CN103102055B - 能源循环式干化器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污泥处理、物料干化技术，提出一种能源循环式干化器，其包括有干化室、真空泵、蒸汽压缩系统和/或热泵系统，蒸汽排气管的一端连接于干化室的蒸汽出口，真空泵串接于蒸汽排气管上；蒸汽压缩系统包括用管道串接的蒸汽压缩机、分别置于干化室内下方和上方的第一换热器和第二换热器，蒸汽压缩机管连接真空泵；第二换热器连接冷凝水排水管；热泵系统包括由制冷压缩机、冷凝器、节流阀、主蒸发器构成的循环回路，冷凝器置于干化室内中部，主蒸发器串接于热泵系统和冷凝水排水管上；本发明的显著进步在于：1）将真空干化技术和蒸汽压缩技术用于干化热能的回收，实现物料水分在低温真空条件下蒸发，降低物料干化能耗，同时实现干化热能的循环利用；2）将蒸汽压缩技术用于干化过程，可减少外部能源的输入。
Description
技术领域
本发明涉及污泥处理处置、化工和食品行业中物料干化处理技术。
背景技术
物料干化在污泥处理处置、化工和食品生产过程中是必不可少的环节，该环节所消耗的能耗往往占据整个工艺流程总能耗的20%以上，但国内目前所采用的干化技术对过程热能未进行回收或回收效率低，没有实现热能的循环利用，单位干化能耗指标高。
发明内容
本发明的目的提出一种能源循环式干化器，其集成真空干化、蒸汽压缩和/或热泵能源循环技术，可大大减少了外部能源的输入。
本发明的目的可通过如下技术方案是实现：
能源循环式干化器，包括有干化室、真空泵和蒸汽压缩系统；
所述的干化室内具有干化空间，干化室具有进料口、出料口和蒸汽出口，出料口设有密封门；蒸汽排气管的一端连接于干化室的蒸汽出口，真空泵串接于蒸汽排气管上；
所述蒸汽压缩系统包括蒸汽压缩机和换热器，换热器置于干化室的干化空间，蒸汽压缩机的进气口与真空泵的出气口由排气管连接；用耐压管将蒸汽压缩机的出气口与换热器连接；换热器的另一端连接冷凝水排水管。
优化方案一，将蒸汽压缩系统替换为热泵系统，
所述热泵系统包括用承压管依次串联连接成循环回路的制冷压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器，冷凝器置于干化室的干化空间内部, 蒸发器为内设有蒸发器通道和换热通道的金属体，其蒸发器通道串接于热泵系统，其换热通道的一端由蒸汽排气管连接于真空泵出气口，另一端连接于冷凝水排水管。
优化方案二：蒸汽压缩系统基础上增加热泵系统
将换热器分成第一换热器和第二换热器两部分，第一换热器和第二换热器分别置于干化室的干化空间内部的下方和上方，用耐压管将蒸汽压缩机的出气口、第一换热器、第二换热器串接；第二换热器的另一端连接冷凝水排水管；
所述热泵系统包括用承压管依次串联连接成循环回路的制冷压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器，冷凝器置于干化室的干化空间内部, 蒸发器为内设有蒸发器通道和换热通道的金属体，其蒸发器通道串接于热泵系统，其换热通道的一端由蒸汽排气管连接于真空泵出气口，另一端连接于冷凝水排水管。
进一步优化方案：热泵系统基础上增加热泵辅助启动系统
所述热泵辅助启动系统包括有副蒸发器，副蒸发器为内设有蒸发器通道和换热通道的金属体，副蒸发器的蒸发器通道和蒸发器的蒸发器通道通过第一转换阀和第二转换阀可相互替换地管串接于热泵系统，副蒸发器的换热通道管串接于低位热源。所述低位热源是指低质、低温热源，包括但不限于地表水、地下水、污水、空气，工业废水、废气。
上述方案中，为确保真空状态，通常在干化室的出料口外设出料室，出料室设有第二出料口，第二出料口设有密封门，出料口将干化室的干化空间与出料室内空间连通，第二出料口将出料室内空间与外界连通。
本发明的使用过程可通过具体实施方式来说明。
本发明突出的实质性特点和显著进步在于：
(1) 将真空干化技术和蒸汽压缩技术用于干化过程，实现物料水分在低温真空条件下蒸发，实现干化热能的循环利用，降低物料干化能耗；
(2) 将热泵技术用于干化器，可减少外部能源的输入，进一步降低物料干化能耗。
附图说明
图1、图2、图3、图4、图5分别是本发明的能源循环式干化器工艺流程图。
具体实施方式
实施例一
参考图1，能源循环式干化器，包括有干化室D1、真空泵P1和蒸汽压缩系统，干化室D1内具有干化空间，干化室D1具有进料口D2、出料口D3和蒸汽出口D6，出料口D3设有密封门；
蒸汽排气管L1的一端连接于干化室D1的蒸汽出口D6，真空泵P1串接于蒸汽排气管L1上；
蒸汽压缩系统包括蒸汽压缩机C1和换热器H、换热器H置于干化室D1干化空间内部，换热器H为管式或管板式换热器，蒸汽压缩机C1的进气口与真空泵P1的出气口由蒸汽排气管L1连接；用耐压管L3将蒸汽压缩机C1的出气口和换热器H串接；换热器H1的另一端连接冷凝水排水管L4。
为确保真空状态，通常在干化室D1的出料口D3外设出料室D5，出料室D5设有第二出料口D4，第二出料口D4设有密封门，出料口D3将干化室D1的干化空间与出料室D5内空间连通，第二出料口D4将出料室D5内空间与外界连通。
本实施例的使用过程如下：
（1）将待干化的湿物料由干化室D1上方的进料口D2进入干化室D1的干化空间，干化后的干物料从干化室D1下方的出料口D 3经出料室D5的内空间后从出料口D4排出，物料在干化室D1的干化空间内从上至下流动，通过蒸汽压缩系统的换热器H，物料的水份蒸发，水蒸汽从干化室D1上方的蒸汽排出口D6排出，蒸汽由真空泵P1通过蒸汽排气管L1进入蒸汽压缩系统。
（2）启动蒸汽压缩系统，启动真空泵P1和蒸汽压缩机C1，蒸汽压缩系统工作，维持干化室D1的干化空间在真空（0.02Mpa）状态，实现物料的水分在60℃的低温状态下蒸发。从干化室D1的干化空间上方排出的水蒸汽经蒸汽压缩机C1压缩升温转变为高温高压（0.3Mpa、196℃）水蒸汽后通过换热器H，换热器H又将经过的物料水分蒸发，水蒸汽从干化室D1上方的蒸汽排出口D6排出，再进入蒸汽压缩系统，与此同时，由于干化室D1的干化空间上方的物料温度较低，蒸汽压缩系统的换热器H与该段物料热交换后，其内部的水蒸汽降温冷凝成中温（0.03Mpa、70℃）冷凝水并经冷凝水排水管L4排出。
（3）干化器热能循环过程：系统达到设计工况正常运行时，物料中的水分在低温真空状态下蒸发成水蒸汽并从干化室D1的干化空间上方排放，依次经过真空泵P1、蒸汽压缩机C1、换热器H，水蒸汽的气化潜热被回收后变为低温冷凝水后排放，该过程在完成物料干化的同时，实现了干化热能的回收。
实施例二
参考图2，能源循环式干化器，包括有干化室D1、真空泵P1和热泵系统；
干化室D1内具有干化空间，干化室D1具有进料口D2、出料口D3和蒸汽出口D6，出料口D3设有密封门；
蒸汽排气管L1的一端连接于干化室D1的蒸汽出口D6，真空泵P1串接于蒸汽排气管L1上；
热泵系统包括用承压管 L5依次串联连接成循环回路的压缩机C2、冷凝器H3、节流阀T1、蒸发器E1，冷凝器H3置于干化室D1的干化空间内部，蒸发器E1为内设有蒸发器通道和换热通道的金属体，其蒸发器通道串接于热泵系统，其换热通道的一端由蒸汽排气管L1连接于真空泵P1出气口，另一端连接于冷凝水排水管L4；
为确保真空状态，通常在干化室D1的出料口D3外设出料室D5，出料室D5设有第二出料口D4，第二出料口D4设有密封门，出料口D3将干化室D1的干化空间与出料室D5内空间连通，第二出料口D4将出料室D5内空间与外界连通。
本实施例的使用过程如下：
(1) 启动热泵系统，启动热泵系统的制冷压缩机C2，热泵系统工作，冷凝器H3对外放热，蒸发器E1向外吸热（系统稳定运行前由外部其它热源对蒸发器E1提供热能），冷凝器E1放热将干化室D1的干化空间加热升温。
(2) 将待干化的湿物料由干化室D1上方的进料口D2进入干化室D1的干化空间，干化后的干物料从干化室D1下方的出料口D3经出料室D5的内空间后从出料口D 4排出，物料在干化室D1的干化空间内从上至下流动，物料的水分蒸发，水蒸汽从干化室D1上方的蒸汽排出口D6排出，经真空泵P1后进入蒸发器E1的换热通道后降温冷凝后从冷凝水排水管L4排出。
(3) 干化器热能循环过程：物料干化产生的水蒸汽中显热和潜热，经蒸发器E1作为热泵系统提质后再用于干化物料，实现能源的循环利用。
实施例三
参考图3，本实施例是实施例一或实施例二的优化，能源循环式干化器，包括有干化室D1、真空泵P1、蒸汽压缩系统和热泵系统；
干化室D1内具有干化空间，干化室D1具有进料口D2、出料口D3和蒸汽出口D6，出料口D3设有密封门；
蒸汽排气管L1的一端连接于干化室D1的蒸汽出口D6，真空泵P1串接于蒸汽排气管L1上；
蒸汽压缩系统包括蒸汽压缩机C1、第一换热器H1、第二换热器H2，第一换热器H1和第二换热器H2为管式或管板式换热器，第一换热器H1和第二换热器H2分别置于干化室D1的干化空间下方和上方，蒸汽压缩机C1的进气口与真空泵P1的出气口由蒸汽排气管L1连接；用耐压管L3将蒸汽压缩机C1的出气口、第一换热器H1、第二换热器H2串接；第二换热器H2的另一端连接冷凝水排水管L4；
热泵系统包括用承压管 L5依次串联连接成循环回路的制冷压缩机C2、冷凝器H3、节流阀T1、蒸发器E1，冷凝器H3置于干化室D1的干化空间中部，蒸发器E1为内设有蒸发器通道和换热通道的金属体，其蒸发器通道串接于热泵系统，其换热通道串接于冷凝水排水管L4上。
为确保干化室真空状态，在干化室D1的出料口D3外设出料室D5，出料室D5设有第二出料口D4，第二出料口D4设有密封门，出料口D3将干化室D1的干化空间与出料室D5的内空间连通，第二出料口D4将出料室D5内空间与外界连通。本实施例的使用过程如下：
(1) 将待干化的湿物料由干化室 D1上方的进料口D2进入干化室D1的干化空间，干化后的干物料先从干化室D1下方的出料口D3排到出料室D5内空间，再从第二出料口D4排出，物料在干化室D1的干化空间内从上至下流动，依次通过蒸汽压缩系统的第二换热器H2、热泵系统的冷凝器H3、蒸汽压缩系统的第一换热器H1，物料的水分蒸发，水蒸汽从干化室D1上方的蒸汽排出口D6排出，热蒸汽由真空泵P1通过蒸汽排气管L1进入蒸汽压缩系统。
(2) 启动蒸汽压缩系统，启动真空泵P1和蒸汽压缩机C1，蒸汽压缩系统工作，维持干化室D1的干化空间在真空（0.02Mpa）状态，实现物料的水分在60℃的低温状态下蒸发，从干化室D1上方排出的水蒸汽经蒸汽压缩机C1压缩升温转变为高温高压（0.3Mpa、196℃）水蒸汽后依次通过第一换热器H1和第二换热器H2，热的第一换热器21和第二换热器22又将经过的物料的水分蒸发，水蒸汽从干化室D1上方的蒸汽排出口D6排出，再进入蒸汽压缩系统，与此同时，由于干化室D1的干化空间上方的物料温度较低，蒸汽压缩系统的第二换热器H2与该段物料热交换后，其内部的水蒸汽降温冷凝成中温（0.03Mpa、70℃）冷凝水并经冷凝水排水管L4排去；由于所排出的冷凝水温度还高于环境温度，该冷凝水通过热泵系统的蒸发器E1的换热通道将热量交换到热泵系统后转化为低温冷凝水排出。
(3) 启动热泵系统的制冷压缩机C3，热泵系统工作，冷凝器H3对外放热，加热干化室D1的干化空间，提高温度，蒸发器E1从冷凝水中吸热。
(4) 干化器热能循环过程：系统达到设计工况正常运行时，物料中的水分在低温真空状态下蒸发成水蒸汽并从干化室D1的干化空间上方排放，依次经过真空泵P1、蒸汽压缩机C1、第一换热器H1、第二换热器H2和热泵系统的蒸发器E1，水蒸汽的气化潜热和冷凝水焓热被回收后变为低温冷凝水后排放，该过程在完成物料干化的同时，实现了干化热能的完全回收。
实施例四
参考图4，本实施例是实施例三的改进：还包括有热泵辅助启动系统，所述热泵辅助启动系统包括副蒸发器E2、第一转换阀V1、第二转换阀V2；
副蒸发器E2为内设有蒸发器通道和换热通道的金属体，副蒸发器E2的蒸发器通道和蒸发器E1的蒸发器通道通过第一转换阀V1和第二转换阀V2可相互替换地管串接于热泵系统，副蒸发器E2的换热通道管串接于低位热源，所述低位热源是指低质、低温热源，包括但不限于地表水、地下水、污水、空气，工业废水、废气。
该做法目的是使热泵系统启动时有充足的热能，利用外界低位热源为热泵系统提供足够的低位热能。
本实施例的使用过程如下：
(1) 启动热泵系统，先将第一转换阀V1和第二转换阀V2调整为副蒸发器E2串接于热泵系统并启动热泵系统的制冷压缩机C2， 热泵系统工作，冷凝器H3对外放热，副蒸发器E2向外吸热，通过副蒸发器的低位热源给热泵系统提供热能，本实施例采用净化污水（冬季15℃，夏季35℃）作低位热源。
(2) 干化过程：将待干化的湿物料从干化室D1上方的进料口D2送入干化室D1的干化空间，物料依次经过蒸汽压缩系统的第二换热器H2、热泵系统的冷凝器H3、蒸汽压缩系统的第一换热器H1。物料开始由热泵系统的冷凝器H3加热干化，待启动蒸汽压缩系统后，物料由低、中、高温的蒸汽压缩系统的第二换热器H2、热泵系统的冷凝器H3和蒸汽压缩系统的第一换热器H1间接加热干化，物料中的水分在0.02Mpa低压状态下蒸发，降至一定含水率后从干化室D1下方的出料口D3、第二出料口D4排出，完成干化，水蒸汽从干化室D1上方的蒸汽出口D6排出后进入蒸汽压缩系统。
(3) 启动蒸汽压缩系统，启动真空泵P1和蒸汽压缩机C1，蒸汽压缩系统工作，维持物料空腔真空（0.02Mpa）状态，实现物料中的水分在60℃的低温状态下蒸发，从干化室D1上方排出的水蒸汽经蒸汽压缩机C1加压升温后,转变为高温高压（0.3Mpa、196℃）水蒸汽，依次通过第一换热器H1和第二换热器H2，通过换热，第一换热器H1和第二换热器H2将经过物料的水分蒸发，实现物料干化，同时水蒸汽从干化室D1上方的蒸汽排出口D2排出，经真空泵后进入蒸汽压缩系统，与此同时，由于干化室D1干化空间上方的物料温度较低，蒸汽压缩系统的第二换热器H2与该段物料热交换后，其内部的水蒸汽降温冷凝成中温（0.03Mpa、70℃）冷凝水并经冷凝水排水管L4排出。
(4) 系统工况正常后，干化室D1的干化空间温度达到40～60℃，所排出的冷凝水温度高于环境温度，此时切换第一转换阀V1和第二转换阀V2将热泵系统连接至蒸发器E1，同时关闭低位热源，将由低位热源通过副蒸发器E2给热泵系统提供热能转变为由排出的冷凝水通主蒸发器E1给热泵系统提供热能。
实施例五
参考图5，本实施例是在实施例二的基础上增加热泵辅助启动系统，所述热泵辅助启动系统包括副蒸发器E2、第一转换阀V1、第二转换阀V2，其连接方法与实施例四相同。
本实施例的使用过程如下：
（1） 启动热泵系统，先将第一转换阀V1和第二转换阀V2调整为副蒸发器E2串接于热泵系统并启动热泵系统的制冷压缩机C2， 热泵系统工作，冷凝器H3对外放热，副蒸发器E2向外吸热，通过副蒸发器的低位热源给热泵系统提供热能，本实施例采用净化污水（冬季15℃，夏季35℃）作低位热源，冷凝器E1放热将干化室的干化空间加热升温。
（2） 干化过程：将待干化的湿物料从干化室D1上方的进料口D2送入干化室D1的干化空间，物料经过热泵系统的冷凝器H3被加热干化，物料中的水分在0.02Mpa低压状态下蒸发，降至一定含水率后从干化室D1下方的出料口D3、第二出料口D4排出，完成干化，水蒸汽从干化室D1上方的蒸汽出口D6经真空泵P1通过蒸汽排气管L1后通过蒸发器E1的换热通道后排出。
系统工况正常后，干化室D1的干化空间温度达到40～60℃，从蒸发器E1的换热通道排出的冷凝水温度高于环境温度，此时切换第一转换阀V1和第二转换阀V2将热泵系统连接至蒸发器E1，同时关闭低位热源，将由低位热源通过副蒸发器E2给热泵系统提供热能转变为由排出的冷凝水通主蒸发器E1给热泵系统提供热能。
Claims (6)
1.能源循环式干化器，包括有干化室（D1）、真空泵（P1）和蒸汽压缩系统，
干化室（D1）内具有干化空间， 干化室（D1）具有进料口（D2），出料口（D3）和蒸汽出口（D6），出料口（D3）设有密封门， 蒸汽排气管（L1）的一端连接于干化室（D1）的蒸汽出口（D6），真空泵（P1）串接于蒸汽排气管（L1）上；
所述蒸汽压缩系统包括蒸汽压缩机（C1）和换热器（H）、 换热器（H）置于干化室（D1）的干化空间，蒸汽压缩机（C1）的进气口与真空泵（P1）的出气口由排气管（L1）连接；用耐压管（L3）将蒸汽压缩机（C1）的出气口与换热器（H）的一端连接；换热器（H）的另一端连接冷凝水排水管（L4）。
2.根据权利要求1所述的能源循环式干化器，其特征在于：还包括有热泵系统并将换热器（H）分成第一换热器（H1）和第二换热器（H2）两部分；
第一换热器（H1）和第二换热器（H2）分别置于干化室（D1）干化空间内部的下方和上方， 用耐压管 （L3）将蒸汽压缩机（C1）的出气口、 第一换热器（H1）、 第二换热器（H2）串接；第二换热器（H2）的另一端连接冷凝水排水管（L4）；
所述热泵系统包括用承压管（L5）依次串联连接成循环回路的制冷压缩机（C2）、冷凝器（H3）、节流阀（T1）、蒸发器（E1），冷凝器（H3）置于干化室（D1）的干化空间内部的中间,蒸发器（E1）为内设有蒸发器通道和换热通道的金属体,其蒸发器通道串接于热泵系统，其换热通道串接于冷凝水排水管（L4）上。
3.能源循环式干化器，包括有干化室（D1）、真空泵（P1）和热泵系统；
干化室（D1）内具有干化空间，干化室（D1）具有进料口（D2），出料口（D3）和蒸汽出口（D6），出料口（D3）设有密封门，蒸汽排气管（L1）的一端连接于干化室（D1）的蒸汽出口（D6），真空泵（P1）串接于蒸汽排气管（L1）上；
热泵系统包括用承压管 （L5） 依次串联连接成循环回路的制冷压缩机（C2）、 冷凝器（H3）、节流阀（T1）、蒸发器（E1），冷凝器（H3）置于干化室（D1）的干化空间内部,蒸发器（E1）为内设有蒸发器通道和换热通道的金属体,其蒸发器通道串接于热泵系统，其换热通道的一端由蒸汽排气管（L1）连接于真空泵（P1）出气口，另一端连接于冷凝水排水管（L4）。
4.根据权利要求2或3所述的能源循环式干化器，其特征在于：还包括有热泵辅助启动系统；
所述热泵辅助启动系统包括副蒸发器（E2）、第一转换阀（V1）、第二转换阀（V2）；副蒸发器（E2）为内设有蒸发器通道和换热通道的金属体，副蒸发器（E2）的蒸发器通道和蒸发器（E1）的蒸发器通道通过第一转换阀（V1）和第二转换阀（V2）可相互替换地管串接于热泵系统，副蒸发器（E2）的换热通道管串接于低位热源。
5.根据权利要求1或2或3所述的能源循环式干化器，其特征在于：干化室（D1）于出料口（D3）外设出料室（D5），出料室（D5）设有第二出料口（D4），第二出料口（D4）设有密封门，出料口（D3）将干化室（D1）的干化空间与出料室（D5）内空间连通，第二出料口（D4）将出料室（D5）内空间与外界连通。
6.根据权利要求4所述的能源循环式干化器，其特征在于：干化室（D1）于出料口（D3）外设出料室（D5），出料室（D5）设有第二出料口（D4），第二出料口（D4）设有密封门，出料口（D3）将干化室（D1）的干化空间与出料室（D5）内空间连通，第二出料口（D4）将出料室（D5）内空间与外界连通。
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