CN104075551A - 一种含水固体物料循环干燥装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含水固体物料循环干燥装置，其包括N个螺旋输送干燥器和筛分及出料螺旋S_N+1，其中N个螺旋输送干燥器S1至SN构成一个闭环通道；在第N个螺旋输送干燥器SN的前端底部设有与筛分及出料螺旋S_N+1连通的出料口15，且第N个螺旋输送干燥器SN的驱动装置可以正反两向转动；筛分及出料螺旋S_N+1的外壳底部上具有Y个小孔或细槽，其前端顶部与第N个螺旋输送干燥器SN的出料口15连通，后端底部与第1个螺旋输送干燥器S1的物料入口连通；当Dn正传时，筛分及出料螺旋S_N+1的驱动装置不转动，当Dn反转时，筛分及出料螺旋S_N+1的驱动装置正转，将干燥后的干粉物料通过外壳底部的小孔或细槽落下，而将载球返回至S1中。

Description

一种含水固体物料循环干燥装置

技术领域

本发明属于干燥设备或蒸发设备领域。

背景技术

本发明所涉及的“含水固体物料”包括固体成分含量低、流动性高的液状物料，例如海水、城市垃圾渗滤液等；也包括固体成分含量高、流动性低的粘稠物料，例如粪便、淤泥等。

长期以来，工业界的蒸发/干燥行业对含水固体物料(又称湿物料或待干燥物料)进行蒸发或干燥的方法和设备均面临一个难题。即，蒸发/干燥是高能耗的过程，需要有适当的方法降低能耗。

对含水物料(又称湿物料或待干燥物料)进行干燥的方法一般来说有二种。一是强制蒸发，即在常压下将物料温度加热到100℃，水分从液态转为气态，该相变过程消耗大量能量，其描述参数为气化潜热，在一个大气压(0.1MPa)下，100℃时的水的汽化潜热为2257.2kJ/kg，相比之下水的比热容为4.2kJ/kg，换句话说，水分气化消耗的能量是相同水量从0℃升高到100℃所需能量的5倍多。这是造成强制蒸发高能耗的主要原因，强制蒸发的典型代表是将水烧开直至烧干。

第二种方法为自然蒸发，也称为风干，即在低于水的常压沸点(即100℃)的温度下，使空气流过含水物料，由于物料含水率高于空气中的含水率，按照扩散定律，水自然从浓度高处向浓度低处扩散，物料中的水分缓慢向空气中扩散并逐步干燥，典型代表是湿衣服的晾干。

强制蒸发的优点是设备简单且干燥迅速，其缺点是能耗大，为了节约能源，通常以增加设备的复杂性和成本为代价组成多级装置，回收上一级排放物中的剩余能源供下一级使用。自然蒸发的优点是由于吸收空气中的能量，避免了气化潜热消耗人工加入的能源，所以干燥过程的能耗很低，其缺点是干燥缓慢且设备复杂。可见，在低能耗和迅速干燥之间，存在着矛盾。

本申请人申请的PCT专利(PCT/CN2014/000060)涉及一种使用载球来辅助干燥的含水固体物料螺旋干燥装置，尤其适合于干燥粘稠的含水固体物料；本申请人申请的另一项中国专利(申请号201410100900.3)针对含水固体物料干燥装置提出了新颖的结构以降低其安装空间。上述两项专利申请的设备具有良好的干燥效果，特别是设备自洁效果良好。但上述两项专利申请的干燥设备主要是针对处理量不大的物料采用了自然干燥法，且采用的均为单程干燥，没有涉及用于处理量要求很大的物料的强制干燥/蒸发设备。对于高含水量的固体物料或者固体物料处理量很大时，单程干燥往往达不到合意的干燥水平。

含水固体物料的蒸发和/或干燥处理是高能耗过程，提高能源利用率的主要途径是回收排放的潜热，供下级使用或再次返回本级使用。

因此，在工业干燥领域需要一种连续多程操作、处理量大、一步完成将高含水固体物料处理成为干燥成品且装置本身具有自洁功能的蒸发/干燥装置。

上述目标通过本发明的装置实现。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种含水固体物料循环干燥装置，其包括以下构件：

N个螺旋输送干燥器，依次编号为S_n，其中n和N均为自然数，1≤n≤N且N≥3；每个螺旋输送干燥器包括外壳1和置于该外壳内的螺旋输送叶片2，每个螺旋输送干燥器的主轴3在对应的旋转驱动装置的驱动下旋转，并带动螺旋输送叶片2旋转，将各旋转驱动装置依次编号为D_n，且螺旋输送叶片2与所述外壳1之间构成螺旋通道4；每个螺旋输送干燥器还包括载球7，其数目为多个，其在工作状态下与所述含水固体物料混合并存在于所有螺旋输送干燥器的螺旋通道4中，其用于辅助干燥并具有清洁螺旋叶片及外壳内壁的功能；将各螺旋输送干燥器靠近其驱动装置的一端定义为前端，远离驱动装置的一端定义为后端,每一螺旋输送干燥器前端顶部设有物料入口5，后端底部设有物料出口6，所述物料入口5也作为气体出口且物料出口6也作为气体入口，或者所述物料入口5也作为气体入口且物料出口6也作为气体出口；其中第n-1个螺旋输送干燥器S_n-1的物料出口位于第n个螺旋输送干燥器S_n的物料入口的上方并通过下料管与后者连通，第N个螺旋输送干燥器S_N的物料出口位于第一个螺旋输送干燥器S₁物料入口的上方并通过下料管与后者连通，由此S₁至S_N构成了一个闭环通道；在任何一个螺旋干燥器上设置一个或几个进料口；在第N个螺旋输送干燥器S_N的下部与其并行地设置筛分及出料螺旋S_N+1，第N个螺旋输送干燥器S_N前端底部设有与筛分及出料螺旋S_N+1连通的出料口15且第N个螺旋输送干燥器S_N的驱动装置能正反两向转动，其中正转是指将物料从前端推向后端的转动；除第N个螺旋输送干燥器S_N以外的任何一个螺旋输送干燥器上设有干气体入口A1，在第N个螺旋输送干燥器S_N上设有湿气体出口A2，在各个螺旋输送干燥器中，气体以并流或逆流方式与含水固体物料接触；

其中所述筛分及出料螺旋S_N+1用于将载球与干燥固体物料筛分分离，其包括外壳1和置于该外壳内的螺旋输送叶片2，主轴3在对应的旋转驱动装置D_N+1的驱动下旋转，并带动螺旋输送叶片2旋转，且该螺旋输送叶片2与所述封闭式外壳1之间构成螺旋通道4；所述外壳底部上具有Y个小孔或细槽，且依次编号为PE_y，其中Y和y均为自然数，1≤y≤Y且Y≥1,小孔直径或细槽宽度允许干燥后的固体物料粉末漏下但是不允许载球落下；将筛分及出料螺旋S_N+1靠近驱动装置的一端定义为前端，远离驱动装置的一端定义为后端，其前端顶部与第N个螺旋输送干燥器S_N的前端出料口15连通，其后端底部与第1个螺旋输送干燥器S₁的物料入口连通，用于将载球返回至S₁中；所述筛分及出料螺旋S_N+1的驱动装置D_N+1与第N个螺旋输送干燥器S_N的驱动装置D_N连锁，当D_N正转时，筛分及出料螺旋S_N+1的驱动装置D_N+1不转动，S_N中的物料和载球都被推入S₁的物料入口中，继续沿S₁至S_N循环；当D_N反转时，S_N中的物料和载球被反向推入S_N的前端底部出料口15中并落入筛分及出料螺旋S_N+1中，筛分及出料螺旋S_N+1驱动装置D_N+1正转，将干燥后的干粉物料通过外壳底部的小孔或细槽落下，而将载球返回至S₁中，继续沿S₁至S_N循环。

附图说明

图1是本发明的螺旋输送干燥器的示意图。

图2-1至图2-5是本发明的具有4个螺旋输送干燥器的含水固体物料循环干燥装置的示意图。其中图2-1是俯视图，图2-2至图2-4是4个螺旋输送干燥器之间和第4个螺旋输送干燥器与筛分及出料螺旋之间的连接关系示意图，图2-5是图2-1中箭头所示的D向视图。

图3是本发明的具有3个螺旋输送干燥器的含水固体物料循环干燥装置的示意图。

图4是本发明的具有外套加热的螺旋干燥器的示意图。

图5是本发明的具有内加热的螺旋干燥器的示意图。

图6是本发明的具有4个外套加热的螺旋干燥器的含水固体物料循环干燥装置的示意图。

图7是本发明的具有4个外套加热的螺旋干燥器且包含机械蒸汽再压缩设备的含水固体物料循环干燥装置的示意图。

图8是本发明的含水固体物料循环干燥装置用于粪便污水处理的示意图。

图9是本发明的含水固体物料循环干燥装置用于一般含水固体物料处理的示意图。

图10是本发明中使用的载球的各种可能的形状示意图。

其中各附图标记含义如下：

1、外壳；2、螺旋输送叶片；3、主轴；4、螺旋通道；5、物料入口(空气入口或空气出口)；6、物料出口(空气出口或空气入口)；7、载球；8、鼓风机；9、引风机；10、空心主轴；11、干燥固体物料容器；12、保温层；13、加热套管；14、冷凝水出口；15、出料口；PE₁～PEy、小孔或细槽；16、湿空气后处理装置；VP、真空泵；EH、电加热器；WT、水箱；V1、阀门；F1/F2、分离-过滤装置；AC、空气压缩机；D1～D4和D、旋转驱动装置(电机及减速器)；S₁～S₄、第一至第四螺旋输送干燥器；S₅、筛分及出料螺旋；A1、干空气入口；A2、湿空气出口；S-H、加热介质循环空间；C12、C23、C34、C45下料管；M1、进料口；H1加热工质入口；H2、加热工质出口；S1/H1、S1上的加热工质入口；S2/H2、S2上的加热工质出口，依此类推；R1、R2、旋转接头；M-M’、载球和物料循环路径；A-A’、干燥气体循环路径；B-B’、加热介质循环路径；W-W’、水循环路径；STC、太阳能光热采集系统；HWT、热水箱；WP、热水循环泵；RSP、污水泵；MP、物料泵；MT、物料箱；PHT、逆流换热；DW、冷凝水。

具体实施方式

本发明第一方面涉及一种含水固体物料循环干燥装置，下面结合附图对其所包括的构件进行详细介绍：

本发明的装置中，N个螺旋输送干燥器中的每一个的内部结构如图1所示。每个螺旋输送干燥器包括外壳1和置于该外壳内的螺旋输送叶片2，每个螺旋输送干燥器的主轴3在对应的旋转驱动装置D例如电极或减速机的驱动下旋转，并带动螺旋输送叶片2旋转，且该螺旋输送叶片2与所述外壳1之间构成螺旋通道4。该螺旋输送叶片的直径与外壳的内径尽可能接近，以便减少叶片边缘与外壳内壁之间的缝隙。这样做的好处是使得固体物料不至于从上一叶片边缘散落至下一叶片，防止固体物料返混，且能使得空气在螺旋通道内的流径尽可能长，减少气体短路，使空气与固体物料之间的接触尽可能充分。当然，如果以后开发出其它结构形式的螺旋输送叶片，也可以采用之。因此，本发明中对螺旋输送叶片的具体形状不做限定。将螺旋输送干燥器靠近驱动装置的一端定义为前端，远离驱动装置的一端定义为后端,每一螺旋输送干燥器前端顶部设有物料入口5，后端底部设有物料出口6，所述物料入口5也作为空气出口且物料出口6也作为空气入口，或者所述物料入口5也作为空气入口且物料出口6也作为空气出口，这取决于物料与空气之间的接触方式是逆流接触还是顺流接触。

在本发明的每个螺旋输送干燥器中还包括载球7，其数目为多个，其在工作状态下与所述含水固体物料混合并存在于所述所有螺旋输送干燥器的螺旋气流通道中，其用于辅助干燥并具有清洁螺旋叶片及桶壁的功能。所述载球的表面或者光滑，或者具有多个凹坑或多个突起，或者所述载球具有中空结构，或者所述载球具有中空结构且内部填充有多孔材料或能吸收保持水分的密实材料或更小的球体，或以上各种情况的组合。图10中示出了几种可能的载球的形状，但载球还可以采用其他形状。其中，图10a为普通实心球；图10b为球表面带有众多突起物的实心球；图10c为球表面带有众多凹坑的实心球；图10d为带有众多开口的空心球，其内充满允许气流流过的多孔材料；图10e为带有众多开口的空心球，其内充满能够吸收保持水分的密实材料；图10f为带有众多开口的空心球；图10g为带有众多开口的外部空心球，其内部具有若干个内部实心球；图10h为带有众多开口的外部空心球，其内具有一个由密实材料制成的内部实心球；其中图10c至图10h中左图为立体视图，右图为截面视图。所述载球优选为球形，因为球形的载球便于流动和输送。但当载球直径较小时，此时称其为“颗粒”也许更合适，其也可为其他形状，例如不规则的形状。对载球的具体形状没有特别的限制，只要其便于流动和输送即可。载球的作用是与含水固体物料充分混合，并在其表面上粘载一部分含水固体物料，使得含水固体物料与空气接触的表面积大大增加。对载球的材质也没有特殊要求，其可以为塑料球、金属球、陶瓷球、石球，等等，或其混合物。在优选实施方案中，载球的材质密度最好大于水的密度，这样，当含水固体物料过稀时，载球不致于因浮在稀物料上方而使其承载能力下降。载球可以为刚性球或为弹性球。

本发明的另一个特点是N个螺旋输送干燥器的布置方式，如图2和图3所示。其中N是本发明中的螺旋输送干燥器的个数，N≥3，例如N＝3，4，5，6或更大的自然数。优选N为3或N为4，如图3或图2-1所示。虽然5个以上的螺旋输送干燥器结合也可以构成本发明的循环干燥装置，但是这样结构复杂，成本较高。在优选的实施方案中，可以每3个或4个螺旋输送干燥器作为一组，构成一个单元模块，然后，多个这样的单元模块并联操作，以对更大量的含水固体物料进行处理。为了描述方便起见，将第一个螺旋输送干燥器编号为S₁，将第2个螺旋输送干燥器编号为S₂，以此类推，将第n个螺旋输送干燥器编号为S_n，将第N个螺旋输送干燥器编号为S_N。其中第n个螺旋输送干燥器S_n的物料入口与第n-1个螺旋输送干燥器S_n-1的物料出口连通，位置关系为第n-1个螺旋输送干燥器S_n-1的物料出口位于第n个螺旋输送干燥器S_n的物料入口的上方；第N个螺旋输送干燥器S_N的物料出口与第一个螺旋输送干燥器S₁的物料入口连通，位置关系为第N个螺旋输送干燥器S_N的物料出口位于第一个螺旋输送干燥器S₁物料入口的上方，且各个物料入口与物料出口之间使用下料管C连通，使得载球和物料混合体在重力作用下从第n-1个螺旋输送干燥器的物料出口下落至第n个螺旋输送干燥器的物料入口；至此S₁至S_N构成了一个闭环通道。这就解决了使用单一的载球辅助的螺旋输送干燥器遇到的问题。该问题是，必须在一个螺旋行程内完成物料干燥过程，而待处理物料的含水率是变量很大的，很多情况下很难在一个螺旋行程内达到预期的干燥效果。而本发明的N个螺旋输送干燥器的布置方式，将使得循环干燥成为可能，解决了上述问题。

在本发明的装置中，在任何一个螺旋输送干燥器S_n上均可设有一个或若干个进料口，在第N个螺旋输送干燥器S_N的前端底部设有与筛分及出料螺旋S_N+1连通的出料口15，且第N个螺旋输送干燥器S_N的驱动装置可以正反两向转动，其中该筛分及出料螺旋S_N+1用于将载球与干燥固体物料筛分分离。在除第N个螺旋输送干燥器S_N以外的第n个螺旋输送干燥器S_n上设有干空气入口A1，在第N个螺旋输送干燥器S_N上设有湿空气出口A2，在A1口连接鼓风机8和/或在A2口连接引风机9，在各个螺旋输送干燥器中，气体以并流或逆流方式与含水固体物料进行接触。

本发明的装置还包括筛分及出料螺旋S_N+1，其用于将载球与已经干燥的固体物料筛分分离，包括外壳1和置于该外壳内的螺旋输送叶片2，主轴3在对应的旋转驱动装置D的驱动下旋转，并带动螺旋输送叶片2旋转，且该螺旋输送叶片2与所述外壳1之间构成螺旋通道4。同样地，该螺旋输送叶片的直径与外壳的内径尽可能接近，以便减少叶片边缘与外壳内壁之间的缝隙。这样做的好处是使得固体物料不至于从上一叶片边缘散落至下一叶片，防止固体物料返混。所述外壳底部上具有若干个小孔或细槽，小孔直径或细槽宽度允许粉末漏下但是不允许载球落下；将筛分及出料螺旋S_N+1靠近驱动装置的一端定义为前端，远离驱动装置的一端定义为后端，其前端顶部与第N个螺旋输送干燥器S_N的出料口15连通，后端底部与第1个螺旋输送干燥器S₁的物料入口连通，用于将载球返回至S₁中。所述筛分及出料螺旋S_N+1的驱动装置D_N+1与第N个螺旋输送干燥器S_N的驱动装置D_N连锁，当D_N正转时，筛分及出料螺旋S_N+1的驱动装置不转动，S_N中的物料和载球都被推入S1的物料入口中，继续沿S₁至S_N循环；当D_N反转时，S_N中的物料和载球被反向推入S_N的前端底部出料口15中并落入筛分及出料螺旋S_N+1中，筛分及出料螺旋S_N+1驱动装置D_N+1正转，将干燥后的干粉物料通过外壳底部的小孔或细槽落下，而将载球返回至S₁中，继续沿S₁至S_N循环。

在本发明优选的实施方案中，在湿空气出口A2处设置湿度传感器，当传感器检测到空气湿度没有达到干燥要求时，此时第N个螺旋输送干燥器S_N的驱动装置D_N正转，载球和物料按照如图2-5所示的干燥过程路径G-G’输送；当传感器检测到空气湿度已经达到干燥要求后，此时将第N个螺旋输送干燥器S_N的驱动装置D_N由正转改为反转，将物料和载球输送到筛分及出料螺旋S_N+1中，整个出料过程按照图2-5中的E-E’出料过程路径输送。

本发明的装置中，配置各螺旋输送干燥器的物料出入口和空气出入口之间的连接关系以使得：

固体物料在全部螺旋输送干燥器中循环运动(即固体物料依次流经S₁,S₂,…,S_n，…，S_N,S₁,S₂,…,S_n，…，S_N，…)且物料与空气之间逆流接触或顺流接触并被干燥。

本发明中，干空气和湿空气是相对的概念，将未与本发明的含水固体固体物料接触过的湿度相对低的空气称为干空气，将与本发明的含水固体物料接触过的湿度有所增加的空气称为湿空气。湿空气也可以具有一系列的湿度，例如，与含水固体物料接触时间越长，则湿空气湿度越高。

在本发明的干燥装置的优选实施方案中，其还包括干燥固体物料容器11，该干燥固体物料容器11位于所述筛分及出料螺旋S_N+1的小孔或细槽的正下方，用于存储筛分后的干燥固体物料，并任选地通过高温来杀灭干燥固体物料中的微生物。该高温可以设置为100℃以上，也可设定为120℃以上，以提高微生物杀灭效率。该高温可以用电加热或者太阳能集热管来维持，优选用太阳能集热管，因为这样更节能。

在本发明的干燥装置的优选实施方案中，其还包括分别设置在各螺旋输送干燥器的空气入口和空气出口处的湿度计，或者仅设置在与干燥空气源连通的空气入口和/或直接向大气中排放空气的空气出口处的湿度计；和/或，其还包括设置在直接向大气中排放空气的空气出口处的湿空气后处理装置16，该湿空气后处理装置16选自紫外线消毒灯或脱臭过滤器。其中，设置湿度计的作用是便于监测湿度，并可以据此调整干空气的进入量或者主轴的转速，以达到合意的物料干燥程度和干燥时间。其中湿空气后处理装置用于对湿空气进行必要的后处理，例如采用紫外线消毒灯对湿空气进行消毒，或采用脱臭过滤器对湿空气进行脱臭，以满足环境排放的要求。

在本发明的干燥装置的优选实施方案中，其中所述干燥空气源是环境空气或经加热的空气,其中所述经加热的空气选自烟道气、电加热的空气、太阳能加热的空气或经热能存储器加热后的空气。

在本发明的干燥装置的优选实施方案中，其中所述热能存储器中设有热水储桶，该热水来自太阳能热水器，该热水储桶内部或外壁上设有空气盘管，环境空气在流过该盘管时被该热水加热,成为所述经热能存储器加热后的空气。

在本发明的干燥装置的优选实施方案中，其任选地采用具有外套加热的螺旋干燥器，如图4所示。所述具有外套加热的螺旋干燥器具有保温层12和位于保温层内测的加热套管13，保温层12的内表面与外壳1的外表面形成加热介质循环空间S-H，在保温层12上设有加热工质入口H1和加热工质出口H2，任选地将H1和H2在螺旋干燥器外部通过导管连通，使加热工质循环使用。所述加热工质可以是热水、导热油或者蒸汽。

在本发明的干燥装置的优选实施方案中，其也可以任选地采用具有内加热的螺旋干燥器，如图5所示。所述具有内加热的螺旋干燥器具有空心主轴17和保温层12，以及分别通过旋转接头R1和R2与空心主轴17连接的加热工质入口H1和加热工质出口H2，空心主轴17本身可被加热，在空心主轴17中形成加热介质循环空间S-H，任选地将H1和H2在螺旋干燥器外部通过导管连通，使加热工质循环使用。所述加热工质可以是热水、导热油或者蒸汽。外套加热的螺旋干燥器的优点是结构简单，内加热的螺旋干燥器的优点是加热效率较高，两者既可以单独使用，也可以结合使用。

在使用常规能源(电，蒸汽等)且价格较高情况下，必须考虑提高能源利用率的方法，此时最主要途径是回收排放物的潜热。本发明的方法任选地包括机械蒸汽再压缩MVR(Mechanical Vapor Recompression)步骤。MVR技术的基本原理就是将干燥器/蒸发器产生的水蒸汽/高温高湿空气回收，通过压缩机的再压缩，使其内能得以提升，得到高温高压的压缩蒸汽，之后重新作为本级蒸发器的加热工质。因此，二次蒸汽的潜热在理论上全部得到有效的利用。MVR技术以付出少量高品位电能，得到潜热充分利用，系统综合能源利用效率大大提高的效果。

在本发明的干燥装置的优选实施方案中，其任选地包括位于湿空气出口的MVR空气压缩机AC，将从湿空气出口A2中回收排放的潜热循环使用。如图7所示，其工作过程为：

1、当物料进入循环干燥装置中后，由电加热器EH将物料加热到蒸发温度以加快水分的蒸发速度；

2、在干燥过程中，打开真空泵VP，使干燥装置中的气压下降，物料中的水分沸腾，蒸发速度被加强；

3、在干燥过程中，启动空气压缩机AC，使循环干燥装置中的饱和水蒸汽从A2口被吸出，再通过空气过滤净化装置F1/F2过滤掉灰尘和凝结水，过滤后的水蒸汽经过空气压缩机，产生高温高压(压力由压缩机的压缩比确定)的水蒸汽；将高温高压的水蒸汽由S1/H1加入加热空间S-H，沿路径B-B’循环，冷凝并释放潜热，该热源的热能通过螺旋输送干燥器的外壳1传递到螺旋输送干燥器内部的物料及载球，冷凝水通过冷凝水出口14排出并收集到水箱WT中；

4、脱水降温后的热蒸汽由S2/H2出口排出后再从A1口进入螺旋干燥器中参与蒸发/干燥并再次形成饱和水蒸气由A2口输出；系统建立蒸发-压缩-冷凝的平衡状态；此时可关闭电加热器EH及真空泵VP。

本实施例无废气排放，固体端输出为干燥粉末物料，液体端输出为蒸馏冷凝水。

本发明的第二方面涉及一种含水固体物料循环干燥方法，该方法中所使用的装置如上文所述，下面对该方法所包括的各步骤进行详细介绍。

将含水固体物料送入螺旋输送干燥器中，在螺旋输送干燥器中与多个载球搅拌在一起，使得每一载球表面粘载有一部分该含水固体物料，并在该螺旋输送干燥器的外壳与其内的螺旋输送叶片之间的螺旋通道中螺旋运动。其中，在螺旋通道中，物料一部分被均匀分布在螺旋输送叶片上，一部分粘载在众多载球上，一部分粘载外壳的内壁上，其与空气的接触面积将大大增加。同时向该螺旋通道中通入空气，该空气以与含水固体物料逆流或并流的方式对该含水固体物料进行风干；干燥空气沿着螺旋通道盘旋流动，吹过载球、外壳的内壁及螺旋输送叶片，带走分布在其上的含水固体物料中的水分，同时干空气的湿度逐渐增加并最终作为湿空气从空气出口排出，这也实现了对干空气的充分利用。以上两点，极大地提高了风干效率。此外，随着物料逐步干燥，其与螺旋输送叶片表面、内壁以及载球表面的附着力逐渐降低，随着后续的载球的碾压摩擦，干燥固体物料与叶片表面，内壁及载球表面逐渐分离，越接近物料出口，脱落的物料越多，形成载球与脱离的干燥物料混合物，并实现了螺旋输送叶片、载球和外壳内壁的自清洁。筛分及出料螺旋S_N+1的驱动装置与第N个螺旋输送干燥器S_N的驱动装置连锁，在正常的干燥过程中，每个螺旋输送干燥器的主轴均正转，筛分及出料螺旋不转动；在出料过程中，第N个螺旋输送干燥器S_N的主轴反转，筛分及出料螺旋的主轴正转，从而载球和干燥物料进入到筛分及出料螺旋中，载球和干燥后的固体物料在筛分及出料螺旋中分离后，干燥后的物料由位于筛分及出料螺旋的外壳底部的小孔或细槽落下，而载球返回到第一个螺旋输送干燥器S₁中。

在本发明的上下文中，用于对含水固体物料进行干燥的空气来自干燥空气源。其中所述干燥空气源是环境空气或经加热的空气,其中所述经加热的空气选自烟道气、电加热的空气、太阳能加热的空气或经热能存储器加热后的空气。当环境空气温度高时(例如晴朗夏天或者在热带或亚热带地区)，可直接使用环境空气作为干燥空气源；当环境空气温度低时(例如阴雨天或夜间)可使用经加热的空气作为空气源，例如使用工业或家庭烟道气以实现余热利用。为了能最大程度地利用太阳能，减少对其它能源的依赖，在本发明的优选实施方案中，使用经太阳能加热器直接加热过的空气作为干燥空气源。为了能够在夜间也能使用太阳能，本发明的优选实施方案中还采用了热能存储器来将白天的太阳能存储起来，用于在夜间加热环境空气来提供所述干燥空气源。其中所述热能存储器中设有热水储桶，存有来自太阳能热水器的热水，白天在太阳能热水器的加热作用下，水被加热到很高的温度，并存储在该热水桶内。由于热水桶容量很大、水的比热大储热能力强且热水桶外包有保温材料，故该热水桶在夜间仍可以作为热源来加热环境空气。该热水储桶内部或外壁上设有空气盘管，环境空气在流过该盘管时被该热水加热,成为所述经热能存储器加热后的空气。

在本发明的干燥装置的优选实施方案中，其还包括：设置在各空气入口或出口处的鼓风机8和/或引风机9，用于向螺旋通道内鼓风或引风。该风机可以以太阳能电池作为驱动力。优选地，在干气体入口A₁连接鼓风机(8)和/或在湿气体出口A₂连接引风机(9)。

在本发明的方法的优选实施方案中，任选地将筛分后的干燥固体物料收集在干燥固体物料容器中并用高温来杀灭其中的微生物。该高温可以设置为100℃以上，也可设定为130℃以上，以提高微生物杀灭效率。该高温可以用电加热或者太阳能集热管来维持，优选用太阳能集热管，因为这样更节能。

在本发明的方法的优选实施方案中，其还包括对离开螺旋输送干燥器的湿空气进行消毒和/或脱臭的步骤。

在待处理含水固体物料数量不多，或无处理时限要求的情况下，本发明的优选方案可以采用如图2所述的自然干燥法进行处理。

但是当含水固体物料数量较大时，自然干燥法由于效率较低不能满足实际需要，此时需要通过强制加热的方式来加速蒸发及干燥。具体又可分下面2种情况。

第一，在能源价格较低(如使用太阳能或余热利用)时，本发明还包括具有外套加热的螺旋干燥器或具有内加热的螺旋干燥器来强制干燥的方法，优选的实施方案是采用图6所述的由外供热型螺旋干燥器构成的干燥设备。

第二，在能源价格较高情况下，必须考虑提高能源利用率。此时最主要途径是回收排放物的潜热。本发明的方法任选地包括机械蒸汽再压缩MVR(Mechanical Vapor Recompression步骤，此时，本发明中的优选的实施方案如图7所示。

本发明的装置的优点如下：

1、物料在螺旋输送干燥器中循环干燥，克服单程螺旋干燥器的干燥水平不足的问题。且需要的螺旋输送干燥器的数量相对于传统的干燥方法较少，从而使干燥装置结构紧凑，空间利用率高，适合在室内环境下使用。

2、使用了螺旋输送干燥器与载球的组合，含水固体物料与空气的接触面积大大增加，且干空气得到了最充分的利用，故干燥效率高。本发明尤其适合粘稠型含水固体物料的干燥。粘稠物料因其水分含量低、可输送和可翻动性差、与空气接触面积小、易于与器壁粘附并在干燥过程中板结成块的特点，其干燥一直是个难题，本发明用载球作为粘稠物料的输送载体，并在输送过程中将其摊开在螺旋输送叶片、外壳内壁和载球本身上，解决了其输送和翻动问题，也有效地增大了其与空气的表面积，提高了其干燥效率。干燥后粘在叶片、外壳内壁和载球上的干燥物料，在载球的碾磨和摩擦下，也很容易脱落并以粉末形式随载球输送，解决了粘稠物料在器壁上板结成块的问题，并使得本发明的装置具有自清洁能力。

3、本发明提供了不同的优选实施方案，可以针对不同的情况灵活应用。能够在较低成本下同时实现低能耗与迅速干燥，这也是传统干燥设备和干燥方法难以兼得的。

4、当本发明的干燥装置用作厕所污水处理时，可以实现脱离污水管网独立运转，这将极大改善全球26亿人口使用旱厕所，化粪池，茅坑等缺乏基础卫生设施的状况。此外，干燥后的粪便粉末经过高温处理可以消除病原体，还可以作为有机肥料来使用实现资源回收。

5、本发明的装置与机械蒸汽再压缩设备MVR结合使用，可以最大程度地利用湿蒸汽的潜热，提高能量利用率，在众多场合具有良好应用前景。

实施例

实施例仅为举例说明，不以任何方式限制本发明。

实施例1.微量冲水马桶及粪便原地处理器

在该实施例中，含水固体物料为粪便。其中粪便是指大便和/或小便。当然，所述粪便不仅限于人的粪便，也可以是动物粪便，例如来自禽畜养殖场的动物粪便。本发明的含水固体物料循环干燥装置用作粪便原地处理器。

其工作流程为：

1、粪便排放在微量冲水马桶中，可将马桶与本发明的循环干燥装置的进料口Mx直接相连，因此只需要少量的水将粪便直接送入循环干燥装置中即可，例如将该马桶通过压力喷射水雾冲洗，冲水量大大节省；粪便/尿液/冲洗水的混合物由带有粉碎刀头的污水泵RSP抽吸(防止堵塞)，经进料口Mx加入到循环干燥装置中；

2、在每个螺旋输送干燥器中，旋转驱动装置D驱动主轴3旋转并带动螺旋输送叶片2旋转，导致载球及携带的粪便在螺旋输送叶片2上滚动或者滑动，粪便在载球表面摊开，增加了与干空气的接触面积，有利于其风干，且当所述螺旋输送干燥器使用强制加热来干燥时，可以加热物料的内部；物料由每个螺旋输送干燥器的前端向后端输送，再通过物料出口被输送至下一个螺旋输送干燥器，在由N个螺旋输送干燥器构成的闭合回路中的整个干燥区域中循环运动；干空气从入口A1口进入，气体与物料以逆流或并流的方式热交换，吹过载球及外壳内壁及螺旋输送叶片，带走粪便和尿液中的水分，干空气的湿度逐渐增加并最终从空气出口A2排出，并进入紫外线消毒段(16)，经过消毒的湿空气最终排放在大气中；

3、随着粪便逐步干燥，其与螺旋输送叶片表面、外壳内壁以及载球表面的附着力逐渐降低，在后续来球的碾压摩擦作用下，干燥粪便与叶片表面，内壁及球表面逐渐分离，最后形成球与脱离的干燥粪便混合物；

4、当湿空气出口A2处的湿度计检测到出口的空气湿度符合标准时，将第N个螺旋输送干燥器由正转改为反转，使载球和物料的混合物不再返回第1个螺旋输送干燥器S₁中，而是在S₄中反方向行走,进入筛分及出料螺旋S_N+1中进行筛分，干净的载球不会落下而是返回第1个螺旋输送干燥器S₁中，再次加入循环；而干燥粪便粉末通过筛分及出料螺旋下面的出料口15漏入干燥固体物料容器11中，进一步，加热并保温一端时间，以确实杀灭病原体、细菌和寄生虫卵等微生物，此时干燥的粪便成为良好的有机肥料。

该实施例1中还可以根据需要使用具有外套加热的螺旋干燥器，如图8所示，其工作流程为：太阳能供热单元包括热水箱HWT、热水循环泵WP、太阳能光热采集STC依次串联，加热工质(热水)在水泵WP的驱动下，从S1/H1进入，在加热空间S-H沿路径B-B’循环，从S2/H2出加热器进入太阳能采集器被再次加热后，进入热水箱HWT。螺旋输送干燥器S_n的外壁被热水加热，通过传导去加热螺旋内部的载球和物料(粪便污水)，从而加速干燥过程。

与本申请人提出的专利申请(申请号201410023079.X)相比，本实施例允许将马桶与粪便处理器分离，这样至少具有2个积极效果，第一，马桶部分可安装在室内将处理器设置在室外，这样方便夜间使用无需出房间；第二，1个处理器可以接纳数个马桶，这样可以满足人口较多家庭1户设置2-3个马桶，或者若干用户共享一个处理器以分摊降低各自的成本。

实施例2.厨余垃圾处理装置

厨房剩余垃圾是生活垃圾中难以处理的一部分，其有机物含量高，滋生细菌，产生异味，混杂在其他可回收利用的废弃物中，增加了后续分选和处理的难度。

利用本发明的应用实例1，并将其中的进料口Mx连接到一个粉碎机，将厨余垃圾-剩饭剩菜等经粉碎后作为待干燥的含水固体物料与载球进行混合，其余处理步骤与实施例1相同，则可以将厨余垃圾干燥后转换为经过消毒的有机肥料。

实施例3.其余含水固体物料的处理

显然，待干燥的含水固体物料不仅限于粪便和厨余垃圾，其还可以为养殖场禽畜废弃物、污水处理池的淤泥、湖泊污泥、食品发酵行业的废渣、中药材提取有效成分后的废渣，等等，均可利用本发明的装置和方法进行处理。

实施例4.蒸馏水制备

当待干燥的含水固体物料相对干净(即基本不含致病性微生物)且水含量很高时，可以在湿空气出口处增设一个水蒸气冷凝器，将湿空气中的水蒸气冷凝成蒸馏水，供人们使用。如果将海水或盐湖水看作是一种特殊的含水固体物料的话，则本发明的装置也可以算作是一种低能耗的海水淡化装置。

实施例5.含水固体物料的强制蒸发

当待处理含水固体物料数量很大时，自然蒸发效率低，无法满足要求，需要采用强制蒸发的手段。当处理量大且能源价格较高情况下，必须考虑提高能源利用率。在本发明的应用实施例1的基础上加入MVR步骤，其工作过程如图图7及图9所示，除实施例1中的循环干燥装置的工作过程还包括：

1、当物料进入循环干燥装置中后，由电加热器EH将物料加热到蒸发温度以加快水分的蒸发速度；

2、在干燥过程中，打开真空泵VP，使干燥装置中的气压下降，物料中的水分蒸发速度被加强；

3、在干燥过程中，启动空气压缩机AC，使循环干燥装置中的饱和水蒸汽从A2口被吸出，再通过空气过滤净化装置F1/F2过滤掉灰尘和凝结水，过滤后的空气经过空气压缩机，产生温度高温高压(压力由压缩机的压缩比确定)的水蒸汽；将高温高压的水蒸汽由S1/H1进入加热空间S-H沿路径B-B’循环，冷凝并释放潜热，该热源的热能通过螺旋输送干燥器的外壳1传递到螺旋输送干燥器内部的物料及载球，冷凝水通过冷凝水出口14排出并收集到水箱WT中；

4、脱水降温后的热蒸汽由S2/H2出口排出后再从A1口进入螺旋干燥器中参与蒸发/干燥并再次形成饱和水蒸气由A2口输出；系统建立蒸发-压缩-冷凝的平衡状态；此时可关闭电加热器EH及真空泵VP。

其中物料泵MP(可以是水泵，污水泵，泥浆泵)优选采用逆流换热方式PHT，对物料箱MT中的待处理含水固体物料进行预加热，以充分利用从热水箱WT中排放冷凝热水的显热。

本实施例无废气排放，固体端输出为干燥粉末物料，液体端输出为蒸馏冷凝水。其广泛用途包括并不限于：

1、饮用水生产，对不适合人类饮用的高矿物水，生活水源受到工业污染的劣质水进行处理，输出产品为饮用级净水及废弃固体残渣。

2、海水淡化，输出产品为海盐及饮用级净水。

3、城市垃圾渗滤液处理，输出产品为达到环境直接排放标准的清水及少量固体垃圾粉末。

4、粪便处理，特别是当自然灾害发生后，城市污水处理系统无法服务时的应急应用。

5、淤泥处理，输出产品为达到环境直接排放标准的清水及较大量固体肥料粉末。

该系统可达到本发明目的，提供一种连续多程操作、处理量大、一步完成将高含水固体物料处理成为干燥成品的蒸发/干燥装置。装置具有低能耗的特点，特别是具有防止物料板结在干燥器/蒸发器表面的自洁功能。

Claims (9)

1.一种含水固体物料循环干燥装置，其包括以下构件：

N个螺旋输送干燥器，依次编号为S_n，其中n和N均为自然数，1≤n≤N且N≥3；每个螺旋输送干燥器包括外壳(1)和置于该外壳内的螺旋输送叶片(2)，每个螺旋输送干燥器的主轴(3)在对应的旋转驱动装置的驱动下旋转，并带动螺旋输送叶片(2)旋转，将各旋转驱动装置依次编号为D_n，且螺旋输送叶片(2)与所述外壳(1)之间构成螺旋通道(4)；每个螺旋输送干燥器还包括载球(7)，其数目为多个，其在工作状态下与所述含水固体物料混合并存在于所有螺旋输送干燥器的螺旋通道(4)中，其用于辅助干燥并具有清洁螺旋叶片及外壳内壁的功能；将各螺旋输送干燥器靠近其驱动装置的一端定义为前端，远离驱动装置的一端定义为后端,每一螺旋输送干燥器前端顶部设有物料入口(5)，后端底部设有物料出口(6)，所述物料入口(5)也作为气体出口且物料出口(6)也作为气体入口，或者所述物料入口(5)也作为气体入口且物料出口(6)也作为气体出口；其中第n-1个螺旋输送干燥器S_n-1的物料出口位于第n个螺旋输送干燥器S_n的物料入口的上方并通过下料管与后者连通，第N个螺旋输送干燥器S_N的物料出口位于第一个螺旋输送干燥器S₁物料入口的上方并通过下料管与后者连通，由此S₁至S_N构成了一个闭环通道；在任何一个螺旋干燥器上设置一个或几个进料口；在第N个螺旋输送干燥器S_N的下部与其并行地设置筛分及出料螺旋S_N+1，第N个螺旋输送干燥器S_N前端底部设有与筛分及出料螺旋S_N+1连通的出料口(15)且第N个螺旋输送干燥器S_N的驱动装置能正反两向转动，其中正转是指将物料从前端推向后端的转动；除第N个螺旋输送干燥器S_N以外的任何一个螺旋输送干燥器上设有干气体入口A₁，在第N个螺旋输送干燥器S_N上设有湿气体出口A₂，在各个螺旋输送干燥器中，气体以并流或逆流方式与含水固体物料接触；

其中所述筛分及出料螺旋S_N+1用于将载球与干燥固体物料筛分分离，其包括外壳(1)和置于该外壳内的螺旋输送叶片(2)，主轴(3)在对应的旋转驱动装置D_N+1的驱动下旋转，并带动螺旋输送叶片(2)旋转，且该螺旋输送叶片(2)与所述封闭式外壳(1)之间构成螺旋通道(4)；所述外壳底部上具有Y个小孔或细槽，且依次编号为PE_y，其中Y和y均为自然数，1≤y≤Y且Y≥1,小孔直径或细槽宽度允许干燥后的固体物料粉末漏下但是不允许载球落下；将筛分及出料螺旋S_N+1靠近驱动装置的一端定义为前端，远离驱动装置的一端定义为后端，其前端顶部与第N个螺旋输送干燥器S_N的前端出料口(15)连通，其后端底部与第1个螺旋输送干燥器S₁的物料入口连通，用于将载球返回至S₁中；所述筛分及出料螺旋S_N+1的驱动装置D_N+1与第N个螺旋输送干燥器S_N的驱动装置D_N连锁，当D_N正转时，筛分及出料螺旋S_N+1的驱动装置不转动，S_N中的物料和载球都被推入S₁的物料入口中，继续沿S₁至S_N循环；当D_N反转时，S_N中的物料和载球被反向推入S_N的前端底部出料口(15)中并落入筛分及出料螺旋S_N+1中，筛分及出料螺旋S_N+1驱动装置D_N+1正转，将干燥后的干粉物料通过外壳底部的小孔或细槽落下，而将载球返回至S₁中，继续沿S₁至S_N循环。

2.根据权利要求1的含水固体物料循环干燥装置，其中N＝3或4。

3.根据权利要求1的含水固体物料循环干燥装置，其采用具有外套加热的螺旋干燥器，所述具有外套加热的螺旋干燥器具有保温层(12)和位于保温层内侧的加热套管(13)，加热套管(13)的内表面与外壳(1)的外表面形成加热工质循环空间S-H，该加热介质循环空间S-H具有加热工质入口H1和加热工质出口H2，任选地将H1和H2在螺旋干燥器外部通过导管连通，使加热工质循环使用。

4.根据权利要求1的含水固体物料循环干燥装置，其采用具有内加热的螺旋干燥器，所述具有内加热的螺旋干燥器具有空心主轴(10)和围绕所述螺旋干燥器外壳的保温层(12)，以及分别通过旋转接头R1和R2与空心主轴(10)连接的加热工质入口H1和加热工质出口H2，空心主轴(10)本身可被加热，在空心主轴(10)中形成加热介质循环空间S-H，任选地将H1和H2在螺旋干燥器外部通过导管连通，使加热工质循环使用。

5.根据权利要求3或4的含水固体物料循环干燥装置，其中所述加热工质选自热水、导热油或者蒸汽。

6.根据权利要求3或4的含水固体物料循环干燥装置，其还包括位于湿气体出口A2下游的空气压缩机，将从湿气体压缩成高温高压的压缩蒸汽后作为加热工质回用。

7.根据权利要求5的含水固体物料循环干燥装置，其中所述热水由太阳能热水器提供。

8.根据权利要求1的含水固体物料循环干燥装置，其中所述载球的表面或者光滑或者具有多个凹坑或多个突起，或者所述载球具有中空结构，或者所述载球具有中空结构且内部填充有多孔材料或能吸收保持水分的密实材料或更小的球体，或以上各种情况的组合。

9.根据权利要求1的含水固体物料循环干燥装置，其中在干气体入口A₁连接鼓风机(8)和/或在湿气体出口A₂连接引风机(9)。