CN107585995B - 一种污泥过热蒸汽干燥传热传质强化装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种污泥过热蒸汽干燥传热传质强化装置与方法，装置通过改善污泥内部与外部热质传递条件来强化污泥过热蒸汽干燥过程传热传质，适用于高含水污泥干燥。其特征是：在单根轴上错开45°布置螺旋线方向分别为顺时针与逆时针螺旋叶片，两种叶片与中心轴轴向夹角互相垂直且螺距不同，顺时针螺旋叶片底边高等于逆时针螺旋叶片顶边高。该装置增加污泥运动时污泥之间间隙，改善污泥与过热蒸汽两相流动，进而强化污泥与过热蒸汽接触效率，改善污泥外部热质传递，并将湿含量不同污泥相混合，在污泥间形成更高温度差和湿度差，增强污泥内部热质传递。装置强化干燥过程内外部传热传质，加快干燥进程，改善干燥质量，提高干燥效率与能量利用率。

Description

一种污泥过热蒸汽干燥传热传质强化装置与方法

技术领域

本发明属于污泥干燥领域，涉及一种污泥干燥传热传质强化装置与方法，尤其是一种以过热蒸汽为干燥介质的污泥干燥传热传质强化装置与方法。

背景技术

随着城市人口的增加，城市污水处理量也在大幅度提升，污泥的产量也逐年增长，污泥中含有多种、大量的有害物质，如果不能得到有效的处理，会对环境造成很大的破坏。而且未经过处理的污泥，会散发出臭味，直接影响人的身体健康，并且有致癌作用，因此污泥的处理面临着严峻的形式。

而污泥是一种高含水物质，一般的污水处理厂产生的污泥含水率都在95%以上，经过浓缩后依然含水率在90%以上，因此污泥的干燥是一个将污泥水分大量去除的一个过程。现有的污泥处理技术有很多种，分为卫生填埋、污泥焚烧、污泥干燥和热处理、污泥堆肥，以及建材化等多种使用。而热干燥是处理污泥的重要途径，污泥干燥是指通过滤渗或蒸发，将污泥中含有的水分去除的方法。

污泥在干燥过程中，一般同时发生两个过程，一个为湿分的汽化及其传递，即质交换，另一个过程为热量的传递，即热交换。也可以将干燥分为污泥内部的质热传递和相界面上边界层中的质热传递，所以干燥过程的强度就与物料内部和外部的质热传递条件相关。当外部质热传递适应内部质热传递时，干燥强度最大（金国淼.干燥设备[M].北京:化学工业出版社,2002.）。

污泥外部的质热传递也是水分的蒸发过程，即由于污泥升温后，外表面的水分温度升高，然后发生汽化，由于表面的蒸汽压力小于干燥介质中的蒸汽分压，然后被干燥介质带走的一个过程。污泥内部的质热传递实质是污泥内部水分的扩散过程，干燥介质把表面的水蒸气带走之后，污泥内部的温度低于外部的污泥温度，而内部的湿度大于外部的湿度，因此水分便开始向外部扩散（李博. 污泥高效干化方法及干化焚烧系统的优化运行研究[D].浙江大学,2014.）。这两个过程一般同时进行，强化这两个过程的相互作用，就能增加污泥的干燥速率，缩短干燥时间。

E.U.Schulunder对静止散状堆积物料层的研究表明：由于物料中颗粒间存在着间隙，湿分蒸汽可以通过这层间隙扩散出来，因此增加干燥时污泥之间的间隙，就能提高湿分蒸汽的蒸发速率。而污泥在干燥过程中存在明显的收缩现象，前段干燥收缩幅度大，后段干燥收缩幅度小，各尺寸变化规律与水分变化规律一致，污泥产生收缩是水分蒸发的直观反映。在干燥机中，尾端的污泥干燥速率比前端的污泥高，因为经过一段时间的干燥后，污泥的体积发生收缩而减小，且温度升高，污泥在经过长时间搅拌后也变得更加均匀，这个时候的污泥失重变快，干燥速率大大上升（马侠,蒋旭光,马增益,严建华,岑可法. 桨叶式干燥机污泥干燥试验研究[J]. 能源工程,2006,03:57-60.）。

在干燥装置内，物料与载湿气体进行两相流动，载湿气体的主要作用就是把污泥中的蒸汽蒸发并带走，因此增加物料表面和载湿气体之间传热传质的梯度，对干燥有着重要的作用。而载湿气体从入风口进入干燥装置后，总体趋势都是往出风口的方向流动，但是在流动的过程中会收到旋转的叶片以及轴这些旋转区域的影响（秦长江. 双轴桨叶式干燥机传热传质数值模拟研究[D].湘潭大学,2015.）。

中国专利CN 104743762 B公开了一种污泥干燥机，该装置通过两根轴上布置运动空间相切合的螺旋叶片，使物料得到充分的搅拌，均匀受热，避免污泥粘结和堵料，并采用两个Ｊ型板外侧分别对称设置两个S型管通过两个对称设置的S型导热介质管，使得导热介质对污泥均匀加热。然而该装置只是增加受热面积来加强热交换，通过在内外壳体之间设置保温层提高热能利用率，并没有改变污泥的运动状态及污泥内部质热传递，污泥的干燥速率低。

中国专利CN 205138138 U公开了一种螺旋推进式连续干燥装置，该装置利用打散叶片和螺旋叶片使得物料在打散、扬起的过程中与干燥介质充分接触，该装置加强污泥的打散作用来达到强化换热的目的，但并没有改善干燥介质的运动状态及污泥边界层的质热传递，干燥介质的热量没有得到充分的应用。

中国专利CN 103693838 A公开了一种污泥干燥装置及方法，该装置通过两个腔体共同连接的套筒设置，分别将污泥与干燥介质分别在各自的腔体内做螺旋运动来增加污泥与干燥介质换热效率，但该装置只是延长了污泥与干燥介质的运动时间，也没有改变污泥的运动效果及污泥内部质热传递，污泥容易受热不均。

目前的干燥装置对高含水率污泥的干燥，污泥与过热蒸汽的两相流动不够，污泥容易黏结在一起，与过热蒸汽的接触不够充分，影响边界层的质热传递，且相邻污泥之间温度差和浓度差不高，影响污泥内部的质热传递，导致干燥介质的传热传质效果不好，不仅影响干燥速率，而且影响干燥效果，干燥出来的污泥干燥程度不均匀。

发明内容

本发明的目的是提供一种能改善污泥与过热蒸汽两相流动，增加污泥之间间隙，提高污泥内部及外部质热传递，从而增加干燥速率，缩短干燥时间，避免污泥干燥不均匀，干燥效果不佳并提高过热蒸汽传热传质效果的污泥过热蒸汽干燥传热传质强化装置与方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种污泥过热蒸汽干燥传热传质强化装置，其特征在于：从进料口起始沿轴向往出料口布置多个与中心轴轴向夹角一致的叶片，相邻叶片在中心轴上相差90°，这些叶片绕中心轴形成一种顺时针螺旋线，并用支撑杆焊接在中心轴上，支撑杆垂直于中心轴。从出料口起始沿轴向往进料口布置多个与中心轴轴向夹角一致的叶片，相邻叶片在中心轴上相差90°，这些叶片绕中心轴形成一种逆时针螺旋线，并用支撑杆焊接在中心轴上，支撑杆垂直于中心轴。

优选的，在单根中心轴上同时布置顺时针螺旋与逆时针螺旋两种叶片，两种叶片与中心轴轴向夹角互相垂直。

优选的，装置内顺时针螺旋叶片底边距离中心轴的高度等于逆时针螺旋叶片顶边距离中心轴的高度。

优选的，装置内逆时针螺旋叶片的螺距大于顺时针螺旋叶片的螺距。

优选的，装置内顺时针螺旋叶片支撑杆和逆时针螺旋叶片支撑杆错开45°布置。

一种污泥过热蒸汽干燥传热传质强化装置的污泥过热蒸汽干燥传热传质强化方法，其特征在于：污泥进入装置强化区域后，被径向高度不同的顺逆时针螺旋叶片分成两层；强化区域外层污泥随着顺时针螺旋叶片做圆周运动，轴向运动方向往出口方向；强化区域内层污泥随逆时针螺旋桨叶扬起做径向运动，轴向运动方向为入口方向；两层污泥运动方向不同，但互相结合；过热蒸汽受叶片运动影响在叶片之间与污泥进行强烈两相对流。

本发明的有益效果是：

1.污泥在装置内通过顺时针螺旋叶片与逆时针螺旋叶片结合方式可以加强污泥与过热蒸汽在装置内的两相流动，使污泥充分与过热蒸汽接触并进行传热传质；

2.逆时针螺旋叶片与顺时针螺旋叶片错开45°布置，且逆时针螺旋叶片有更小的螺距，这样的布置方式使污泥在两种叶片间交替运动，增加污泥在装置内运动次数及频率，使污泥充分与过热蒸汽接触并进行传热传质；

3.污泥在装置内通过顺逆时针结合布置的方式避免污泥在尾端堆积，并将不同干燥程度的污泥相互结合，在污泥之间形成更高的温度差和湿度差，改善污泥干燥质量，使污泥充分与过热蒸汽接触并进行传热传质；

4.顺时针螺旋布置叶片的底边高恰好为逆时针叶片的底边高，这种布置方式使污泥错开成两个区域，使不同区域的污泥产生不同的运动方式，顺时针螺旋叶片使底部污泥有更多的圆周运动，逆时针螺旋使污泥有更多的径向运动，这两种运动增加污泥之间的间隙，使污泥充分与过热蒸汽接触并进行传热传质；

5.本发明通过改善污泥与过热蒸汽传热传质效果，并改善污泥的干燥质量，减少干燥时间且提高能量利用率。

附图说明

图1为装置总示意图。

图2为顺时针螺旋叶片布置方法示意图。

图3为逆时针螺旋叶片布置方法示意图。

图4为顺逆时针螺旋叶片结合布置方法示意图。

图5为叶片的角度与大小布置示意图。

a为叶片角度，b和c为叶片大小布置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示的污泥过热蒸汽干燥传热传质强化装置，包括进料口1、出气口2、逆时针螺旋叶片3、逆时针螺旋叶片支撑柱4、顺时针螺旋叶片支撑柱5、顺时针螺旋叶片6、中心轴7、进气口8与出料口9。

如图2顺时针螺旋叶片6是从进料口1往出料口9布置，并绕中心轴7形成一种顺时针螺旋线的叶片，顺时针螺旋叶片6通过焊接的方式与顺时针螺旋叶片支撑柱5连接，并且每个叶片与中心轴7的轴向夹角都相同，顺时针螺旋叶片支撑柱5每隔90°布置一根，焊接在中心轴7上。

如图3所示逆时针螺旋叶片3从出料口9往进料口1布置，并绕中心轴7形成一种逆时针螺旋线的叶片，逆时针螺旋叶片3通过焊接的方式与逆时针螺旋叶片支撑柱4连接，并且每个叶片与中心轴7的轴向夹角都相同，逆时针螺旋叶片支撑柱4每隔90°布置一根，焊接在中心轴7上。

如图4所示逆时针螺旋叶片3与顺时针螺旋叶片6布置在同一根轴上，且两种叶片的螺距不同，逆时针螺旋叶片3的螺距小于顺时针螺旋叶片6的螺距。

如图5所示顺时针螺旋叶片支撑杆5与逆时针螺旋叶片支撑杆4错开45°布置，其中顺时针螺旋叶片6在中心轴7上投影的轴向夹角与逆时针螺旋叶片在中心轴7上投影的轴向夹角互相垂直，顺时针螺旋叶片底边距中心轴7的高度恰好等于逆时针螺旋叶片顶边距中心轴7的高度.

基于所述装置的一种污泥过热蒸汽干燥传热传质强化装置与方法，污泥从进料口1进入后，被径向高度不同的顺时针螺旋叶片6与逆时针螺旋叶片3分成内外两层，其中外层污泥随顺时针螺旋叶片6逐步往出料口进行运输，而逆时针螺旋叶片3则使内层污泥往进料口方向运动，污泥在顺时针螺旋叶片6和逆时针螺旋叶片3中间有着相反的运动方向，过热蒸汽也会受到顺时针螺旋叶片6与逆时针螺旋叶片3转动的影响，使过热蒸汽在装置内不只是从装置上方由进气口流向出气口，而是在装置随两种叶片产生复杂的流动，过热蒸汽会流向两种叶片之间，从而增强了过热蒸汽之流动。

顺时针螺旋叶片6和逆时针螺旋叶片3交错45°布置，使污泥也在相邻两个叶片之间交替运动，从而增加了污泥的运动次数，使污泥充分的与蒸汽接触。逆时针螺旋叶片3的螺距小于顺时针螺旋叶片6的螺距，使污泥有更快的运动频率，同时污泥在顺时针螺旋叶片6和逆时针螺旋叶片3之间的距离并不是固定的，使污泥在装置中产生紊流。

通过以上的布置方式，使污泥与过热蒸汽在形成对流换热的同时，相互之间也产生了复杂的两相流动，增加污泥与过热蒸汽的接触频率，从而改善污泥边界的质热交换，提高水分的蒸发，达到强化污泥与过热蒸汽传热传质效果之目的。

靠近出料口9的第一根个叶片是逆时针螺旋布置，因此物料不会在出料口9处堆积，且顺时针螺旋叶片6和逆时针螺旋叶片3交替布置的方式与逆时针螺旋叶片3的小螺距布置方式都能更好的分散污泥，装置尾端污泥是经过一段时间干燥后的污泥，干燥后的污泥会发生收缩，相较前面的污泥更分散，而且有更高的温度与干化程度，尾端干污泥被逆时针螺旋叶片3带动而逆向运动，与前面的湿污泥互相包含，从而在污泥中形成更高的温度差和湿度差，增强污泥内部水分扩散，改善污泥的干燥质量并达到强化污泥与过热蒸汽传热传质之目的。

而顺时针螺旋叶片6半径大于逆时针螺旋叶片3半径，污泥在装置内的运动会被错开，顺时针运动的污泥比逆时针运动的污泥有更快的运动速度，保证污泥最终是往出料口9方向运动同时也让污泥有更大的圆周运动，顺时针运动的污泥与过热蒸汽在圆周方向充分进行换热，而逆时针螺旋叶片与装置边界有一定距离，污泥可以被逆时针螺旋叶片3扬起，使污泥有更大的径向运动空间，两种不同的污泥运动方式增加了污泥之间间隙，增加了污泥与过热蒸汽接触空间，增强污泥边界质热传递，达到强化污泥与过热蒸汽传热传质之目的。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此有同等的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由专利要求限定。

Claims (3)

1.一种污泥过热蒸汽干燥传热传质强化装置，其特征在于：包括搅拌轴、叶片和支撑杆，其特征在于：从进料口起始沿轴向往出料口布置多个与搅拌轴轴向夹角一致的叶片，相邻叶片在中心轴上相差90°，这些叶片绕中心轴形成一种顺时针螺旋线，并用支撑杆焊接在中心轴上，支撑杆垂直于中心轴，从出料口起始沿轴向往进料口布置多个与中心轴轴向夹角一致的叶片，相邻叶片在中心轴上相差90°，这些叶片绕中心轴形成一种逆时针螺旋线，并用支撑杆焊接在中心轴上，支撑杆垂直于中心轴；在搅拌轴上同时布置顺时针螺旋与逆时针螺旋两种叶片，两种叶片与中心轴轴向夹角互相垂直；顺时针螺旋叶片底边距离中心轴的高度等于逆时针螺旋叶片顶边距离中心轴的高度；逆时针螺旋叶片的螺距小于顺时针螺旋叶片的螺距。

2.根据权利要求1所述的一种污泥过热蒸汽干燥传热传质强化装置，其特征在于：顺时针螺旋叶片支撑杆和逆时针螺旋叶片支撑杆错开45°布置。

3.一种用于权利要求1-2任一项所述的一种污泥过热蒸汽干燥传热传质强化装置的污泥过热蒸汽干燥传热传质强化方法，其特征在于：污泥进入装置强化区域后，被径向高度不同的顺逆时针螺旋叶片分成两层；强化区域外层污泥随顺时针螺旋叶片做圆周运动，轴向运动方向往出口方向；强化区域内层污泥随逆时针螺旋叶片扬起做径向运动，轴向运动方向为入口方向；两层污泥运动方向不同，但互相结合；过热蒸汽受叶片运动影响在叶片之间与污泥进行强烈两相对流。

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