通过空心螺旋的搅拌和加热，污泥水份蒸发，由水份出口排出，干燥后的污泥由污泥出口收集，放出热量后的空心螺旋内冷空气由排风管排放。

Images