CN113337251B - 污泥基定型相变储热材料的制备系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于能源和储热节能新材料技术领域，具体提供了一种污泥基定型相变储热材料的制备系统及方法，其中的制备系统包括：1)坯料制备单元，其包括初脱水污泥仓、混合器、储热材料仓、干化机、分离器、干底料仓、焚烧炉、坯料仓，2)成型烧结单元，其包括粘结剂罐、研磨机、成型模具、压力机和烧结炉，3)表面处理单元，其包括处理液罐、涂覆室、电炉、处理气罐和熟料仓。本发明借助于制备系统，通过相应的工艺对污泥和相变材料进行一定的处理，从而形成了污泥基定型相变储热材料。

Description

污泥基定型相变储热材料的制备系统及方法

技术领域

本发明属于能源和储热节能新材料技术领域，具体涉及复合相变材料的制备与应用领域，特别涉及一种污泥(如以煤矸石为原料的污泥)基定型相变储热材料的制备系统及方法。

背景技术

伴随于经济的发展，社会的能源结构发生了巨大的改变，能源问题和环境问题在国内以及世界范围内均日益严重。以国内为例，为了改善环境友好性，如为了降低单位产出的能耗和排放，国家大力发展先进储能技术并推进节能减排政策，以最大可能地缓解能源在供需环节存在的矛盾。

污泥是污水处理厂等污水处理场所的必然产物。未经恰当处理/ 处置的污泥进入环境后，将对环境中的水体/大气等带来明显的二次污染，和的活动构成了严重的威胁。仍以国内的数据为例，中国的城市污水厂的污泥产量通常在8-12万m³/day，因此污水厂面临巨大的污泥处置压力。

如一项数据显示：目前污水处理厂对于脱水污泥的处置去向中，污泥农用这一分支占44.8％、陆地填埋这一分支占31％、其他处理方式约占10.5％、没有处理约13.7％。目前的处理方式没有很好地利用污泥本身具有的热值高的优点，因此上述处理方式会明显地造成的资源浪费。相变材料作为储能技术的一种形式，其可以通过相变过程将能量释放出来，因此在相变未发生之前能够以潜热的形式储存大量的能量。如何将具有的热值高的优点的污泥转换为相变材料实现其的储能目的，有很大的发展空间。

相应地，本领域需要一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

技术问题

本发明旨在将具有的热值高的优点的污泥转换为相变材料实现其的储能目的。具体地，通过对污泥进行一定的处理，将其制备成稳定的复合相变材料，从而发挥其储能性能。通过将本来具有排放压力的污泥应用于储热领域中，不仅降低了排放压力，还产生了具有利用率的资源。

技术方案

鉴于此，本发明一方面提供了一种污泥基定型相变储热材料的制备系统，所述制备系统包括：1)坯料制备单元，其包括初脱水污泥仓、混合器、储热材料仓、干化机、分离器、干底料仓、焚烧炉、坯料仓，其中，所述焚烧炉包括高温段和低温段，所述低温段沿物料输送方向位于所述高温段的下游；其中，所述初脱水污泥仓与所述储热材料仓分别与所述混合器对接；其中，所述混合器依次经所述干化机、所述分离器、所述干底料仓对接至所述焚烧炉的高温段，所述焚烧炉的低温段对接至所述坯料仓；其中，所述储热材料仓对接至所述焚烧炉的低温段；2)成型烧结单元，其包括粘结剂罐、研磨机、成型模具、压力机和烧结炉，其中，所述坯料仓和所述粘结剂罐分别与所述研磨机相对接；其中，所述研磨机依次通过所述成型模具、所述压力机对接至所述烧结炉；3)表面处理单元，其包括处理液罐、涂覆室、电炉、处理气罐和熟料仓；其中，所述处理液罐和所述烧结炉分别与所述涂覆室相对接；其中，所述涂覆室与所述处理气罐分别与所述电炉相对接；其中，所述电炉对接至熟料仓。

对于上述制备系统，在一种可能的实施方式中，所述分离器和/ 或坯料仓对接有烟气余热回收与净化装置。

本发明另一方面还提供了一种污泥基定型相变储热材料的制备方法，所述制备方法包括：S1、坯料制备步骤，该步骤包括：S110、将初脱水污泥仓中的污泥与储热材料仓中的相变材料按照重量配比 101送入混合器混合，混合后得到湿底料；S120、将湿底料送入干化机，按照第11参数进行干化处理，得到干底料；S130、将干底料送入分离器进行气固分离，将分离出的固态干底料送入干底料仓；S140、将干底料仓中的干底料与储热材料仓中的相变材料按照重量配比102 送入焚烧炉，按照第12参数进行焚烧处理；S2、成型烧结步骤，其步骤包括：S210、将坯料仓中的坯料与粘结剂罐中的粘结剂按照重量配比201放入研磨机，得到混合坯料；S220、将混合坯料放入成型模具后，将成型模具放入压力机，启动压力机，在压力机内以第21参数进行处理；S230、释放压力机的压力，从成型模具中取出成型块体的混合坯料，得到生料；S240、将生料假如烧结炉，按照第21工艺作烧结处理，得到半熟料；S3、表面处理步骤，其步骤包括：S310、将半熟料放入涂覆室，在半熟料的外表面均匀涂覆处理液；S320、将外表面涂覆了处理液的半熟料放入电炉中，在电炉中按照第31工艺作表面处理，得到污泥基定型相变储热材料。

对于上述制备方法，在一种可能的实施方式中，在步骤S1中， 11)所述重量配比101为：初脱水污泥40-90份，相变材料10-60份；所述重量配比102为：干底料30-70份，相变材料30至70份；12) 所述第11参数包括第101温度和第101时长，所述第101温度为300 至350℃，所述第101时长为20至40min；13)所述焚烧炉包括高温段和低温段，所述低温段沿物料输送方向位于所述高温段的下游，相应地，所述第12参数包括：在高温段焚烧的第102温度、第102时长，其中，所述第102温度为630至850℃、所述第102时长为30-40min；在低温段焚烧的第103温度、第103时长，其中，所述第103时长为 35至50min，所述第103温度为250至350℃。

对于上述制备方法，在一种可能的实施方式中，在步骤S2中， 21)所述重量配比201为：坯料95至99份，粘接剂5至1份；22) 所述第21参数包括第201压力和第201时长，所述第201压力为1.0 至10MPa，所述第201时长为1s至5min，23)第21工艺包括：S2401、第一阶段升温：将生料放入烧结炉，设定第201升温速率，使烧结炉内温度从室温升至第201目标温度，保持烧结炉温度恒定第202时长，将水分从所述生料中排出；S2402、第二阶段升温：设定第202升温速率，将烧结炉内的温度从第201目标温度升至第202目标温度，保持烧结炉温度恒定保持第203时长，将有机物分解，并从生料中排出； S2403、第三阶段升温：设定第203升温速率，将烧结炉内的温度从第202目标温度升至第203目标温度，保持烧结炉温度恒定保持第 204时长，将生料中的相变材料完全熔化，将结晶水分全部从生料中排出，得到半熟料。

对于上述制备方法，在一种可能的实施方式中，在所述第21工艺中，所述第202时长为20至60min，所述第203时长为15至35min，所述第204时长为60至120min；所述第201升温速率为0.5至5℃/min，所述第202升温速率为1.0至10℃/min，所述第203升温速率为2.0至10℃/min；所述第201目标温度为80至120℃，所述第202目标温度为300至450℃，所述第203目标温度为500至1000℃。

对于上述制备方法，在一种可能的实施方式中，在步骤S2中，第31工艺包括：S3201、设定电炉第301升温速率，将电炉温度升温至第301目标温度；S3202、将电炉在第301目标温度下，恒温第301 时长，将表面的水分全部蒸发；S3203、设定电炉第302升温速率，将电炉温度升至第302目标温度，恒温第302时长，将处理液全部分解；S3204、切断电炉电源，使电炉温度自然冷却至室温；S3205、通过处理气罐将处理气送入电炉内，与处理液分解产物进行化学反应，形成防水层，得到熟料；S3206、将熟料送入熟料仓，制得污泥基定型相变储热材料。

对于上述制备方法，在一种可能的实施方式中，在所述第31工艺中，所述第301目标温度为90至150℃，所述第301时长为10至 60min，所述第301升温速率为2至20℃/min；所述第302目标温度为300至800℃，所述第302时长为10至60min，所述第302升温速率为5至20℃/min。

对于上述制备方法，在一种可能的实施方式中，所述相变材料为硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、碳酸钠、碳酸钾、氯化钠、氯化钾、氯化钙中的一种或多种。

对于上述制备方法，在一种可能的实施方式中，所述处理液为氢氧化钙溶液、熔融铝或者熔融硅酸盐玻璃；和/或所述处理气为二氧化碳、氧气、空气或者氮气；和/或所述粘结剂为聚乙烯醇或者双组份无机胶。

技术效果

本发明在提供相变材料的基础上，并借助于相应的工艺对污泥和相变材料进行一定的混合处理，从而形成了污泥基定型相变储热材料。在去除了污泥中不利于储能功能的因素以及如有害物质等成分的前提下，充分地利用了污泥中的化学能，实现了作为固态/固液混合态废弃物的污泥的资源化转换。

同时，本发明中引入的外表面处理可以有效地防止材料(污泥以及相变材料的)泄露，在相变储热材料的完好性得以保证的前提下，大幅地增加了相变储热材料的使用寿命周期。

此外，本发明还通过配置废气/烟气余热回收与净化装置的方式，在对应于分离器和焚烧炉的工艺阶段有效地回收工艺中产生的余热，具有明显的节能效果。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1示出本发明一种实施例的污泥基定型相变储热材料的制备系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段和元件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

参照图1，图1示出本发明一种实施例的污泥基定型相变储热材料的制备系统的结构示意图。如图1所示，本发明的污泥基定型相变储热材料的制备系统主要包括三个单元，即坯料制备单元、成型烧结单元和表面处理单元。其中，坯料制备单元主要包括初脱水污泥仓、混合器、储热材料仓、干化机、分离器、干底料仓、焚烧炉、坯料仓，成型烧结单元主要包括粘结剂罐、研磨机、成型模具、压力机和烧结炉，表面处理单元主要包括处理液罐、涂覆室、电炉、处理气罐和熟料仓，分离器和坯料仓配置有烟气余热回收与净化装置。

其中，储热材料仓可以向混合器以及焚烧炉提供现有的相变材料，如相变材料可以包括但不限于硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、碳酸钠、碳酸钾、氯化钠、氯化钾、氯化钙中的一种或多种。烟气余热回收与净化装置接收的烟气包括两个方面：1)与坯料混合的气体通过坯料仓进入烟气余热回收与净化装置；以及2)底料送入分离器进行气固分离，其中的干底料送入干底料仓，气体则被送入烟气余热回收与净化装置。

对应于该制备系统，制备污泥基定型相变储热材料的方法主要包括坯料制备步骤(S1)、成型烧结步骤(S2)和表面处理步骤(S3)。

其中，步骤S1主要包括：

S110、将初脱水污泥仓中的污泥(从污水处理厂取回的新鲜污泥经过初步的晾晒后)与储热材料仓中的相变材料按照重量配比101送入混合器混合，混合后得到湿底料。其中重量配比101为：初脱水污泥40-90份，相变材料10-60份。

S120、将湿底料送入干化机，按照第11参数进行干化处理，得到干底料。其中第11参数包括第101温度和第101时长，第101温度为300至350℃，第101时长为20至40min。

S130、将干底料送入分离器进行气固分离，将分离出的固态干底料送入干底料仓。

S140、将干底料仓中的干底料与储热材料仓中的相变材料按照重量配比102送入焚烧炉，按照第12参数进行焚烧处理。焚烧炉包括高温段和低温段，低温段沿物料输送方向位于高温段的下游，相应地，即来自干底料仓的干底料与来自储热材料仓内的相变材料先送至高温段，在高温段处理之后送至低温段，之后送入坯料仓。其中重量配比102为：干底料30-70份，相变材料30至70份。其中第12参数包括：在高温段焚烧的第102温度、第102时长，第102温度为630 至850℃、第102时长为30-40min。在低温段焚烧的第103温度、第 103时长，第103时长为35至50min，第103温度为250至350℃。

其中，步骤S2主要包括：

S210、将坯料仓中的坯料与粘结剂罐(通过粘结剂罐向研磨机的坯料中喷入粘结剂)中的粘结剂按照重量配比201放入研磨机，将颗粒研磨成80至800目的颗粒，得到混合坯料。其中重量配比201为：坯料95至99份，相变材料5至1份。其中的粘结剂包括但不限于聚乙烯醇或者双组份无机胶。

S220、取一定量混合坯料，将混合坯料放入成型模具后，将成型模具放入压力机，启动压力机，在压力机内以第21参数进行处理。其中第21参数包括第201压力和第201时长，第201压力为1.0至 10MPa，第201时长为1s至5min。

S230、释放压力机的压力，从成型模具中取出成型块体的混合坯料，得到生料。

S240、将生料加入烧结炉，按照第21工艺作烧结处理，得到半熟料。在一种可能的实施方式中，第21工艺具体为：

S2401、第一阶段升温：将生料放入烧结炉，设定第201升温速率，使烧结炉内温度从室温升至第201目标温度，保持烧结炉温度恒定第202时长，将水分全部从生料中排出；

S2402、第二阶段升温：设定第202升温速率，将烧结炉内的温度从第201目标温度升至第202目标温度，保持烧结炉温度恒定保持第203时长，将有机物分解，并从生料中排出；

S2403、第三阶段升温：设定第203升温速率，将烧结炉内的温度从第202目标温度升至第203目标温度，保持烧结炉温度恒定保持第204时长，将生料中的相变材料完全熔化，将结晶水分全部从生料中排出，得到半熟料。

其中，第202时长为20至60min，第203时长为15至35min，第204时长为60至120min。第201升温速率为0.5至5℃/min，第 202升温速率为1.0至10℃/min，第203升温速率为2.0至10℃/min。第201目标温度为80至120℃，第202目标温度为300至450℃，第 203目标温度为500至1000℃。

其中，步骤S3主要包括：

S310、将半熟料放入涂覆室(通过处理液罐向涂覆室中的半熟料表面涂覆处理液)，在半熟料的外表面均匀涂覆一层处理液。

S320、将外表面涂覆了处理液的半熟料放入电炉中，在电炉中按照第31工艺作表面处理，得到污泥基定型相变储热材料。在一种可能的实施方式中，第31工艺具体为：

S3201、设定电炉第301升温速率，将电炉从室温升温至第301 目标温度；

S3202、将电炉在第301目标温度下，恒温第301时长，将表面的水分全部蒸发；

S3203、设定电炉第302升温速率，将电炉温度升至第302目标温度，恒温第302时长，将处理液全部分解；

S3204、切断电炉的电源，使电炉温度自然冷却至室温；

S3205、通过处理气罐将处理气送入电炉内，与处理液分解产物进行化学反应，形成致密防水层，得到熟料；

S3206、将熟料送入熟料仓，制得污泥基定型相变储热材料。

其中，第301目标温度为90至150℃，第301时长为10至60min，第301升温速率为2至20℃/min。第302目标温度为300至800℃，第302时长为10至60min，第302升温速率为5至20℃/min。

处理液可以包括但不限于氢氧化钙溶液、熔融铝或者熔融硅酸盐玻璃，处理气可以包括但不限于二氧化碳、氧气、空气或者氮气。在一种具体的示例中，在半熟料的外表面均匀地涂覆的是氢氧化钙溶液，向电炉内通入的是二氧化碳，这样一来，便可在熟料的外表面生成致密的碳酸钙防水层。

采用上述方法制备的污泥基定型相变储热材料具有使用温度范围广、封装致密性强、腐蚀小的优点。并且，由于相变储热材料使用了污水处理厂等处理后的污泥，因此还具有成本低廉、缓解了污泥导致的环境污染问题等优点，由于污水处理厂等往往具有面积大、污泥量大等特定，因此本发明还具有易于工业化推广的优点。

需要指出的是，尽管上述实施例中将各个步骤按照特定的先后顺序进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本发明的效果，不同的步骤之间并非必须按照这样的顺序执行，其可以同时执行或以其他顺序执行，也可以增加、替换或者省略某些步骤，这些变化都在本发明的保护范围之内等。如将烧结和表面烧结中包含的恒温烧结次数进行适当地调整等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种污泥基定型相变储热材料的制备系统，其特征在于，所述制备系统包括：

1)坯料制备单元，其包括初脱水污泥仓、混合器、储热材料仓、干化机、分离器、干底料仓、焚烧炉、坯料仓，

其中，所述焚烧炉包括高温段和低温段，所述低温段沿物料输送方向位于所述高温段的下游；其中，所述初脱水污泥仓与所述储热材料仓分别与所述混合器对接；

其中，将初脱水污泥仓中的污泥与储热材料仓中的相变材料按照重量配比101送入混合器混合，混合后得到湿底料，所述重量配比101为：

初脱水污泥40-90份，相变材料10-60份；

其中，所述混合器依次经所述干化机、所述分离器、所述干底料仓对接至所述焚烧炉的高温段，所述焚烧炉的低温段对接至所述坯料仓；

其中，所述储热材料仓对接至所述焚烧炉的低温段；

其中，将干底料仓中的干底料与储热材料仓中的相变材料按照重量配比102送入焚烧炉，进行焚烧处理，所述重量配比102为：

干底料30-70份，相变材料30至70份；

2)成型烧结单元，其包括粘结剂罐、研磨机、成型模具、压力机和烧结炉，

其中，所述坯料仓和所述粘结剂罐分别与所述研磨机相对接；

其中，所述研磨机依次通过所述成型模具、所述压力机对接至所述烧结炉；

3)表面处理单元，其包括处理液罐、涂覆室、电炉、处理气罐和熟料仓；

其中，所述处理液罐和所述烧结炉分别与所述涂覆室相对接；

其中，所述涂覆室与所述处理气罐分别与所述电炉相对接；

其中，所述电炉对接至熟料仓。

2.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，所述分离器和/或坯料仓对接有烟气余热回收与净化装置。

3.一种污泥基定型相变储热材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

S1、坯料制备步骤，该步骤包括：

S110、将初脱水污泥仓中的污泥与储热材料仓中的相变材料按照重量配比101送入混合器混合，混合后得到湿底料；

其中，所述重量配比101为：初脱水污泥40-90份，相变材料10-60份；

S120、将湿底料送入干化机，按照第11参数进行干化处理，得到干底料；

其中，所述第11参数包括第101温度和第101时长，所述第101温度为300至350℃，所述第101时长为20至40min；

S130、将干底料送入分离器进行气固分离，将分离出的固态干底料送入干底料仓；

S140、将干底料仓中的干底料与储热材料仓中的相变材料按照重量配比102送入焚烧炉，按照第12参数进行焚烧处理；

其中，所述重量配比102为：干底料30-70份，相变材料30至70份；

所述焚烧炉包括高温段和低温段，所述低温段沿物料输送方向位于所述高温段的下游，相应地，所述第12参数包括：

在高温段焚烧的第102温度、第102时长，其中，所述第102温度为630至850℃、所述第102时长为30-40min；

在低温段焚烧的第103温度、第103时长，其中，所述第103时长为35至50min，所述第103温度为250至350℃；

S2、成型烧结步骤，其步骤包括：

S210、将坯料仓中的坯料与粘结剂罐中的粘结剂按照重量配比201放入研磨机，得到混合坯料；

其中，所述重量配比201为：坯料95至99份，粘接剂5至1份；

S220、将混合坯料放入成型模具后，将成型模具放入压力机，启动压力机，在压力机内以第21参数进行处理；

其中，所述第21参数包括第201压力和第201时长，所述第201压力为1.0至10MPa，所述第201时长为1s至5min；

S230、释放压力机的压力，从成型模具中取出成型块体的混合坯料，得到生料；

S240、将生料加入 烧结炉，按照第21工艺作烧结处理，得到半熟料；

其中，所述第21工艺包括：

S2401、第一阶段升温：将生料放入烧结炉，设定第201升温速率，使烧结炉内温度从室温升至第201目标温度，保持烧结炉温度恒定第202时长，将水分从所述生料中排出；

S2402、第二阶段升温：设定第202升温速率，将烧结炉内的温度从第201目标温度升至第202目标温度，保持烧结炉温度恒定保持第203时长，将有机物分解，并从生料中排出；

S2403、第三阶段升温：设定第203升温速率，将烧结炉内的温度从第202目标温度升至第203目标温度，保持烧结炉温度恒定保持第204时长，将生料中的相变材料完全熔化，将结晶水分全部从生料中排出，得到半熟料；

并且

在所述第21工艺中，

所述第202时长为20至60min，所述第203时长为15至35min，所述第204时长为60至120min；

所述第201升温速率为0.5至5℃/min，所述第202升温速率为1.0至10℃/min，所述第203升温速率为2.0至10℃/min；

所述第201目标温度为80至120℃，所述第202目标温度为300至450℃，所述第203目标温度为500至1000℃；

S3、表面处理步骤，其步骤包括：

S310、将半熟料放入涂覆室，在半熟料的外表面均匀涂覆处理液；

S320、将外表面涂覆了处理液的半熟料放入电炉中，在电炉中按照第31工艺作表面处理，得到污泥基定型相变储热材料；

其中，所述第31工艺包括：

S3201、设定电炉第301升温速率，将电炉温度升温至第301目标温度；

S3202、将电炉在第301目标温度下，恒温第301时长，将表面的水分全部蒸发；

S3203、设定电炉第302升温速率，将电炉温度升至第302目标温度，恒温第302时长，将处理液全部分解；

S3204、切断电炉电源，使电炉温度自然冷却至室温；

S3205、通过处理气罐将处理气送入电炉内，与处理液分解产物进行化学反应，形成防水层，得到熟料；

S3206、将熟料送入熟料仓，制得污泥基定型相变储热材料；并且

在所述第31工艺中，

所述第301目标温度为90至150℃，所述第301时长为10至60min，所述第301升温速率为2至20℃/min；

所述第302目标温度为300至800℃，所述第302时长为10至60min，所述第302升温速率为5至20℃/min。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述相变材料为硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、碳酸钠、碳酸钾、氯化钠、氯化钾、氯化钙中的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述处理液为氢氧化钙溶液、熔融铝或者熔融硅酸盐玻璃；和/或

所述处理气为二氧化碳、氧气、空气或者氮气；和/或

所述粘结剂为聚乙烯醇或者双组份无机胶。

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