CN108202076A - 一种热泵耦合生物热干化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种热泵耦合生物热干化系统及方法,将湿物料送入生物热干化装置经热风耦合生物热干化后排出装置;常温空气进入加热冷凝耦合装置经过换热升温后进入生物热干化装置对生物质进行耦合生物热干化,排出的饱和热湿空气进入蒸发冷凝耦合热交换装置进行换热冷凝降温,冷凝水进入冷凝水收集装置,降温后的冷空气进入生物滤床净化后排入大气。本发明的一种热泵耦合生物热干化系统及方法,在实现良好的生物质干燥效果的同时,将热泵系统与吸附除湿系统进行热耦合,省略了常规吸附除湿系统,不需要添加额外吸湿剂,同时解决密闭系统除湿效率低能耗大和非密闭系统有机物挥发、产生恶臭气体污染环境的问题,简化结构,降低建造及运营成本,提高热量利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种热泵耦合生物热干化系统及方法,属于固体废物处理技术领域。
背景技术
生物质能是由植物光合作用固定于地球上的太阳能,一般来讲,生物质能主要包括农业生物质资源、林业生物质资源和工业废水及城市固体废弃物。生物质能具有可再生、分布广泛、低污染等特点。随着城市工业的发展和人口的增加,对于城市垃圾和生物质废弃物的处理面临着巨大的挑战。生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。生物质能转化利用方法主要分为生物化学法和热化学法。生物化学法主要包括堆肥、发酵等利用方式;热化学法主要包括直接燃烧、气化、热解等利用方式。生物质的含水率是影响热化学转化效率的一个重要因素,含水量越低越有利于其热化学转化。因此需要对其进行适当的预处理,改善其燃烧特性。
采用热泵技术对物料进行干燥是一种节能效果明显,而又切实可行的方法。热泵干燥过程在封闭的系统内进行。热泵系统内的工质在蒸发器中吸收来自干燥过程排放废气中的热量后,蒸发为蒸汽;经压缩机压缩后送到冷凝器中,在高压下热泵工质冷凝液化,放出的冷凝热用于加热来自蒸发器的低温干空气,将低温干空气加热到要求的温度后,进入干燥室作为干燥介质循环使用;液化后的热泵工质经节流膨胀再次回到蒸发器内。干燥过程排放的废气中大部分水蒸气在蒸发器中被冷凝下来直接排掉,从而达到除湿干燥的目的。干燥过程中不但回收了废气中的显热,而且回收了废气中的潜热,热能损耗仅限于系统的热阻和热泄露,这是其他干燥技术无法比拟的。但常规的密闭热泵自身的冷凝效果不明显,冷凝后的气体湿度仍然很大,循环使用会导致干燥效率不断降低,能耗升高。因此寻求一种干燥效果明显,又能解决有机物气体挥发,产生恶臭气体污染环境的方法势在必行。
中国专利文献CN101526301A公布了一种吸附-热泵耦合干燥系统,适用于食品、果蔬、种子、药品、各类中草药和生物质等热敏性物料的干燥。其干燥介质气体温度过低,适用范围不广泛;空气重复利用过程中除湿需要消耗大量能量,文中所述吸附深度除湿热能采用太阳能、工业余热或废热,采用太阳能位热源受到天气影响较大,热源不稳定,且需要投入额外的设备费用,利用工业余热或废热受到位置条件所限,使用限制因素过多。
中国专利文献CN103265158A公布了一种太阳能-热泵耦合溶液除湿干燥污泥的方法,利用热泵冷凝热对用于干燥污泥的空气进行加热,采用溶液对干燥污泥后的空气进行除湿从而循环利用,并利用太阳能或热泵系统部分冷凝热来提供溶液再生所需热量。使用太阳能作为热源使用受天气因素限制,当太阳能不足时转为常规热泵系统提供能量时,除湿效果降低,不稳定因素导致设备运行效率产生波动,另外还需要额外的设备建造投资。
中国专利文献CN206467121U公布了一种热泵耦合吸附式干燥污泥的密闭系统,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。采用密闭系统进行二次除湿,结构复杂,造价昂贵,另外需要大量的除湿剂,又增加了额外的成本,同时吸湿剂的再生需要大量的能源成本。
本专利引用了专利号为201610629633.8中国专利申请一种生活垃圾热风耦合生物干化的处理方法。
一种生活垃圾热风耦合生物干化的处理方法,其特征在于,步骤如下:
(1)阶段式升温驯化
将生活垃圾破碎至粒径为5-10cm作为驯化的物料,利用生活垃圾中的原生微生物或好氧脱水污泥中的微生物进行驯化;生活垃圾初始含水率调节至60-65%,通入低速热风,保证物料好氧环境;通过热风耦合作用设定驯化温度,初始驯化温度设为35℃,停留36-48h后,驯化温度再设定至40℃,停留18-24h后,驯化温度进一步设定至45℃,停留10-12h后,最终将驯化温度设定为50℃,驯化10-12h,驯化后的物料微生物活性较高,氧气消耗速率为30mg/(g VS·h)以上,可用于生物干化接种,实现嗜高温菌种的驯化富集;阶段式升温驯化过程中,物料每天翻堆2次,避免物料局部厌氧酸化,促进微生物均匀分布;物料停留3-4天,驯化结束,将驯化后的物料输入干化反应器中用于接种,干化反应器及时排空并加入新鲜物料,重复上述驯化过程,保证整个驯化接种过程的连续运行;
(2)热风耦合接种干化
将生活垃圾破碎至粒径为5-10cm后,与驯化后的物料按照质量比3:1混合,混合物料装填完成,进行间歇通风,通过热风耦合的辅助作用使混合物料温度维持在50℃以上,同时在微生物发酵产热和调节变频风机通风散热的作用下,控制混合物料温度在50-60℃内连续运行,每天翻堆2次,促进混合物料中生活垃圾的快速干化;4天内处理生活垃圾含水率低于25%时,干化反应器内干化后的生活垃圾及时排空,驯化物料加入后继续混入破碎后原生生活垃圾,实现过程连续运行。
发明内容
针对现有技术的缺点和经济性的考虑,本发明的目的是提供一种热泵耦合生物热干化系统及方法,在实现良好的生物质干燥效果的同时,将热泵系统与吸附除湿系统进行热耦合,省略了常规吸附除湿系统,不需要添加额外吸湿剂,同时解决了密闭系统除湿效率低能耗大和非密闭系统有机物挥发、产生恶臭气体污染环境的问题,简化结构,降低建造及运营成本,提高热量利用效率。
本发明的技术方案:
一种热泵耦合生物热干化系统,包括生物热干化装置、蒸发冷凝耦合热交换装置、加热冷凝耦合装置、气体升压器、膨胀阀、生物滤床装置及冷凝水收集装置;
所述的生物热干化装置设有湿物料入口、干物料出口、热空气入口及湿热空气出口,湿热空气出口与蒸发冷凝耦合热交换装置的湿热空气入口相连;
所述的蒸发冷凝耦合热交换装置设有湿热空气入口、冷空气出口、低温低压液态工质入口、低温低压气态工质出口和冷凝水出口,冷空气出口与生物滤床装置的冷空气入口相连,低温低压气态工质出口与气体升压器的低温低压气态工质入口相连,冷凝水出口与冷凝水收集装置的冷凝水入口相连;
所述的加热冷凝耦合装置设有高温高压气态工质入口、中温高压液态工质出口、常温空气入口及热空气出口,热空气出口与生物热干燥装置的热空气入口相连,中温高压液态工质出口与膨胀阀的中温高压液态工质入口相连;
所述的气体升压器设有低温低压气态工质入口及高温高压气态工质出口,高温高压气态工质出口与加热冷凝耦合装置的高温高压气态工质入口相连;
所述的膨胀阀设有中温高压液态工质入口及低温低压液态工质出口,低温低压液态工质出口与蒸发冷凝耦合热交换装置的低温低压液态工质入口相连;
所述的生物滤床装置设有冷空气入口及净化空气出口;
所述的冷凝水收集装置设有冷凝水入口。
一种热泵耦合生物热干化方法,步骤如下;
(1)将湿物料送入生物热干化装置经热风耦合生物热干化后排出装置;
(2)常温空气进入加热冷凝耦合装置经过换热升温后进入生物热干燥装置对生物质进行耦合生物热干燥,排出的饱和热湿空气进入蒸发冷凝耦合热交换装置进行换热冷凝降温,冷凝水进入冷凝水收集装置,降温后的冷空气进入生物滤床装置净化后排入大气;
(3)在蒸发冷凝耦合热交换装置中的液态工质吸收饱和热湿空气的热量后蒸发形成低温低压气态工质,低温低压气态工质进入气体升压器进行加压升温形成高温高压气态工质,进入到加热冷凝耦合装置进行冷凝换热,冷凝降温后由高温高压气态工质转化为中温高压液态工质,中温高压液态工质经由膨胀阀节流降压后形成低温低压液态工质回到蒸发冷凝耦合热交换装置,进而开始下一个循环,周而复始。
本发明的有益效果:
1.实现良好的生物质干燥效果;
2.将热泵系统与吸附除湿系统进行热耦合,省略了常规吸附除湿系统,不需要添加额外吸湿剂,同时解决了密闭系统除湿效率低能耗大和非密闭系统有机物挥发、产生恶臭气体污染环境的问题;
3.简化结构,降低建造及运营成本,提高热量利用效率。
附图说明
图1是本发明的装置流程示意图。
图中:1生物热干化装置;2蒸发冷凝耦合热交换装置;
3加热冷凝耦合装置;4气体升压器;5膨胀阀;6生物滤床装置;
7冷凝水收集装置;1a湿物料入口;1b干物料出口;1c湿热空气出口;
1d热空气入口;2a湿热空气入口;2b冷空气出口;2c低温低压液态工质入口;2d低温低压气态工质出口;2e冷凝水出口;3a常温空气入口;3b热空气出口;3c中温高压液态工质出口;3d高温高压气态工质入口;4a低温低压气态工质入口;4b高温高压气态工质出口;5a中温高压液态工质入口;5b低温低压液态工质出口;6a冷空气入口;6b净化空气出口;7a冷凝水入口。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案,进一步说明本发明的具体实施方案。
实施例
一种热泵耦合生物热干化系统,包括生物热干化装置1、蒸发冷凝耦合热交换装置2、加热冷凝耦合装置3、气体升压器4、膨胀阀5、生物滤床装置6及冷凝水收集装置7;
所述的生物热干化装置1设有湿物料入口1a、干物料出口1b、热空气入口1d及湿热空气出口1c,湿热空气出口1c与蒸发冷凝耦合热交换装置2的湿热空气入口2a相连;
所述的蒸发冷凝耦合热交换装置2设有湿热空气入口2a、冷空气出口2b、低温低压液态工质入口2c、低温低压气态工质出口2d和冷凝水出口2e,冷空气出口2b与生物滤床装置6的冷空气入口6a相连,低温低压气态工质出口2d与气体升压器4的低温低压气态工质入口4a相连,冷凝水出口2e与冷凝水收集装置7的冷凝水入口7a相连;
所述的加热冷凝耦合装置3设有高温高压气态工质入口3d、中温高压液态工质出口3c、常温空气入口3a及热空气出口3b,热空气出口3b与生物热干燥装置1的热空气入口1d相连,中温高压液态工质出口3c与膨胀阀5的中温高压液态工质入口5a相连;
所述的气体升压器4设有低温低压气态工质入口4a及高温高压气态工质出口4b,高温高压气态工质出口4b与加热冷凝耦合装置3的高温高压气态工质入口3d相连;
所述的膨胀阀5设有中温高压液态工质入口5a及低温低压液态工质出口5b,低温低压液态工质出口5b与蒸发冷凝耦合热交换装置2的低温低压液态工质入口2c相连;
所述的生物滤床装置6设有冷空气入口6a及净化空气出口6b;
所述的冷凝水收集装置7设有冷凝水入口7a。
一种热泵耦合生物热干化方法,步骤如下;
(1)将湿物料送入生物热干化装置1经热风耦合生物热干化后排出装置;
(2)常温空气进入加热冷凝耦合装置3经过换热升温后进入生物热干燥装置1对生物质进行耦合生物热干燥,排出的饱和热湿空气进入蒸发冷凝耦合热交换装置2进行换热冷凝降温,冷凝水进入冷凝水收集装置7,降温后的冷空气进入生物滤床装置6净化后排入大气;
(3)在蒸发冷凝耦合热交换装置2中的液态工质吸收饱和热湿空气的热量后蒸发形成低温低压气态工质,低温低压气态工质进入气体升压器4进行加压升温形成高温高压气态工质,进入到加热冷凝耦合装置3进行冷凝换热,冷凝降温后由高温高压气态工质转化为中温高压液态工质,中温高压液态工质经由膨胀阀5降压节流后形成低温低压液态工质回到蒸发冷凝耦合热交换装置2,进而开始下一个循环,周而复始。
Claims (2)
1.一种热泵耦合生物热干化系统,其特征在于,所述的热泵耦合生物干燥系统包括生物热干化装置(1)、蒸发冷凝耦合热交换装置(2)、加热冷凝耦合装置(3)、气体升压器(4)、膨胀阀(5)、生物滤床装置(6)及冷凝水收集装置(7);
所述的生物热干化装置(1)设有湿物料入口(1a)、干物料出口(1b)、热空气入口(1d)及湿热空气出口(1c),湿热空气出口(1c)与蒸发冷凝耦合热交换装置(2)的湿热空气入口(2a)相连;
所述的蒸发冷凝耦合热交换装置(2)设有湿热空气入口(2a)、冷空气出口(2b)、低温低压液态工质入口(2c)、低温低压气态工质出口(2d)和冷凝水出口(2e),冷空气出口(2b)与生物滤床装置(6)的冷空气入口(6a)相连,低温低压气态工质出口(2d)与气体升压器(4)的低温低压气态工质入口(4a)相连,冷凝水出口(2e)与冷凝水收集装置(7)的冷凝水入口(7a)相连;
所述的加热冷凝耦合装置(3)设有高温高压气态工质入口(3d)、中温高压液态工质出口(3c)、常温空气入口(3a)及热空气出口(3b),热空气出口(3b)与生物热干化装置(1)的热空气入口(1d)相连,中温高压液态工质出口(3c)与膨胀阀(5)的中温高压液态工质入口(5a)相连;
所述的气体升压器(4)设有低温低压气态工质入口(4a)及高温高压气态工质出口(4b),高温高压气态工质出口(4b)与加热冷凝耦合装置(3)的高温高压气态工质入口(3d)相连;
所述的膨胀阀(5)设有中温高压液态工质入口(5a)及低温低压液态工质出口(5b),低温低压液态工质出口(5b)与蒸发冷凝耦合热交换装置(2)的低温低压液态工质入口(2c)相连;
所述的生物滤床装置(6)设有冷空气入口(6a)及净化空气出口(6b);
所述的冷凝水收集装置(7)设有冷凝水入口(7a)。
2.采用权利要求1所述的一种热泵耦合生物热干化系统进行生物干燥的方法,其特征在于,步骤如下;
1)将湿物料送入生物热干化装置(1)经热风耦合生物热干化后排出装置;
2)常温空气进入加热冷凝耦合装置(3)经过换热升温后进入生物热干化装置(1)对生物质进行耦合生物热干燥,排出的饱和热湿空气进入蒸发冷凝耦合热交换装置(2)进行换热冷凝降温,冷凝水进入冷凝水收集装置(7),降温后的冷空气进入生物滤床装置(6)净化后排入大气;
3)在蒸发冷凝耦合热交换装置(2)中的液态工质吸收饱和热湿空气的热量后蒸发形成低温低压气态工质,低温低压气态工质进入气体升压器(4)进行加压升温形成高温高压气态工质,进入到加热冷凝耦合装置(3)进行冷凝换热,冷凝降温后由高温高压气态工质转化为中温高压液态工质,中温高压液态工质经由膨胀阀(5)节流降压后形成低温低压液态工质回到蒸发冷凝耦合热交换装置(2),进而开始下一个循环,周而复始。
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