CN110671923B - 一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环保领域，公开了一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置及方法，由负压低温快速蒸发技术、生物高温发酵直接干燥技术、热气间接干燥技术三者协同构建，采用无动力螺旋搅拌方式，将带螺旋轴的楔形网筒设置在生物干化装置的处理腔内，对干化发酵污泥实施连续或间隙式螺旋式从下向上的输送搅拌；通过负压降低水分蒸发温度，并吸入热风导入生物干化装置，在负压和热风加热的基础上，能将生物发酵模式快速导入对数增长期和稳定期，产生的热量直接用于污泥的水分蒸发，减少加热成本，发酵、蒸发污泥产生的臭气，经过真空抽吸，不会逸散出来。

Description

一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置及方法

技术领域

本发明属于环保领域，具体涉及一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置及方法。

背景技术

2015年全国城市污水处理量达16065万m³/日，按照0.8‰的比例估算，全国的污泥(含水率80％)产量约4691万吨，具有有机质含量和热值相对较低等泥质特点。目前很多企业针对如何再更多地降低污泥中含水率开发了很多技术和装备，如高压板框压滤技术、热泵技术、薄层热干化技术、回转窑炉干化技术等，这些技术仅仅实现了污泥的减量化目的；也有很多北京地区的企业基于上述高效脱水技术基础上，将高效脱水+生物堆肥协同实现资源化，出来的产品作为有机肥回归北京周边地区的园林改良材，但是在其他发达地区如上海、广州、江浙一带，比较关注堆肥产品中存在的重金属和抗生素等问题，很多企业发酵出的有机肥没有下游接收出路，在厂区内堆积成山已成隐患；然后针对堆肥产品中的重金属和抗生素问题，污泥炭化是一种有效的解决途径。

众所周知污泥炭化的前处理单元必定是干化，通过将污泥中含水率降低到＜40％来提高热值是最直接的手段，现有污泥干化技术有物理和生物两种方式。其中热能物理干化手段相对堆肥发酵生物干化手段具有处理周期短缩的优势，但是反过来相对堆肥发酵干化却存在能耗高劣势。

如中国专利文献CA201058838Y公开的干燥系统，包括炉体、与炉体的进料口连接的给料机，与炉体的出气口连接的喷淋塔。其中，炉体包括设置在炉体内的传动轴，设置在传动轴外壁上并径向延伸的若干空心桨叶，通过向传动轴中通入高温气体对空心桨叶和炉体外壁加热，使得炉体内形成高温环境。在对物料干燥过程中，物流处于炉体内壁、传动轴以及桨叶外壁形成的腔体内，在传动轴的转动下，桨叶沿传动轴转动的方向搅拌物料，使得物料在腔体内被翻动，并与桨叶外壁、传动轴外壁以及炉体内壁之间进行对流换热。但是，上述干燥系统，在对物料干燥时，物料只靠与炉体壁面、桨叶外壁接触进行间接换热，使得整个换热效率低，将物料干燥需要的热量更多；同时，桨叶只能在一个方向间接换热，使得整个换热效率低，将物料干燥需要的热量更多；同时，桨叶只能在一个方向上对物料进行搅拌，使得物料只能在一个方向上运动，对于一些湿物料搅拌时，容易使得物料粘合在一起，而对于一些大颗粒物料搅拌时，搅拌效果不好，导致物料干燥效率低、需要热量更多。

中国专利文献CN 205228054 U提出一种真空干燥系统，包括炉体，炉体具有密封性空腔、进料口、出料口以及第一出气口；将物料加入炉体的空腔内的给料装置，用于收集炉体内干燥后的物料放入接料装置，与第一出气口连接的真空装置，用于对炉体内的物料进行搅拌和粉碎的搅拌装置，以及给炉体和/或搅拌装置的壁面提供热量的加热装置，对物料干燥时，搅拌装置在炉体内对物料进行多方向的搅拌和粉碎，增大物料与炉体内高温环境的对流换热面积提高干燥效率。此外，在真空装置的作用下，炉体内呈负压状态，使得物料中的水分在较低温度下就能够蒸发成气体，降低物料被干燥所需要的热量，使得整个干燥系统的能耗低。但是，这干燥系统因为是卧式，针对处理规模大的项目因占地面积大，且内部搅拌动力能耗没有优势易被业主否定投资可行性，还存在臭气再处理稳定性担忧，尤其针对氨的释放是不可避免的，这样导致工艺复杂且增加运行成本等问题的出现。

发明内容

为克服上述技术问题，本发明提供了一种一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置。

为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的。

一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置，包括竖式设置的干化装置主体和搅拌装置；所述干化装置主体上部呈筒形，底部呈锥形，筒顶部设有盖板，盖板下部设有上轴承套，盖板上设有进料口和真空口，在底部的最下端设有出料管、排液口，在底部的中部设有进气管；所述搅拌装置包括螺旋无动力输送装置、固体输送泵、进料管、回流管；所述螺旋无动力输送装置包括筒体、螺旋搅拌轴，螺旋搅拌轴上设置有等间距螺旋叶片，螺旋搅拌轴位于筒体内，螺旋无动力输送装置垂直安放于干化装置主体内，筒体顶部不与盖板接触，筒体底部设有下轴承套，下轴承套通过辐条与筒体底部固定连接，螺旋搅拌轴顶部套在上轴承套中，螺旋搅拌轴底部套在下轴承套中；在干化装置主体底部设有回流管；固体输送泵进口与回流管出口连接，进料管一端连接固体输送泵出口，进料管另一端由干化装置主体底部垂直向上进入与螺旋无动力输送装置筒体底部连接。

通过进料口投入含水率＜80％的脱水污泥或其它可以发酵的有机废弃物，其有机物含量＞40％，如不能满足上述条件的污泥泥质，可根据实际情况就地取材定量补加如餐厨垃圾、家禽粪、木屑等有机废弃物来满足要求；添加好氧/兼性高温发酵微生物进行生物发酵，通过回流管、固体输送泵输送物料至螺旋无动力输送装置。其螺旋搅拌轴的旋转不用马达带动，而是由固体输送泵输送的干化污泥在推力和重力压力下得以启动中间螺旋轴搅拌轴的自旋转，对干化发酵污泥实施连续或间隙式螺旋式从下向上的输送搅拌；螺旋搅拌轴起到了污泥输送和搅拌的双重作用，具体如：可以将底部发酵污泥通过螺旋搅拌轴输送出筒体顶部而重力跌落并覆盖至生物干化装置污泥层的上部，实现上下的均匀翻动混合。另外在螺旋输送过程中在筒体内部将局部污泥进行小范围均化混合，这样确保了整个内部发酵均匀，无死角、臭气不会逸散等。装置因为是竖式的，污泥生物干化停留时间短，约为3～12h，因此可做成占地面积小的可搬式装置。在生物干化装置顶部设置真空口，直接与真空泵连接构建成减压单元；由于含水污泥(如含水率80％—70％程度的污泥)在进料口连续或间隙投入，进料口处由于物料的堆积形成密封状态从而与外界空气隔断。真空口连接气液分离单元，气液分离单元直接与真空装置连接；利用真空泵吸引生物干化装置室内的空气将其减压成比大气压低的负压状态，本发明优选生物干化装置内的负压值为0.02～0.098Mpa，使水的沸点值下降为95℃～68℃，因为负压状态下污泥中含有的水分沸点变低，在连续搅拌和输出干化过程中污泥中的水分不断快速从真空口排出，在气液分离单元内有效分离成冷凝水和空气，生物干化产生的氨气溶于冷凝水中，排向尾气湿法处理装置；此时污泥中的含水率大幅降低，可以协同生物发酵热直接干燥和物理回收热间接干燥达到目标值＜40％，这样本发明的生物干化装置相对一般间歇或连续生物发酵干化装置更高效和小型化。在负压状态的内部空间中连续注入少量空气，空气来源可以是常温空气，也可以为换热所获得的热空气。空气高速渗入负压生物干化装置，随着高速气流生物干化装置内部的水蒸气快速排出而使得污泥中的水分量大幅降低，促进污泥的快速干燥。本发明积极利用生物发酵热，所涉及的生物发酵热是借用生物发酵堆肥获得生物热能原理，在上述负压条件下的物理加热基础上，能将生物发酵模式快速导入对数增长期和稳定期，生物热能的产生实现高效、持续、可控。生物干化装置上面设有盖板为了整个生物干化区为密封状态，可以直接防止臭气的逸散。固体输送泵采用单轴螺杆泵。

进一步地所述螺旋搅拌轴上下顶端均为截头圆锥形，与上、下轴承套之间的间隙为0.5～1.0mm，并且螺旋搅拌轴能在上轴承套与下轴承套之间上下移动。螺旋搅拌轴在工作时是悬浮状态的，轴的顶部直接抵达生物干化装置盖板下的上轴承套中，轴承套与轴之间的孔隙为0.5～1.0mm，防止轴承套与轴承的磨损，轴承套上固定20mm高度的不锈钢钢圈形成一体，螺旋搅拌轴上下顶端均为截头圆锥形，能减少阻力；当轴不工作的情况下，轴整体自由下降，下降幅度设置成50～150mm范围。

进一步地所述筒体直径为干化装置主体直径的1/3～1/5，在进料管与筒体底部之间设有直径与筒体一致的圆柱储存内筒，圆柱储存内筒两端通过法兰分别与进料管和筒体底部连接。方便折下检修。

进一步地所述筒体有两个半圆柱状的筒体固定成一体；筒体顶端安装有污泥粉碎刀。筒可以是一体式圆柱体，为了方便折开检修或清扫方便可以优选两个半圆柱状的筒体法兰翼附加垫片对称螺栓固定成一体。筒体使用楔形网卷压而成，楔形网优选三角型楔形丝，丝径选择0.5～1.5mm范围，楔形网目数为25～75微米。

筒体上部接近出料口200-500mm处的两个对立面均匀安装污泥粉碎刀，粉碎刀优选弹簧钢做成的弹性体，但不限于此。在任何情况下，都需要考虑杨氏模量和所用材料的强度来确定尺寸和形状，例如厚度。在螺旋输送污泥的时候，对污泥进行物理切割形成污泥颗粒粒径＜10mm的状态，为后续炭化省去物料粉碎前处理装置。

进一步地在所述回流管与固体输送泵之间设有破桥污泥储仓，破桥污泥储仓中设有打碎铰刀。为了防止污泥在干化过程中产生搭桥阻碍泵的输送，所以设置打碎铰刀，打碎污泥，造成架桥坍塌，使上部污泥顺利下落，达到实现稳定进料的目的。

进一步地所述进气管为多孔管，多孔管的气孔孔径为2～10mm，分布在管道的两侧，与水平呈现30°～45°的夹角。防止污泥进入气孔而堵塞气管。

进一步地所述螺旋搅拌轴为中空设置，螺旋搅拌轴的底部与进气管活动连接，螺旋搅拌轴的顶部密封，螺旋搅拌轴上开有若干气孔，气孔孔径为2～10mm。在螺旋搅拌轴的内部中空通道中通入60℃～70℃的换热空气进行对污泥内部间接物理加热，在负压条件下的物理加热基础上，能将生物发酵模式快速导入对数增长期和稳定期，生物热能的产生时间能实现高效持续可控。

进一步地所述螺旋无动力输送装置并列设置1-3套，连接的固体输送泵共用一台或者每套螺旋无动力输送装置独立配制的一台固体输送泵。如果要求生物干化处理量规模大，则可以考虑在一座生物干化装置内部并列设置2～3套，反之就选择1套。

进一步地还设有控制器、温差计、pH计、温度计、湿度计、真空计，温差计测量螺旋无动力输送装置出口与回流管进口之间的温差，pH计测量真空口尾气的pH值，温度计测量干化装置内部的发酵温度，湿度计测量干化装置内的空气湿度，真空计测量干化装置内的真空度；温差计、pH计、温度计、湿度计、真空计将读数传递至控制器，控制器控制固体输送泵的转速、出料管的出料速度、进气管的进风量、真空口的抽气量。整个装置操作采用全自动控制，通过在生物干化装置内部设置的温差计的读数来调节固体输送泵的转速，从而控制螺旋搅拌轴的速度，使得生物干化装置内部物料温度均匀，一般筒体内污泥物料经过的时间为20分～60分，螺旋轴输送压力约为0.5～1.5×10⁵kPa；通过温度计的读数来调节进气管阀门来调节进来的空气量，一般干化装置污泥内部的发酵温度控制在45℃～65℃范围；通过湿度计的读数来调节真空泵转速，当湿度显示高值说明生物干化装置中物料含水率高，则开大真空泵转速加快抽湿，湿度显示低值或适中可以维持真空泵一定的转速；通过真空计的读数调节进气管阀门，当真空度过低则减少空气阀门调小空气进来量，当真空度过高则反之；尾气检测pH＜6.5或＞8.0则提示报警，并二级联动控制出料螺旋轴转速。

进一步地提供了一种坚式无动力螺旋搅拌生物干化装置的使用方法，包括以下步骤：

1)通过进料口投入含水率70～80％，有机物含量＞40％的脱水污泥，添加好氧/兼性高温发酵微生物进行生物；

2)开启真空口，控制生物干化装置内的负压值为0.02～0.098Mpa；

3)打开进气管，控制进气量保证生物干化装置内的负压值为0.02～0.098Mpa；污泥内部的发酵温度控制在45℃～65℃范围；

4)开启固体输送泵，输送污泥至螺旋无动力输送装置中，推动螺旋搅拌轴旋转，控制固体输送泵输送量，使污泥物料经过筒体的时间为20分～60分，螺旋轴输送压力约为0.5～1.5×10⁵kPa；

5)当生物干化装置内空气湿度小于40％，并保持10min，关闭固体输送泵，开启出料管出料，完成污泥干化。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：解决了常规生物堆肥发酵干化或热风干化等能耗高、时间长、臭气逸散等诸多问题。能真正实现无燃料化高效快速干燥目的，具备节能、占地面积小可搬动，维护管理简单、无臭气逸散等技术优势。

附图说明

图1为生物干化装置结构示意图；

图2为螺旋无动力输送装置结构示意图；

图3为螺旋无动力输送装置筒体结构示意图；

图4为上轴承套结构示意图；

图5为螺旋搅拌轴与轴承套位置细节图；

其中1.真空口，2.干化装置主体，3.回流管，4.破桥污泥储仓，5.固体输送泵，6.进料口，7.螺旋无动力输送装置，8.进气管，9.螺旋出料机，10.排液口。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步的详细说明。本发明所用的原料均为市售产品。固体输送泵5使用单螺杆泵。

实施例1

如图1所示，一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置，包括竖式设置的干化装置主体2和搅拌装置。

所述干化装置主体2上部呈圆筒形，圆筒顶部设有盖板，盖板下部设有上轴承套，盖板上设有进料口6和真空口1，真空口1与真空装置连接；底部呈锥形，锥体角度设计为＜45°，易促进污泥的滑落混合，在锥形底部设有出料管、排液口10，在锥形中部设有进气管8；进气管8为多孔管，多孔管的气孔孔径为2～10mm，分布在管道的两侧，与水平呈现30°～45°的夹角。

所述搅拌装置包括螺旋无动力输送装置7、固体输送泵5、进料管、回流管3。如图2所示，所述螺旋无动力输送装置7包括筒体、螺旋搅拌轴。螺旋搅拌轴上设置等间距螺旋叶片，螺旋叶片直径一般控制在100～500mm、间距控制在100～200mm；螺旋搅拌轴位于筒体内，叶片与筒体的间距孔隙确保在1～2mm范围以提供水份和气体流路。螺旋无动力输送装置7垂直安放于干化装置主体2内，筒体顶部不与盖板接触，筒体底部设有下轴承套，下轴承套通过辐条与筒体底部固定连接，螺旋搅拌轴顶部套在上轴承套中，螺旋搅拌轴底部套在下轴承套中；如图4、5所示，螺旋搅拌轴上下顶端均为截头圆锥形，与上、下轴承套之间的间隙为0.5～1.0mm，并且螺旋搅拌轴能在上轴承套与下轴承套之间上下移动50～150mm。筒体直径为干化装置主体2直径的1/3～1/5，筒体优选三角型楔形丝制成的楔形网筒，丝径选择0.5～1.5mm，材质可以为不锈钢，楔形网筒优选两个半圆柱状的楔形网筒法兰翼附加垫片对称螺栓固定成一体(如图3所示)，楔形网筒上部接近出料口200-500mm处的两个对立面均匀安装污泥粉碎刀，粉碎刀优选弹簧钢做成的弹性体。在干化装置主体2底部设有回流管3，回流管3出口连接破桥污泥储仓4，破桥污泥储仓4中设有打碎铰刀，破桥污泥储仓4出口连接固体输送泵5进口，进料管一端连接固体输送泵5出口，进料管另一端由干化装置主体2底部垂直向上进入，与直径与筒体一致的圆柱储存内筒法兰连接，圆柱储存内筒与楔形网筒底部法兰连接。螺旋搅拌轴为中空设置，螺旋搅拌轴的底部与进气管8通过轴封和软管活动连接，螺旋搅拌轴的顶部密封，螺旋搅拌轴上开有若干气孔，气孔孔径为2～10mm。

一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化方法，包括以下步骤：

1)通过进料口6投入含水率70～80％，有机物含量＞40％的脱水污泥，添加好氧/兼性高温发酵微生物进行生物；

2)开启真空口1，控制生物干化装置内的负压值为0.02～0.098Mpa；

3)打开进气管8，控制进气量保证生物干化装置内的负压值为0.02～0.098Mpa；污泥内部的发酵温度控制在45℃～65℃范围；

4)开启固体输送泵5，输送污泥至螺旋无动力输送装置7中，推动螺旋搅拌轴旋转，控制固体输送泵5输送量，使污泥物料经过筒体的时间为20分～60分，螺旋轴输送压力约为0.5～1.5×10⁵kPa；

5)当生物干化装置内空气湿度小于40％，并保持10min，关闭固体输送泵5，开启出料管出料，完成污泥干化。

本发明所述的生物干化装置操作采用全自动控制，通过在生物干化装置内部设置温差计来调节固体输送泵5的转速，从而控制螺旋搅拌轴的速度，使得生物干化装置内部物料温度均匀，一般筒体内污泥物料经过的时间为20分～60分，螺旋搅拌轴输送压力约为0.5～1.5×10⁵kPa；通过温度计来调节进气管8阀门来调节进来的空气量，一般干化装置污泥内部的发酵温度控制在45℃～65℃范围；通过湿度计来调节真空泵转速，当湿度显示高值说明生物干化装置中物料含水率高，则开大真空泵转速加快抽湿，湿度显示低值或适中可以维持真空泵一定的转速；通过真空计调节进气管8阀门，当真空度过低则减少空气阀门调小空气进来量，当真空度过高则反之；尾气检测pH＜6.5或＞8.0则提示报警，并二级联动控制螺旋出料机9转速。

本发明按照上述实施例进行了说明，应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置，其特征在于，包括竖式设置的干化装置主体和搅拌装置；

所述干化装置主体上部呈筒形，底部呈锥形，筒顶部设有盖板，盖板下部设有上轴承套，盖板上设有进料口和真空口，在底部的最下端设有螺旋出料机、排液口，在底部的中部设有进气管；

所述搅拌装置包括螺旋无动力输送装置、固体输送泵、进料管、回流管；所述螺旋无动力输送装置包括筒体、螺旋搅拌轴，螺旋搅拌轴上设置有等间距螺旋叶片，螺旋搅拌轴位于筒体内，螺旋无动力输送装置垂直安放于干化装置主体内，筒体顶部不与盖板接触，筒体底部设有下轴承套，下轴承套通过辐条与筒体底部固定连接，螺旋搅拌轴顶部套在上轴承套中，螺旋搅拌轴底部套在下轴承套中；在干化装置主体底部设有回流管；固体输送泵进口与回流管出口连接，所述回流管与固体输送泵之间设有破桥污泥储仓，破桥污泥储仓中设有打碎铰刀；进料管一端连接固体输送泵出口，进料管另一端由干化装置主体底部垂直向上进入与螺旋无动力输送装置筒体底部连接。

2.根据权利要求1所述的一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置，其特征在于，所述螺旋搅拌轴上下顶端均为截头圆锥形，与上、下轴承套之间的间隙为0.5～1.0mm，并且螺旋搅拌轴能在上轴承套与下轴承套之间上下移动。

3.根据权利要求1所述的一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置，其特征在于，所述筒体直径为干化装置主体直径的1/3～1/5，在进料管与筒体底部之间设有直径与筒体一致的圆柱储存内筒，圆柱储存内筒两端通过法兰分别与进料管和筒体底部连接。

4.根据权利要求1所述的一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置，其特征在于，所述筒体由两个半圆柱状的筒体固定成一体；筒体上部安装有污泥粉碎刀。

5.根据权利要求1所述的一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置，其特征在于，所述进气管为多孔管，进气管伸入干化装置主体内部，多孔管的气孔孔径为2～10mm，分布在管道的两侧，与水平呈现30～45°的夹角。

6.根据权利要求1所述的一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置，其特征在于，所述螺旋搅拌轴为中空设置，螺旋搅拌轴的底部与进气管活动连接，螺旋搅拌轴的顶部密封，螺旋搅拌轴上开有若干气孔，气孔孔径为2～10mm。

7.根据权利要求1所述的一种竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置，其特征在于，所述螺旋无动力输送装置并列设置1-3套，连接的固体输送泵共用一台或者每套螺旋无动力输送装置独立连接一台固体输送泵。

8.根据权利要求1～7中任一种所述的竖式无动力螺旋搅拌生物干化装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）通过进料口投入含水率70～80%，有机物含量＞40%的脱水污泥，添加好氧/兼性高温发酵微生物进行生物；

2）开启真空口，控制生物干化装置内的负压值为0.02～0.098Mpa；

3）打开进气管，控制进气量保证生物干化装置内的负压值为0.02～0.098Mpa；污泥内部的发酵温度控制在45℃～65℃范围；

4）开启固体输送泵，输送污泥至螺旋无动力输送装置中，推动螺旋搅拌轴旋转，控制固体输送泵输送量，使污泥物料经过筒体的时间为20分～60分，螺旋搅拌轴输送压力为0.5～1.5×10⁵kPa；

5）当生物干化装置内空气湿度小于40%，并保持10min，关闭固体输送泵，开启螺旋出料机出料，完成污泥干化。

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