CN109020146A - 一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置和方法 - Google Patents

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Abstract

为了实现污泥的资源化利用，本发明记载了一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，包括预处理装置、干化装置和控制装置，所述预处理装置设置在干化装置的上部，所述预处理装置和干化装置分别与控制装置连接；本发明还记载了一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化方法，将污泥粉末与干化剂、助燃剂按一定比例加入预处理装置后，搅拌均匀后，通过控制装置控制搅拌后的混合物自动下料至干化装置，利用太阳光能的温室效应和烟囱的抽吸效应，实现污泥的干化过程。本发明属于污泥处理技术领域，实现污泥的燃料化利用及资源化处理，取代了一部分化石能源，具有巨大的经济效益。

Description

一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置和方法
技术领域
本发明属于污泥处理技术领域，具体而言，涉及一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置和方法。
背景技术
近年来，我国的城市污水排放量不断增加。根据《2017年中国污泥处理行业发展现状分析及未来发展前景预测》，我国在2017年的城镇污水排放总量为510亿吨，伴随着污水总量的增加，其副产物污泥的产量也逐渐增加，预计到2020年，我国的污泥产量为8382万吨/年。现阶段，国内的大多数污水处理厂通过填埋处理污泥，既浪费土地资源，又可能对土地造成二次污染，不符合可持续发展的理念。寻求一种合适的污泥处理方法已经迫在眉睫。
污泥的固体成分是以有机成分为主的复杂的混合物。近年来的研究方向多集中在利用污泥中的有益物质，即实现污泥的资源化。现阶段的污泥资源化的方式有以下几种：污泥土地利用(堆肥)、污泥建筑材料利用、热解碳化利用等。这些技术需要较长的周期并且技术过程复杂。而近年来污泥燃料化逐渐兴起，这种方式处理过程简单，有很大的实用价值，既实现了化石燃料的节约，又实现了污泥的减量化处理，一举两得。
由于污泥中的水分大，污泥一般表现出不易燃烧的特性。有效利用其中有机物，提高污泥热值的最直接方法就是污泥干化。以往采用电烘干、热烘干浪费了大量的能量。而太阳能作为一种取之不尽用之不竭的能源，具有能量密度大、环保等特点，更适合作为污泥干化的能量来源。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置和方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，包括预处理装置、干化装置和控制装置，所述预处理装置设置在干化装置的上部，所述预处理装置和干化装置分别与控制装置连接。
进一步的，所述预处理装置包括壳体Ⅰ、盖板、电机Ⅰ、搅拌器、挡板、挡板转轴、电机Ⅱ、继电器；所述壳体Ⅰ上部设置有盖板，所述盖板上面安装有电机Ⅰ，所述电机Ⅰ与控制装置电连接，所述电机Ⅰ的输出轴穿过盖板设有的中心孔与搅拌器连接，所述搅拌器的下方设置有挡板，所述挡板通过挡板转轴转动连接在所述壳体Ⅰ一侧内壁上，所述挡板转轴与电机Ⅱ的输出轴连接，所述电机Ⅱ设置在壳体Ⅰ外部，所述电机Ⅱ与控制装置电连接；所述挡板上远离挡板转轴的一端安装有继电器，所述继电器与控制装置电连接。
进一步的，所述干化装置包括壳体Ⅱ、菲涅尔聚光镜、传送带总成、电机Ⅲ、烟囱；所述传送带总成包括传送带和两根转轴；所述壳体Ⅱ内分为物料输送区、排气区、太阳能温室区，所述物料输送区、排气区、太阳能温室区相互连通，所述物料输送区设置在壳体Ⅰ的下部，所述排气区的上部连通设置有烟囱，所述太阳能温室区的顶部设有敞口，所述敞口处安装有菲涅尔聚光镜；所述壳体Ⅱ内水平且平行设置有两个转轴，所述两个转轴均与壳体Ⅱ的两个相对侧壁(通过轴承)转动连接，两个转轴通过传送带传动连接，所述传送带贯穿于物料输送区、排气区和太阳能温室区；其中一根所述转轴与电机Ⅲ的输出轴连接，所述电机Ⅲ设置在壳体Ⅱ的外壁上，电机Ⅲ与控制装置电连接；所述壳体Ⅱ远离壳体Ⅰ的一端为开口端。
进一步的，所述干化装置还包括电加热装置和光敏元件；所述电加热装置设置在传送带上下表面的中间，所述光敏元件安装在壳体Ⅱ的太阳能温室区，所述光敏元件用于检测光照强度，所述电加热装置和光敏元件均与所述控制装置电连接。
进一步的，所述烟囱内安装有抽吸风扇，所述抽吸风扇与控制装置电连接。
进一步的，所述烟囱内设置有活性炭吸附装置，所述活性炭吸附装置位于抽吸风扇的上方。
进一步的，所述控制装置为单片机。
进一步的，所述干化装置的壳体Ⅱ侧壁上开有通风口。
进一步的，所述基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置还包括托盘，所述托盘置于所述传送带上，用于物料的运输。
一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：将污泥粉末与干化剂、助燃剂按5～10:1～3:0.1～2的质量比加入预处理装置后，控制装置控制电机Ⅰ的运转，电机Ⅰ带动搅拌器的高速旋转，使污泥与助燃剂、干化剂充分混合，达到设定的搅拌时间后，所述控制装置断开驱动搅拌器的电机Ⅰ和固定挡板的继电器；挡板在自身与污泥的重力下绕挡板转轴转动，挡板打开，污泥落入托盘中，实现下料；待污泥完全落下后，控制装置启动电机Ⅱ驱动挡板转轴旋转，将挡板转回原位，同时开启继电器，将挡板固定。
步骤二：在下料完成后，控制装置启动电机Ⅲ通过转轴带动传送带运转，控制装置监测电机Ⅲ码盘转数以确定传送带所走距离，传送带带动托盘运送至太阳能温室区；在托盘完全进入太阳能温室区后传送带停止运动，控制装置根据光敏元件检测光照强度的反馈决定是否启动电加热装置进行干化，在干化过程中，控制装置检测污泥的干化时间和失重率，在相同的时间间隔内，连续两次测定污泥的失重率之差小于5％时，干化过程结束，控制装置再次启动传送带，将干化完成的混合物送出干化装置，完成污泥的燃料化过程。
进一步的，所述干化剂为硫酸铁、聚丙烯酰胺和氧化钙的任意一种或多种的组合。
进一步的，干化剂比例不高于混合物总体质量的10％。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、本装置结构简单，组成部件少，一体三区的设计可以使装置的管理与维护更加轻松，便于实现模块化。
2、本装置以太阳能温室技术为核心，利用太阳能这一清洁能源，通过降低污泥含水量提升污泥热值，使其达到燃料标准，实现污泥的燃料化利用及资源化处理，取代了一部分化石能源，具有巨大的经济效益。
3、本装置结合了烟囱抽吸技术、菲涅尔透镜聚光技术，并与太阳能有机结合，使污泥得到干化处理，节省了电能等二次能源，提高了能量的利用率。
4、本装置通过单片机对处理过程进行控制，从下料到获得产品不需要人为控制，实现了污泥处理过程的自动化，节省了大量的人力，具有一定的经济价值。
5、本装置处理后的污泥产物可以作为一种低品位燃料，用于替代燃煤以减少煤耗，而且与其它低品位化石燃料相比(煤矸石等)，产物热值高，具有良好的利用价值。
6、本发明公开的基于太阳能温室的污泥自动燃料化方法简单高效，有效实现了污泥的减量化、资源化；相对原有的填埋处理法，此方法可节约大量的土地资源，有巨大的环境效益。
附图说明
图1为本发明的结构剖视图；
图2为本发明的整体结构图；
图3为本发明的结构爆炸图；
图4为预处理装置放大图；
图5为本发明控制装置的连接关系框图；
图6为单片机控制过程图；
图7为转速—电流双闭环直流调速系统电路图；
图8不同干化剂下土壤失重率随时间变化曲线；
图9不同干化剂下土壤热值柱形图；
图10装置内部速度云图；
图11污泥表面温度云图；
图中：1、预处理装置，2、干化装置，3、控制装置，4、托盘，11、壳体Ⅰ，12、盖板，13、电机Ⅰ，14、搅拌器，15、挡板，16、挡板转轴，17、电机Ⅱ，18、继电器，21、壳体Ⅱ，22、菲涅尔聚光镜，23、传送带总成，24、电机Ⅲ，25、烟囱，26、电加热装置，27、光敏元件，28、抽吸风扇，29、活性炭吸附装置，30、通风口，231、传送带；232、转轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的介绍。
实施例1
一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，包括预处理装置1、干化装置2和控制装置3，所述预处理装置1设置在干化装置2的上部，所述预处理装置1和干化装置2分别与控制装置3连接。
所述预处理装置1包括壳体Ⅰ11、盖板12、电机Ⅰ13、搅拌器14、挡板15、挡板转轴16、电机Ⅱ17、继电器18；所述壳体Ⅰ11上部设置有盖板12，所述盖板12上面安装有电机Ⅰ13，所述电机Ⅰ13与控制装置3电连接，所述电机Ⅰ13的输出轴穿过盖板12设有的中心孔与搅拌器14连接，所述搅拌器14的下方设置有挡板15，所述挡板15通过挡板转轴16转动连接在所述壳体Ⅰ11一侧内壁上，所述挡板转轴16与电机Ⅱ17的输出轴连接，所述电机Ⅱ17设置在壳体Ⅰ11外部，所述电机Ⅱ17与控制装置3电连接；所述挡板15上远离挡板转轴16的一端安装有继电器18，所述继电器18与控制装置3电连接。
所述干化装置2包括壳体Ⅱ21、菲涅尔聚光镜22、传送带总成23、电机Ⅲ24、烟囱25；所述传送带总成23包括传送带231和两根转轴232；所述壳体Ⅱ21内分为物料输送区、排气区、太阳能温室区，所述物料输送区、排气区、太阳能温室区相互连通，所述物料输送区设置在壳体Ⅰ11的下部，所述排气区的上部连通设置有烟囱25，所述太阳能温室区的顶部设有敞口，所述敞口处安装有菲涅尔聚光镜22；所述壳体Ⅱ21内水平且平行设置有两个转轴232，所述两个转轴232均与壳体Ⅱ的两个相对侧壁(通过轴承)转动连接，两个转轴232通过传送带231传动连接，所述传送带231贯穿于物料输送区、排气区和太阳能温室区；其中一根所述转轴232与电机Ⅲ24的输出轴连接，所述电机Ⅲ24设置在壳体Ⅱ的外壁上，电机Ⅲ24与控制装置3电连接；所述壳体Ⅱ21远离壳体Ⅰ11的一端为开口端。
太阳能温室区的设计原理为温室效应，考虑到固体水分散失和固体温度与表面空气流速有直接关系，设计温室使用菲涅尔透镜22聚光，将平行入射阳光汇聚在一个平面，使阳光充分且集中的对污泥进行加热使污泥的温度迅速提高；空气受到太阳和污泥的辐射作用，逐渐膨胀，形成流动，在太阳能温室内形成流动后，气体进入烟囱中，在压差作用下流出装置，与外界大气形成循环。物料输送区的核心装置是传送带总成23，控制装置3通过控制电机Ⅲ24控制传送带转轴232转动，带动传送带231运动，控制装置3监测电机Ⅲ24码盘转数，确定传送带231所走距离，控制电机Ⅲ24的起停。
实施例2
一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，包括预处理装置1、干化装置2和控制装置3，所述预处理装置1设置在干化装置2的上部，所述预处理装置1和干化装置2分别与控制装置3连接。
所述预处理装置1包括壳体Ⅰ11、盖板12、电机Ⅰ13、搅拌器14、挡板15、挡板转轴16、电机Ⅱ17、继电器18；所述壳体Ⅰ11上部设置有盖板12，所述盖板12上面安装有电机Ⅰ13，所述电机Ⅰ13与控制装置3电连接，所述电机Ⅰ13的输出轴穿过盖板12设有的中心孔与搅拌器14连接，所述搅拌器14的下方设置有挡板15，所述挡板15通过挡板转轴16转动连接在所述壳体Ⅰ11一侧内壁上，所述挡板转轴16与电机Ⅱ17的输出轴连接，所述电机Ⅱ17设置在壳体Ⅰ11外部，所述电机Ⅱ17与控制装置3电连接；所述挡板15上远离挡板转轴16的一端安装有继电器18，所述继电器18与控制装置3电连接。
所述干化装置2包括壳体Ⅱ21、菲涅尔聚光镜22、传送带总成23、电机Ⅲ24、烟囱25；所述传送带总成23包括传送带231和两根转轴232；所述壳体Ⅱ21内分为物料输送区、排气区、太阳能温室区，所述物料输送区、排气区、太阳能温室区相互连通，所述物料输送区设置在壳体Ⅰ11的下部，所述排气区的上部连通设置有烟囱25，所述太阳能温室区的顶部设有敞口，所述敞口处安装有菲涅尔聚光镜22；所述壳体Ⅱ21内水平且平行设置有两个转轴232，所述两个转轴232均与壳体Ⅱ21的两个相对侧壁(通过轴承)转动连接，两个转轴232通过传送带231传动连接，所述传送带231贯穿于物料输送区、排气区和太阳能温室区；其中一根所述转轴232与电机Ⅲ24的输出轴连接，所述电机Ⅲ24设置在壳体Ⅱ的外壁上，电机Ⅲ24与控制装置3电连接；所述壳体Ⅱ21远离壳体Ⅰ11的一端为开口端。
所述干化装置2还包括电加热装置26和光敏元件27；所述电加热装置26设置在传送带231上下表面的中间，所述光敏元件27安装在壳体Ⅱ21的太阳能温室区，所述光敏元件27用于检测光照强度，所述电加热装置26和光敏元件27均与所述控制装置3电连接。光敏元件27检测光照强度不足时，将信号传送至控制装置3，控制装置3启动电加热装置26，辅助污泥的干化。
实施例3
一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，包括预处理装置1、干化装置2和控制装置3，所述预处理装置1设置在干化装置2的上部，所述预处理装置1和干化装置2分别与控制装置3连接。
所述预处理装置1包括壳体Ⅰ11、盖板12、电机Ⅰ13、搅拌器14、挡板15、挡板转轴16、电机Ⅱ17、继电器18；所述壳体Ⅰ11上部设置有盖板12，所述盖板12上面安装有电机Ⅰ13，所述电机Ⅰ13与控制装置3电连接，所述电机Ⅰ13的输出轴穿过盖板12设有的中心孔与搅拌器14连接，所述搅拌器14的下方设置有挡板15，所述挡板15通过挡板转轴16转动连接在所述壳体Ⅰ11一侧内壁上，所述挡板转轴16与电机Ⅱ17的输出轴连接，所述电机Ⅱ17设置在壳体Ⅰ11外部，所述电机Ⅱ17与控制装置3电连接；所述挡板15上远离挡板转轴16的一端安装有继电器18，所述继电器18与控制装置3电连接。
所述干化装置2包括壳体Ⅱ21、菲涅尔聚光镜22、传送带总成23、电机Ⅲ24、烟囱25；所述传送带总成23包括传送带231和两根转轴232；所述壳体Ⅱ21内分为物料输送区、排气区、太阳能温室区，所述物料输送区、排气区、太阳能温室区相互连通，所述物料输送区设置在壳体Ⅰ11的下部，所述排气区的上部连通设置有烟囱25，所述太阳能温室区的顶部设有敞口，所述敞口处安装有菲涅尔聚光镜22；所述壳体Ⅱ21内水平且平行设置有两个转轴232，所述两个转轴232均与壳体Ⅱ的两个相对侧壁(通过轴承)转动连接，两个转轴232通过传送带231传动连接，所述传送带231贯穿于物料输送区、排气区和太阳能温室区；其中一根所述转轴232与电机Ⅲ24的输出轴连接，所述电机Ⅲ24设置在壳体Ⅱ的外壁上，电机Ⅲ24与控制装置3电连接；所述壳体Ⅱ21远离壳体Ⅰ11的一端为开口端。
所述烟囱25内安装有抽吸风扇28和活性炭吸附装置29，所述活性炭吸附装置29位于抽吸风扇28的上方，所述抽吸风扇28与控制装置3电连接，控制装置3控制抽吸风扇28的运转，辅助烟囱25加强温室内的气体交换，活性炭吸附装置29吸附污泥散发的刺激性气味，减少刺激性气体对大气的污染。
实施例4
一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，包括预处理装置1、干化装置2和控制装置3，所述预处理装置1设置在干化装置2的上部，所述预处理装置1和干化装置2分别与控制装置3连接。
所述预处理装置1包括壳体Ⅰ11、盖板12、电机Ⅰ13、搅拌器14、挡板15、挡板转轴16、电机Ⅱ17、继电器18；所述壳体Ⅰ11上部设置有盖板12，所述盖板12上面安装有电机Ⅰ13，所述电机Ⅰ13与控制装置3电连接，所述电机Ⅰ13的输出轴穿过盖板12设有的中心孔与搅拌器14连接，所述搅拌器14的下方设置有挡板15，所述挡板15通过挡板转轴16转动连接在所述壳体Ⅰ11一侧内壁上，所述挡板转轴16与电机Ⅱ17的输出轴连接，所述电机Ⅱ17设置在壳体Ⅰ11外部，所述电机Ⅱ17与控制装置3电连接；所述挡板15上远离挡板转轴16的一端安装有继电器18，所述继电器18与控制装置3电连接。
所述干化装置2包括壳体Ⅱ21、菲涅尔聚光镜22、传送带总成23、电机Ⅲ24、烟囱25；所述传送带总成23包括传送带231和两根转轴232；所述壳体Ⅱ21内分为物料输送区、排气区、太阳能温室区，所述物料输送区、排气区、太阳能温室区相互连通，所述物料输送区设置在壳体Ⅰ11的下部，所述排气区的上部连通设置有烟囱25，所述太阳能温室区的顶部设有敞口，所述敞口处安装有菲涅尔聚光镜22；所述壳体Ⅱ21内水平且平行设置有两个转轴232，所述两个转轴232均与壳体Ⅱ的两个相对侧壁(通过轴承)转动连接，两个转轴232通过传送带231传动连接，所述传送带231贯穿于物料输送区、排气区和太阳能温室区；其中一根所述转轴232与电机Ⅲ24的输出轴连接，所述电机Ⅲ24设置在壳体Ⅱ的外壁上，电机Ⅲ24与控制装置3电连接；所述壳体Ⅱ21远离壳体Ⅰ11的一端为开口端。
所述控制装置3为单片机；控制装置采用的STM32L151/152Cortex-M3低功耗单片机，通过内部的通用32位定时器、内部时钟源实现各流程时序控制。低功耗单片机具有运算速度快、可自动产生PWM波、有A/D转换器等特点，可满足对电机的控制要求。而传送带所用电机Ⅲ选择直流伺服电机，其具有体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定等优点。
实施例5
一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，包括预处理装置1、干化装置2和控制装置3，所述预处理装置1设置在干化装置2的上部，所述预处理装置1和干化装置2分别与控制装置3连接。
所述预处理装置1包括壳体Ⅰ11、盖板12、电机Ⅰ13、搅拌器14、挡板15、挡板转轴16、电机Ⅱ17、继电器18；所述壳体Ⅰ11上部设置有盖板12，所述盖板12上面安装有电机Ⅰ13，所述电机Ⅰ13与控制装置3电连接，所述电机Ⅰ13的输出轴穿过盖板12设有的中心孔与搅拌器14连接，所述搅拌器14的下方设置有挡板15，所述挡板15通过挡板转轴16转动连接在所述壳体Ⅰ11一侧内壁上，所述挡板转轴16与电机Ⅱ17的输出轴连接，所述电机Ⅱ17设置在壳体Ⅰ11外部，所述电机Ⅱ17与控制装置3电连接；所述挡板15上远离挡板转轴16的一端安装有继电器18，所述继电器18与控制装置3电连接。
所述干化装置2包括壳体Ⅱ21、菲涅尔聚光镜22、传送带总成23、电机Ⅲ24、烟囱25；所述传送带总成23包括传送带231和两根转轴232；所述壳体Ⅱ21内分为物料输送区、排气区、太阳能温室区，所述物料输送区、排气区、太阳能温室区相互连通，所述物料输送区设置在壳体Ⅰ11的下部，所述排气区的上部连通设置有烟囱25，所述太阳能温室区的顶部设有敞口，所述敞口处安装有菲涅尔聚光镜22；所述壳体Ⅱ21内水平且平行设置有两个转轴232，所述两个转轴232均与壳体Ⅱ的两个相对侧壁(通过轴承)转动连接，两个转轴232通过传送带231传动连接，所述传送带231贯穿于物料输送区、排气区和太阳能温室区；其中一根所述转轴232与电机Ⅲ24的输出轴连接，所述电机Ⅲ24设置在壳体Ⅱ的外壁上，电机Ⅲ24与控制装置3电连接；所述壳体Ⅱ21远离壳体Ⅰ11的一端为开口端。
所述干化装置2的壳体Ⅱ21侧壁上开有通风口30，促进温室内的气体流动，加速污泥水分散失。
实施例6
一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，包括预处理装置1、干化装置2和控制装置3，所述预处理装置1设置在干化装置2的上部，所述预处理装置1和干化装置2分别与控制装置3连接。
所述预处理装置1包括壳体Ⅰ11、盖板12、电机Ⅰ13、搅拌器14、挡板15、挡板转轴16、电机Ⅱ17、继电器18；所述壳体Ⅰ11上部设置有盖板12，所述盖板12上面安装有电机Ⅰ13，所述电机Ⅰ13与控制装置3电连接，所述电机Ⅰ13的输出轴穿过盖板12设有的中心孔与搅拌器14连接，所述搅拌器14的下方设置有挡板15，所述挡板15通过挡板转轴16转动连接在所述壳体Ⅰ11一侧内壁上，所述挡板转轴16与电机Ⅱ17的输出轴连接，所述电机Ⅱ17设置在壳体Ⅰ11外部，所述电机Ⅱ17与控制装置3电连接；所述挡板15上远离挡板转轴16的一端安装有继电器18，所述继电器18与控制装置3电连接。
所述干化装置2包括壳体Ⅱ21、菲涅尔聚光镜22、传送带总成23、电机Ⅲ24、烟囱25；所述传送带总成23包括传送带231和两根转轴232；所述壳体Ⅱ21内分为物料输送区、排气区、太阳能温室区，所述物料输送区、排气区、太阳能温室区相互连通，所述物料输送区设置在壳体Ⅰ11的下部，所述排气区的上部连通设置有烟囱25，所述太阳能温室区的顶部设有敞口，所述敞口处安装有菲涅尔聚光镜22；所述壳体Ⅱ21内水平且平行设置有两个转轴232，所述两个转轴232均与壳体Ⅱ的两个相对侧壁(通过轴承)转动连接，两个转轴232通过传送带231传动连接，所述传送带231贯穿于物料输送区、排气区和太阳能温室区；其中一根所述转轴232与电机Ⅲ24的输出轴连接，所述电机Ⅲ24设置在壳体Ⅱ的外壁上，电机Ⅲ24与控制装置3电连接；所述壳体Ⅱ21远离壳体Ⅰ11的一端为开口端。
所述基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置还包括托盘4，所述托盘4置于所述传送带231上，用于物料的运输。
实施例7
一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化的方法，如图6所示，首先，单片机的系统初始化，然后完成如下步骤：
步骤一：将污泥粉末与干化剂、助燃剂按7：2：1的比例，加入预处理装置1后，控制装置3控制电机Ⅰ13的运转，电机Ⅰ13带动搅拌器14的高速旋转，使污泥与助燃剂、干化剂充分混合，同时使污泥的孔隙率增加，加速后续的干化过程；达到设定的搅拌时间后，所述控制装置3断开驱动搅拌器14的电机Ⅰ13和固定挡板15的继电器18；挡板15在自身与污泥的重力下绕挡板转轴16转动，挡板15打开，污泥落入托盘4中，实现下料；待污泥完全落下后，控制装置3启动电机Ⅱ17驱动挡板转轴16旋转，将挡板15转回原位，同时开启继电器18，将挡板15固定。
步骤二：在下料完成后，控制装置3启动电机Ⅲ24通过转轴232带动传送带231运转，控制装置3监测电机Ⅲ24码盘转数以确定传送带231所走距离，从而监测托盘4的位置，传送带231带动托盘4经过排气区运送至太阳能温室区；托盘4完全进入太阳能温室区后传送带231停止运动，控制装置3根据光敏元件27检测光照强度的反馈决定是否启动电加热装置26进行干化，当光敏元件27检测到光照强度低于设定数值时，将信号反馈给控制装置3，控制装置3启动电加热装置26进行辅助干化，当光照强度高于设定数值时，将信号反馈给控制装置3，控制装置3关闭电加热装置26，利用太阳光能透过菲涅尔透镜22进行干化，在干化过程中，控制装置3检测污泥的干化时间和失重率，在相同的时间间隔内，连续两次测定污泥的失重率之差小于5％时，干化过程结束，控制装置再次启动传送带231，将干化完成的混合物送出干化装置2，完成污泥的燃料化过程。
优选的，所述干化剂为硫酸铁；
其中，污泥、助燃剂和干化剂的具体比例由污泥种类、助燃剂种类及产能要求决定，但干化剂比例不高于混合物质量的10％，否则会降低整体热值。
理论设计：
1、装置控制系统
控制装置算法采用数字PID控制，其数学表达式为：
其中：u(k)为k时刻输入量，Kp为比例环节放大倍数，Ki为积分环节放大倍数，Kd为微分环节放大倍数，e(k)为k时刻偏差量，T为采样周期，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。
为了使电机运行柔和，加入转速—电流双闭环直流调速系统，其结构如图7所示，图中，M为直流电动机，TG为测速发电机，ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，GT为触发器，TA为电流互感器，VT为整流装置。U*n为转速给定电压，Un为转速反馈电压，U*i为电流给定电压，Ui为电流反馈电压，Uct为控制电压，Ud为电枢端电压。两个调节器之间实行串级联接，转速调节器ASR的输出是电流调节器ACR的输入，其输出Uct控制电力电子变换器。从闭环结构上看，转速环在外环，电流环在内环。
采用PWM软件法控制充电电流来控制电机转速，在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。
2、太阳能的收集与利用
菲涅尔透镜是由聚烯烃材料或玻璃制作的薄片，具有较好的聚光效果，菲涅尔透镜是一片有无数多个同心圆纹路的玻璃，能达到凸透镜的效果。如果投射光源是平行光，汇聚投射后能够保持图像各处亮度的一致。本实验装置在太阳能温室区设置了一面菲涅尔透镜收集太阳能，能够将光汇聚于待干化的污泥所在的区域，使干化区能在光源下保持较高的温度，有利于污泥中水分的蒸发，提高污泥的热值。
Seginer和Bux建立了经验蒸发模型，该模型基于蒸气平衡方程[1]。蒸气平衡方程如下：
E＝ρQv(Wout-Win)
其中E是蒸发率，单位为kg/(m3·s)，ρ是空气密度，单位kg/(m3·s)，Qv是通风率，Wout-Win是通风空气的出口和入口湿度之差，单位为％RH。
污泥由三种成分组成：无机固体(矿物、灰分)、有机(挥发性)物质和水。忽略有机物在较短的干燥过程中的挥发，则只有水的含量发生了变化。在单位面积上，用W表示水含量，t表示时间，D表示排水率，单位kg/(m3·s)。变量之间的基本关系为：
3、抽吸效应
太阳能烟囱是一种热压作用下的自然通风设备，是利用太阳辐射为空气流动提供浮升力，将热能转化为动能。作为强化自然通风压头和风量的一种手段，太阳能烟囱得到了越来越多的重视和利用。
太阳辐射通过透明玻璃进入温室后热量被吸收，加热通道内空气，产生密度差，完成热压和风压的转换，驱动通道内空气向上流动，达到通风效果。同时本装置设置了抽吸风扇，辅助烟囱加强温室内的气体交换，促使污泥中的水分快速流失，实现污泥的快速干化。
实验研究：
1、实验装置
实验台主体由木板与聚苯乙烯塑料板搭建。为简化实验，装置模型使用挡板阻止下料。由于烟囱高度受模型限制，因此采用内部抽吸风扇增大进出口压差，达到相同高度烟囱的抽吸效果。干化区菲涅尔透镜焦距为500mm，大于透镜与传送带距离，使光汇聚成面，达到面加热的效果。传送带驱动由12V直流电机和减速齿轮实现。
2、实验设计与过程
实现装置的自动控制，应以污泥干化结束的时间和失重率作为单片机的参考。考虑到污泥温度不高，挥发份的流失几乎为0，可近似认为样品失重率为失水率，因此以不同样品同等外界条件下失重率基本不变作为干化结束判据，同时比较不同种类干化剂效果。
为了确定干化的合理时间，采用与机械脱水后污泥性质相似的土壤进行干化实验。实验采用控制变量法，各实验组称取质量相同的土壤，按土壤和干化剂质量比为10:1的比例掺混不同干化剂，均匀搅拌，在相同环境下进行干化实验，每30min测定一次样品的质量，当样品的质量不再变化时停止实验，并对产物的热值进行测定。
表1不同种类干化剂作用下土壤质量变化及干化率
从表1、图8和图9可知，干化剂的加入可以使污泥较快的达到一定的失水率，在实际生产过程中加入适量的干化剂可以有效缩短干化时间，提升处理效率。在几种干化剂中，硫酸铁的效果最好，其次是聚丙烯酰胺，氧化钙最差。从热值分析结果上看，添加干化剂后产物的热值较原样均有所提高，且大于煤矸石的热值(6300kJ/kg)。添加聚丙烯酰胺的样品热值与硫酸铁几乎相同，但考虑到干化效果与成本，硫酸铁更适合作为污泥的干化添加剂。所以选择硫酸铁作为污泥预处理过程中的干化剂。
3、数值模拟
采用Comsol multiphysics 5.3软件进行装置内部流场的数值模拟。为简化计算，模拟过程取装置的中心面作为研究平面，并将边壁简化为多边形。同时将传送带简化为矩形边界，并在加热区对应长度上设置边界热源。考虑到装置内流速不高，物理场选择层流与对流传热耦合的非等温流动。在考虑损耗能量的情况下估算出投射到传送带污泥表面的热流密度为400W/m2。根据初步搭建的实验装置，通过烟囱高度给定进出口压差约为10Pa。设定外界温度为室温293.15K，气压为1atm。经过数值模拟，其速度云图和温度云图如附图10和附图11。
从速度云图中可以看出可以得出如下结论：1、适当增大传送带上表面和箱体内壁下表面的距离，有助于增大干化区主流流速，带动污泥表面空气流动，取得更好的污泥脱水效果；2、干化区流场对后方干化区流场影响较小，装置适当缩小预处理区所占面积不影响干化区空气流动，有利于节约材料；3、烟囱对装置内空气流动起到十分积极的作用，在合理空间内增加烟囱高度(即增大进出口压差)可以增强空气流动，提高装置的干化效果。
从温度云图可以看出，污泥的最高温度可达到318K，此温度随污泥受到的光照强度和表面空气流速的影响而变化。如果要使污泥保持一定的干化温度，应配合光敏元件，在光强不足或干化温度低时启动电加热装置，保证污泥干化处理过程的连续性。
4、经济效益分析
本产品采用单片机自动控制技术，使污泥处理过程做到自动化；太阳能利用技术能够节约电能，产品本身也成本低廉，具有广阔的推广前景。据统计，2017年，我国的污泥产量约为7451万吨/年。由文献可知，经过干化的污泥热值可达6373kJ/kg，由经过机械脱水的污泥含水率为80％。则如果将每年产生的污泥制成燃料，则可以产生9.947×1013kJ的能量，相当于324.05万吨标准煤的热值，可节约化石能源，符合国家节能减排的战略。具体数据见表2。
表2经济效益分析表
该装置成本较低且处理时间短。如果该装置可以做到大规模制造和使用，则成本进一步降低，效益进一步增加，则该装置能保持较好的经济效益。考虑到与污水处理厂等上游产业的整合，它也降低了污水处理厂处理污泥的成本，实现了资源的合理利用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[1]Ido Seginer,Ilya Ioslovich,Markus Bux.Optimal Control ofSolarSludge Dryers[J].Drying Technology,2007,25：401-415.

Claims (10)

1.一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，其特征在于：包括预处理装置(1)、干化装置(2)和控制装置(3)，所述预处理装置(1)设置在干化装置(2)的上部，所述预处理装置(1)和干化装置(2)分别与控制装置(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，其特征在于：所述预处理装置(1)包括壳体Ⅰ(11)、盖板(12)、电机Ⅰ(13)、搅拌器(14)、挡板(15)、挡板转轴(16)、电机Ⅱ(17)、继电器(18)；所述壳体Ⅰ(11)上部设置有盖板(12)，所述盖板(12)上面安装有电机Ⅰ(13)，所述电机Ⅰ(13)与控制装置(3)电连接，所述电机Ⅰ(13)的输出轴穿过盖板(12)设有的中心孔与搅拌器(14)连接，所述搅拌器(14)的下方设置有挡板(15)，所述挡板(15)通过挡板转轴(16)转动连接在所述壳体Ⅰ(11)一侧内壁上，所述挡板转轴(16)与电机Ⅱ(17)的输出轴连接，所述电机Ⅱ(17)设置在壳体Ⅰ(11)外部，所述电机Ⅱ(17)与控制装置(3)电连接；所述挡板(15)上远离挡板转轴(16)的一端安装有继电器(18)，所述继电器(18)与控制装置(3)电连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，其特征在于：所述干化装置(2)包括壳体Ⅱ(21)、菲涅尔聚光镜(22)、传送带总成(23)、电机Ⅲ(24)、烟囱(25)；所述传送带总成(23)包括传送带(231)和两根转轴(232)；所述壳体Ⅱ(21)内分为物料输送区、排气区、太阳能温室区，所述物料输送区、排气区、太阳能温室区相互连通，所述物料输送区设置在壳体Ⅰ(11)的下部，所述排气区的上部连通设置有烟囱(25)，所述太阳能温室区的顶部设有敞口，所述敞口处安装有菲涅尔聚光镜(22)；所述壳体Ⅱ(21)内水平且平行设置有两个转轴(232)，所述两个转轴(232)均与壳体Ⅱ的两个相对侧壁转动连接，两个转轴(232)通过传送带(231)传动连接，所述传送带(231)贯穿于物料输送区、排气区和太阳能温室区；其中一根所述转轴(232)与电机Ⅲ(24)的输出轴连接，所述电机Ⅲ(24)设置在壳体Ⅱ的外壁上，电机Ⅲ(24)与控制装置(3)电连接；所述壳体Ⅱ(21)远离壳体Ⅰ(11)的一端为开口端。
4.根据权利要求3所述的一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，其特征在于：所述干化装置(2)还包括电加热装置(26)和光敏元件(27)；所述电加热装置(26)设置在传送带(231)上下表面的中间，所述光敏元件(27)安装在壳体Ⅱ(21)的太阳能温室区，所述光敏元件(27)用于检测光照强度，所述电加热装置(26)和光敏元件(27)均与所述控制装置(3)电连接。
5.根据权利要求3所述的一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，其特征在于：所述烟囱(25)内安装有抽吸风扇(28)和活性炭吸附装置(29)，所述活性炭吸附装置(29)位于抽吸风扇(28)的上方；所述抽吸风扇(28)与控制装置(3)电连接。
6.根据权利要求3所述的一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，其特征在于：所述控制装置(3)为单片机。
7.根据权利要求3所述的一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，其特征在于：所述干化装置(2)的壳体Ⅱ(21)侧壁上开有通风口(30)。
8.根据权利要求3所述的一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置，其特征在于：所述基于太阳能温室的污泥自动燃料化装置还包括托盘(4)，所述托盘(4)置于所述传送带(231)上，用于物料的运输。
9.根据权利要求3-8中任一一个权利要求所述的装置实现基于太阳能温室的污泥自动燃料化的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：将污泥粉末与干化剂、助燃剂按5～10:1～3:0.1～2的质量比加入到预处理装置(1)后，控制装置(3)控制电机Ⅰ(13)的运转，电机Ⅰ(13)带动搅拌器(14)高速旋转，使污泥与助燃剂、干化剂充分混合，达到设定的搅拌时间后，所述控制装置(3)断开驱动搅拌器(14)的电机Ⅰ(13)和固定挡板(15)的继电器(18)；挡板(15)在自身与污泥的重力下绕挡板转轴(16)转动，挡板(15)打开，污泥落入托盘(4)中，实现下料；待污泥完全落下后，控制装置(3)启动电机Ⅱ(17)驱动挡板转轴(16)旋转，将挡板(15)转回原位，同时开启继电器(18)，将挡板(15)固定。
步骤二：在下料完成后，控制装置(3)启动电机Ⅲ(24)通过转轴(232)带动传送带(231)运转，控制装置(3)监测电机Ⅲ(24)码盘转数以确定传送带(231)所走距离，传送带(231)带动托盘(4)运送至太阳能温室区；在托盘(4)完全进入太阳能温室区后传送带(231)停止运动，控制装置(3)根据光敏元件(27)检测光照强度的反馈决定是否启动电加热装置(26)进行干化，在干化过程中，控制装置(3)检测污泥的干化时间和失重率，在相同的时间间隔内，连续两次测定污泥的失重率之差小于5％时，干化过程结束，控制装置(3)再次启动电机Ⅲ(24)，由电机Ⅲ(24)带动传送带(231)运动，将干化完成的混合物送出干化装置(2)，完成污泥的燃料化过程。
10.根据权利要求9所述的一种基于太阳能温室的污泥自动燃料化的方法，其特征在于：所述干化剂为硫酸铁、聚丙烯酰胺和氧化钙的任意一种或多种的组合。
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