CN108069576A - 一种热泵耦合吸附式干燥污泥的密闭系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热泵耦合吸附式干燥污泥的密闭系统，其结构包括热泵系统制冷工质循环回路、吸附系统再生空气循环回路和用于干燥污泥的空气循环回路这三个闭合回路。热泵系统制冷工质循环的作用是对用于干燥污泥的空气进行除湿和加热，使得空气不断地进行着污泥干化、除湿和升温三过程的循环。热泵系统利用回收的冷凝热对用于干燥污泥的空气加热。吸附系统采用固定床、转轮或移动床吸附装置对用于干燥污泥的空气进行第二次除湿，提高污泥干燥过程的效率，并利用再生空气对吸水饱和的吸附装置进行解吸处理，实现其连续，不间断的运行。吸附系统以冷却方式对高湿度再生空气进行除湿，同时利用热泵系统的余热作为除湿后的再生空气升温的唯一热源，使得再生空气不断地进行着吸附装置解吸、除湿和升温三过程的循环。本装置为全封闭结构，吸附系统再生空气循环回路和用于干燥污泥的空气循环回路皆不排放任何气体。

Description

一种热泵耦合吸附式干燥污泥的密闭系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用热泵耦合吸附式除湿处理空气用于干燥污泥的密闭系统，具体可以说是采用制冷工质循环回路、吸湿剂再生介质循环回路和干燥介质循环回路这三个介质循环回路相结合的一种密闭污泥干燥系统，属于热泵除湿技术、吸附除湿技术与污泥干燥技术领域。

背景技术

生活污水与工业废水处理厂产生大量的污泥。为了减少运费、填埋费、燃料费、处理处置设施投资等，有必要以最低的成本进行减量。最经济的减量措施通常是机械脱水。由于污泥性质等复杂原因，常规的机械脱水设备只能将污泥脱至含水率80～85％左右。如果没有进行干化处理，将大大增加后续污泥处理设施的体积而提高处理费用。

利用热风干燥脱水后的污泥是一种普遍的方法。热风干燥装置可分为开路式系统和闭路式系统。开路式系统是指干燥介质离开干燥室经过除尘除臭处理后直接排到外界环境，闭路式系统指干燥介质在干燥室内全部循环使用。

闭路式干燥系统提供两个主要优点。首先，封闭式干化模式可以很容易地保持恒定的干燥环境，由此干燥介质的温度和相对湿度都可以精确地控制。第二，封闭式干化模式不向外界环境排放干燥介质，无臭气外溢，无需安装复杂的除臭装置。

在一个密闭系统循环使用干燥介质需要满足两个条件。其一，对离开干燥室的干燥介质冷却除湿，降低相对湿度。其二，对冷却除湿后的低温干燥介质加热，达到进入干燥室所需的温度。采用热泵除湿技术可以很容易地满足以上的两个要求。

热泵除湿技术是应用一个制冷剂的蒸汽压缩循环来实现除湿。常规的热泵除湿装置由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀这四大部件组成。由压缩机出来的高温高压气体制冷剂进入冷凝器，把热量传给已除湿的空气让其升温后，冷凝成常温高压液体，经膨胀阀节流后进入蒸发器，吸收由干燥室出来的湿空气的热量，将湿空气冷却到露点温度以下，析出凝结水，从而达到除湿的目的，变成低温低压气体，再被压缩机吸入压缩，如此往复循环。热泵除湿装置能够回收湿空气的潜热，因此节能效果显著，已成为一种很有竞争力的除湿干燥技术。

常规的热泵除湿装置存在的最大弊病是不能为干燥介质提供深度除湿，热泵除湿后的热风还是含有较高的相对湿度，降低了干燥过程的效率。热泵除湿的不足可以通过利用一个辅助除湿方法来解决。吸附式除湿是另一种有效的除湿方法。所采用的吸湿剂有硅胶、铝胶和分子筛。热泵与吸附式除湿耦合系统可以为干燥介质提供深度除湿。吸水饱和的吸湿剂必须进行解吸处理，即所谓“再生”，材料才能再次获得吸附活性。加热再生是一种常用的再生方法。由于加热再生方法能耗巨大，吸附式除湿受困于高昂的运行费用，不适宜于大型除湿项目，因此在污泥干燥领域应用不多。

中国专利文献CN101526301A公布了一种热泵与吸附式耦合干燥系统，适宜于食品、果蔬、药品、织物和谷物种子等干燥。吸湿剂的再生可以利用工厂废热、余热或太阳能为再生热源。大多数的生活污水处理厂建立在偏僻的地点，无法获得足够的工业废热或余热。如果使用太阳能为再生热源则需额外的投资。另外，太阳能的不稳定性(太阳能不足和无太阳能的时候)会造成吸附式除湿能力波动。

中国专利文献CN102716644A和CN203803339U公布了一种热泵与转轮吸附除湿耦合运行干燥机，适宜于食品、木材和纸张等干燥。吸附转轮再生需要的能源从制冷剂的冷凝热获得。剩余的冷凝热用于加热经过蒸发器和吸附转轮后的干燥介质。这种冷凝热分享方式会导致进入干燥室的干燥介质的温度偏低，降低干燥过程的效率。

再则，以上描述的热泵与吸附式除湿耦合系统使用外界新鲜空气为再生介质，对饱和的吸湿剂进行解吸后排出系统。此种非封闭式干化模式不适宜于污泥干燥。如果污泥干燥过程发生波动，系统不能避免污泥中不同类型的有机物挥发，产生恶臭气体。恶臭气体会被吸湿剂吸附，然后被再生介质解吸，随着再生介质排到外界环境中，造成二次环境污染。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出一种适宜于污泥干燥的全密闭式热泵与吸附式除湿耦合系统。该系统结合热泵除湿能力和吸附式除湿能力对干燥空气进行深度除湿，提高干燥过程的效率，同时利用制冷工质循环回路产生的余热作为吸湿剂再生热源，降低系统的能源消耗。

本发明实现的装置是由热泵系统制冷剂循环回路、吸附系统再生空气循环回路和用于干燥污泥的空气循环回路这三个闭合回路组成。

热泵系统制冷剂循环回路包括压缩机、三通调节阀、冷凝器A、冷凝器B、贮液器、膨胀阀、蒸发器；压缩机出口的制冷剂管路通过三通调节阀与冷凝器A及冷凝器B连接；冷凝器A出口的管路和冷凝器B出口的管路并联，然后和贮液器相连；贮液器出口的管路依次和膨胀阀、蒸发器相连；蒸发器出口的管路和压缩机串联后形成一个回路，其特征在于，制冷剂在冷凝器A把热泵系统产生的余热热量传给已除湿的低温再生空气，在冷凝器B对已除湿的低温干燥空气加热。

吸附系统再生空气循环回路包括风机A、吸附装置、空气过滤器A、热交换器、热泵系统的冷凝器A；风机A出口的再生空气管路和吸附装置相连；吸附装置出口的管路依次和空气过滤器A、热交换器、热泵系统的冷凝器A相连；热泵系统的冷凝器A出口的管路和风机A串联后形成一个回路，其特征在于，吸附装置对干燥空气进行深度除湿，热交换器将高湿度再生空气冷却到露点温度以下，析出凝结水，从而达到除湿的目的，热交换器可以是空冷器，也可以是水冷式换热器或其它类型的热交换器，热泵系统的冷凝器A对已除湿的低温再生空气加热让其升温。

干燥空气循环回路包括风机B、干燥室、热泵系统的蒸发器、吸附系统的吸附装置、空气过滤器B、热泵系统的冷凝器B；风机B出口的干燥空气管路依次和干燥室、热泵系统的蒸发器、吸附系统的吸附装置、空气过滤器B、热泵系统的冷凝器B连接；热泵系统的冷凝器B出口的管路和风机B串联后形成一个回路，其特征在于，经热泵系统的蒸发器除去大部分水分后的干燥空气进入吸附系统的吸附装置进行第二次除湿。干燥室的类型可以是箱式/斗式或带式/连续式。

制冷剂循环回路和再生空气循环回路之间的相互作用是通过热泵系统的冷凝器A来完成。气体制冷剂进入冷凝器A，把制冷剂循环回路产生的余热热量传给已除湿的低温再生空气。风机A将升温后的再生空气引出吹向吸附装置。

制冷剂循环回路和干燥空气循环回路之间的相互作用是通过热泵系统的蒸发器和冷凝器B来完成。液体制冷剂进入蒸发器，吸收由干燥室出来的高湿度干燥空气的热量，将高湿度干燥空气冷却到露点温度以下，析出凝结水，从而达到除湿的目的。气体制冷剂进入冷凝器B，把在蒸发器回收的热量传给已除湿的低温干燥空气。干燥空气达到干燥污泥所需的温度后被风机B引出吹向干燥室。

再生空气循环回路和干燥空气循环回路之间的相互作用是通过吸附系统的吸附装置来完成。已被蒸发器除湿的干燥空气进入吸附装置的吸湿区，进行第二次除湿。再生空气进入吸附装置的再生区，对吸水饱和的吸湿剂进行解吸处理，让其再次获得吸附活性。吸附装置的流程设置有多种方式，可以是固定床、转轮或移动床。

固定床吸附装置的吸湿剂是固定填充在吸附塔中。高湿度干燥空气流过一个吸附塔，直至吸湿剂被水分饱和。达到饱和点后，高湿度干燥空气被切换到另一座含有新鲜吸湿剂的吸附塔。而已饱和的吸附塔则开始再生。利用两座或两座以上的吸附塔可实现连续，不间断的运行。一个或更多的塔在吸附，同时有一个或两个塔再生。吸附塔的数量可以从两个到数个不等。不管其数量是多少，每座吸附塔都是一样的。干燥空气以及再生空气在吸附塔中的流向可以向上也可以向下。

转轮吸附装置是一个由若干管道并列构成的蜂巢状的圆盘，在管道内嵌有很多颗粒状吸湿剂并可透气的轮子，将转轮分成吸湿区和再生区。工作时转轮缓缓转动，高湿度干燥空气吹向位于吸湿区的转轮部位，空气穿透转轮时水分被吸湿剂吸附留存在转轮上。当已吸附了水分的部位转到再生区时，风机A将热的再生空气吹向再生区的部位，热空气将被吸附在吸湿剂内的水分烘烤逸出，吸湿剂恢复了吸附能力后，又转动到吸湿区进行吸湿，如此反复循环，将高湿度干燥空气除湿。

移动床吸附装置利用机械方式(输送带或螺旋)把吸湿剂在固定的吸湿区和再生区之间反复循环移动，实现连续，不间断的运行。这种流程设置适用于耐磨的吸湿剂。

吸湿剂的类型有固体和液体。固体吸湿剂的材料可以是硅胶、铝胶、活性炭、分子筛和金属有机框架等。吸湿剂的再生是吸附装置操作中最重要的过程。由于需要消耗燃料，它的操作成本也是最高的。吸湿剂的选择取决于它的再生温度。本发明采用的吸湿剂，其特征在于，低温再生空气(小于摄氏60度)可以有效地对吸水饱和的吸湿剂进行解吸处理。

本发明具有以下的优点和有益效果：

1、本发明将成熟的热泵除湿技术、吸附式除湿技术和热风干燥技术加以耦合和改良，提供了一种高效、节能、环保的全封闭式干化方法与方案。该干燥系统的封闭式运行模式应用范围广泛，特别适用于机械脱水后的生活或工业污泥的干燥，解决了大量堆放污泥的处理处置难题，可充分实现对污泥进行“减量化、稳定化、无害化和资源化”处理。最终污泥颗粒可做掺烧燃料、肥料、建筑材料、生物燃料、土地利用等。

2、本发明结合热泵除湿能力和吸附式除湿能力对干燥空气进行深度除湿，提高干燥过程的效率，大大降低了污泥干燥处理的运行成本。

3、本发明利用热泵系统制冷剂循环回路产生的余热作为吸湿剂再生的热源，不占用热泵系统回收的冷凝热，也不消耗外界热源，保证吸附系统的再生环节的节能性，实现了废热/余热利用的可持续性发展。

4、通过对干燥空气和吸湿剂再生空气除湿和加热，本发明实现了这两种介质的循环利用，解决了传统热风干燥系统和专利公布的热泵与吸附式耦合干燥系统需要往外界环境排气的问题。本装置不排放任何气体，无需安装复杂、昂贵的尾气处理装置，只排放冷凝水到污水处理厂，保证了整个干燥装置的环保性。

附图说明

图1是本发明采用固定床为吸附装置的结构示意和工作流程图。

图2是本发明采用转轮为吸附装置的结构示意和工作流程图。

图3是本发明采用移动床为吸附装置的结构示意和工作流程图。

附图标记的说明：1、压缩机，2、三通调节阀，3、冷凝器A，4、冷凝器B，5、贮液器，6、膨胀阀，7、蒸发器，8、风机A，9、吸附装置，10、空气过滤器A，11、热交换器，12、风机B，13、干燥室，14、空气过滤器B。

具体实施方式

本实施例的一种热泵耦合吸附式干燥污泥的方法，由热泵系统制冷剂循环回路、吸附系统再生空气循环回路和用于干燥污泥的空气循环回路组成。下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

如图1、2、3所示，粗线表示制冷剂循环回路，细线表示再生空气循环回路，虚线表示干燥空气循环回路。这三种介质皆按照顺时针方向循环。

制冷剂循环回路包括压缩机1、三通调节阀2、冷凝器A3、冷凝器B4、贮液器5、膨胀阀6、蒸发器7；压缩机1出口的制冷剂管路通过三通调节阀2与冷凝器A3及冷凝器B4连接；冷凝器A3出口的管路和冷凝器B出口的管路并联，然后和贮液器5相连；贮液器5出口的管路依次和膨胀阀6、蒸发器7相连；蒸发器7出口的管路和压缩机1串联后形成一个回路。

吸附系统再生空气循环回路包括风机A8、吸附装置9(图1：固定床，图2：转轮，图3：移动床)、空气过滤器A10、热交换器11、冷凝器A3；风机A8出口的再生空气管路和吸附装置9相连；吸附装置9出口的管路依次和空气过滤器A10、热交换器11、冷凝器A3相连；冷凝器A3出口的管路和风机A8串联后形成一个回路。

干燥空气循环回路包括风机B12、干燥室13、蒸发器7、吸附装置9、空气过滤器B14、冷凝器B4；风机B12出口的干燥空气管路依次和干燥室13、蒸发器7、吸附装置9、空气过滤器B14、冷凝器B4连接；冷凝器B4出口的管路和风机B12串联后形成一个回路。

本发明结合热泵除湿能力和吸附式除湿能力对干燥空气进行深度除湿，大大提高污泥干燥过程的效率。该热泵耦合吸附式除湿污泥干燥方法，包含热泵系统制冷剂循环、吸附系统再生空气循环、干燥污泥的空气循环三个部分，其具体步骤如下：

由压缩机1出来的高温高压气体制冷剂通过三通调节阀2把制冷剂循环回路产生的余热和在蒸发器7回收的冷凝热分别分配到冷凝器A3和冷凝器B4。冷凝后的的气体制冷剂变成常温高压液体，经膨胀阀6节流后进入蒸发器7，吸收由干燥室13出来的高湿度干燥空气的热量，将其冷却到露点温度以下，析出凝结水，从而达到除湿的目的。吸收热量后的液体制冷剂被蒸发成低温低压气体，再被压缩机1吸入压缩，变成高温高压气体流向三通调节阀2，如此往复循环。

吸附系统的再生空气进入冷凝器A3吸收制冷剂循环回路产生的余热。风机A8将升温后的再生空气引出吹向吸附装置9的再生区，对吸水饱和的吸湿剂进行解吸处理，让其再次获得吸附活性。空气过滤器A10设置在吸附装置9的再生空气出口处，防止再生空气带走吸湿剂粉末。离开空气过滤器A10的高湿度再生空气进入热交换器11。热交换器11的作用是通过管道a和b降低高湿度再生空气的温度，使水分冷凝下来，析出凝结水，从而达到除湿的目的。热泵系统的冷凝器A3对已除湿的低温再生空气加热让其升温，风机A8将升温后的再生空气引出吹向吸附装置9的再生区，如此往复循环。

本发明的吸附装置9采用固定床、转轮或移动床来实现连续，不间断的运行，其具体步骤如下：

大多数固定床吸附装置有2、3或4座同样的吸附塔。在双塔装置中，一塔吸附，另一座塔再生。3塔装置，则可能是两塔吸附，一塔再生；或是两塔再生，一塔吸附。再生空气可以自上而下，也可以自下而上流动。下面描述的是最常见的双塔装置。双塔装置通过一套开关阀切换干燥空气和再生空气的输送，实现连续，不间断的运行。一塔在吸附除湿时，另一塔在解吸，两塔互为配合，周而复始。如图1所示，塔9a和塔9b各有4个开关阀，白色开关阀表示开通，黑色开关阀表示关闭。来自蒸发器7的干燥空气从顶部进入到塔9a，向下流过吸附床，去除水分。干燥空气从塔底流出，经空气过滤器B14，进入冷凝器B4。经冷凝器A3出来的再生空气从底部进入塔9b，从塔顶出来。热的再生空气穿过吸附剂，并使其温度升高，吸附剂中的水分被蒸发出来，并被再生空气带出塔。塔顶再生空气经空气过滤器A10后被热交换器11冷却，再生空气中的水分被冷凝下来，通过管道c排往污水处理系统。再生空气从热交换器11出来返回冷凝器A3。在吸附/再生周期结束时(吸附时间和再生时间相同)，开关阀动作，干燥空气切换到塔9b塔顶进料，再生空气切换到塔9a塔底进料。开关阀的操作是间歇的，其作用是将干燥空气或再生空气送进或送出不同的塔。在多数装置中，开关阀的操作是通过电动或气动系统，通过一个计时器触发。

转轮吸附装置通过外壳、间隔板和耐热密封胶条构造，将转轮分隔为吸湿区与再生区，如图2所示，9a为吸湿区，9b为再生区。转轮9在电机的驱动下，以最佳旋转速度作连续旋转。来自蒸发器7的干燥空气进入吸湿区9a的蜂窝通道中，在通过蜂窝通道时空气中的水分被吸湿剂除去。得到的干燥空气穿过空气过滤器B14，进入冷凝器B4。吸附了水分的吸湿剂在达到饱和之前，旋转进入再生区9b。经冷凝器A3加热后的再生空气，以与干燥空气相反的流向导入到再生区9b，对吸湿剂进行再生。经过这个再生循环，吸湿剂再度变成干燥状态。从吸湿剂上脱附下来的水分被再生空气带出转轮外，经空气过滤器A10后被热交换器11冷却，再生空气中的水分被冷凝下来，通过管到c排往污水处理系统。再生空气从热交换器11出来返回冷凝器A3。这一循环过程连续进行。

如图3所示，移动床吸附装置利用机械方式(输送带或螺旋)把吸湿剂在吸湿区9a和再生区9b之间反复循环移动，实现连续，不间断的运行。来自蒸发器7的干燥空气进入吸湿区9a。由再生区9b出来的的吸湿剂以与干燥空气相反的流向导入到吸湿区9a，对干燥空气去除水分。得到的干燥空气穿过空气过滤器B14，进入冷凝器B4。吸水饱和的吸湿剂从吸湿区9a出来返回再生区9b。风机A8将再生空气引出冷凝器A3，以与吸湿剂相反的流向吹向再生区9b，对吸水饱和的吸湿剂进行解吸处理，让其再次获得吸附活性。解吸后的吸湿剂进入吸湿区9a，对干燥空气进行除湿，如此往复循环。

以上描述的三种吸附装置用于干燥污泥的空气循环过程是一致的。来自冷凝器B4的高温干燥空气被风机B12送到干燥室13，通过热风干燥的方法除去湿污泥中的水分。高湿度空气从干燥室13出来进入蒸发器7，被制冷剂冷却到露点温度以下去除水分，冷凝水通过管道d排往污水处理系统。经蒸发器7除去大部分水分后的干燥空气进入吸附装置9进行第二次除湿，从而达到深度除湿的目的。得到的干燥空气穿过空气过滤器B14进入冷凝器B4，继续被冷凝器B4加热循环利用，完成用于干燥污泥的空气循环。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不局限于上述实施方式中的具体细节，熟悉本领域的技艺者在不违背本发明精神和原则的前提下当可作出各种的更动与润饰，这些改变与修饰均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种热泵耦合吸附式干燥污泥的密闭系统，其特征在于，由热泵系统制冷工质循环回路、吸附系统再生空气循环回路和用于干燥污泥的空气循环回路组成，所述热泵系统制冷工质循环回路是由压缩机、三通调节阀、冷凝器A、冷凝器B、贮液器、膨胀阀、蒸发器依次管道连接形成一个回路，所述吸附系统再生空气循环回路是由风机A、吸附装置、空气过滤器A、热交换器、热泵系统的冷凝器A依次管道串联形成一个回路，所述用于干燥污泥的空气循环回路是由风机B、干燥室、热泵系统的蒸发器、吸附系统的吸附装置、空气过滤器B、热泵系统的冷凝器B依次管道相连形成一个回路。

2.根据权利要求1所述的热泵耦合吸附式干燥污泥的密闭系统，其特征在于，所述吸附系统再生空气循环回路和用于干燥污泥的空气循环回路皆不排放任何气体，无臭气外溢，只排放冷凝水到污水处理厂。

3.根据权利要求1所述的热泵耦合吸附式干燥污泥的密闭系统，其特征在于，所述热泵系统的制冷工质通过冷凝器A和冷凝器B分别对吸附系统的再生空气和用于干燥污泥的空气加热，冷凝器A利用热泵系统制冷剂循环回路产生的余热作为再生空气升温的唯一热源，凝器B利用制冷工质在蒸发器回收的热量作为用于干燥污泥的空气升温的唯一热源。

4.根据权利要求1所述的热泵耦合吸附式干燥污泥的密闭系统，其特征在于，所述吸附系统再生空气循环回路采用低温再生空气对吸水饱和的吸湿剂进行解吸处理，该再生空气的温度小于摄氏60度。

5.根据权利要求1所述的热泵耦合吸附式干燥污泥的密闭系统，其特征在于，所述吸附系统再生空气循环回路的吸附装置设置在蒸发器和冷凝器B之间的连接管道上，吸附装置的流程设置采用固定床、转轮或移动床。

6.根据权利要求1所述的热泵耦合吸附式干燥污泥的密闭系统，其特征在于，所述吸附系统再生空气循环回路的热交换器设置在吸附装置和冷凝器A之间的连接管道上，热交换器的冷却方法采用空冷式或水冷式。

7.根据权利要求1所述的热泵耦合吸附式干燥污泥的密闭系统，其特征在于，所述热泵系统制冷工质循环回路的蒸发器和吸附系统再生空气循环回路的吸附装置先后对用于干燥污泥的空气进行深度除湿。