CN113465422B - 用于桨叶式干化机污泥干化尾气的热能回收系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种污泥干化焚烧厂污泥干化尾气的热能回收系统,具体地说，是利用两相闭式热虹吸管对污泥在桨叶式干化机干化过程中产生的尾气进行热量回收的用于桨叶式干化机污泥干化尾气的热能回收系统及其使用方法。在本发明中，该系统运行时污泥干化后气体在引风机的作用下进入热管蒸发段，通过与热管内工质的换热，由于热管的高效传热性能，将尾气释放出来大量的热量转移至热管内工质，致使热管内工质发生相变并上升转移至热管冷凝段，并与通过鼓风机进入热管内的新风进行热交换，热量转移至新风后，工质又发生液化，在重力作用下重新进入蒸发段，工质在热管内循环往复完成污泥干化尾气的余热利用。

Description

用于桨叶式干化机污泥干化尾气的热能回收系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种污泥干化焚烧厂污泥干化尾气的热能回收系统,具体地说，是利用两相闭式热虹吸管对污泥在桨叶式干化机干化过程中产生的尾气进行热量回收的用于桨叶式干化机污泥干化尾气的热能回收系统及其使用方法。

背景技术

热管是20世纪60年代初发展起来的一种高效传热技术，最先应用于空间技术和航天军事领域。由于热管具有热管换热器具有传热效率高、结构简单、性能稳定、成本低等优点，目前广泛应用于化工、石化、动力、冶金、玻璃等行业。热管分类方法有很多，按照工作液体回流动力可以分为芯热管、两相闭式热虹吸管、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管以及渗透热管。与传统换热器相比具有许多优点：1)热管具有较高的导热效率，其导热系数为传统换热器的数倍至数十倍；2)无需外动力，无运动部件，可靠性高。一根热管破损时，两流体不会出现混渗现象，无须停运检修；3)设备结构简单紧凑，适用温度范围宽，可沿任意方向传递热量、传热热阻小，可以在较小温差时获得较大传热率，且热管轴向表面温度分布均匀；4)可调整热管蒸发段与冷凝段两侧热阻的相对大小，控制热管壁温，防止露点腐蚀发生；5)与传统换热器通过管壳换热不同，热管换热器通过热管进行换热，使其能够灵活布置和安装，故障少，便于修理，易于清洗。目前其在工业工程应用方面，其主要用做空预器回收余热预热助燃空气、蒸汽发生器或热管预热锅炉以及热管省煤器用以预热锅炉给水等。其应用于工业工程方面的应用场景主要集中在回收温度较高的气体余热。热管其仅限于对高温气体的余热利用，通常温度至少在100℃以上。

污泥常见的处置技术主要包括卫生填埋，土地利用、焚烧及建材利用。相比于其他技术，污泥干化-焚烧处置技术由于其处理效果好、处理后产物稳定、减量化彻底等优势，近十多年以来已取代填埋、土地利用等技术成为一种污泥处置的主流技术。污泥干化技术可以分为直接干化与间接干化技术，其中污泥桨叶式干化机采用的是间接干化技术，利用蒸汽或导热油作为热介质，进入干化机壳体夹套和空心叶片，同时加热机身和桨叶，污泥被叶片切割搅拌，通过夹套、空心轴和空心叶片的热传导而干化污泥。热介质不与污泥直接接触，而是加热干化机壁面，从而间接加热污泥，该技术尾气小，环保性好。由于污泥干化后的尾气中含有大量的水蒸气，因此实际上干化后的尾气存在大量的热能。但是现行主流的污泥干化技术方案中往往因为污泥干化尾气的成分复杂，含大量的氨气、硫化氢以及有机性气体等，无法对尾气内水蒸气进行提纯并加以利用。此外，由于污泥干化尾气实际的温度常常仅为80-90℃，温度较低，热源相对品质较低，采用传统的换热器，其传热效率低下无法对这部分热能进行有效的利用，因此，通常这部分能量往往由于利用困难，实际工程项目中往往利用冷凝器，分离尾气中高浓度的废水，然后将不凝气体重新送入干化机进行循环，这实际上造成了大量的能量浪费。

另外，由于当前大多数热管研究集中于温度较高的气体热管余热利用，对气体成分复杂但含有大量水蒸气的低温气体，相关领域的热管研究很少，相关的工程应用更是从未见报道。其主要原因有以下几个方面：1)一般而言，低温气体内可利用的热量较少，几乎不存在热管余热利用的应用场景；2)工程工业应用中，需要考虑排烟问题，对100摄氏度以下的气体基本不考虑余热利用问题；3)污泥干化焚烧技术是近十几年成为主流的污泥处置技术，由于其尾气的特殊性，目前相关的研究报道都很少。且主要是关于气体成分以及污染物的迁移转化等方面的研究；4)由于桨叶式干化机产生的污泥干化尾气温度通常在80-95℃区间，容易造成干化尾气内可利用水蒸气含量较少，可利用热量少的错觉。

由此可见，随着污泥干化焚烧技术的广泛应用，在现行污泥干化尾气的处理方式中，存在了大量尾气余热的浪费现象。本发明利用热管技术的特点，通过替换其管内的工作介质、调整其充液率以及合理使用热管材质等手段可以克服因其低温、成分复杂等因素导致传统换热器无法对其进行有效余热利用的困难，为污泥的干化尾气余热利用的工程应用找到了一个方向。该方法和系统在对污泥干化尾气的余热利用方面有着巨大的潜力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有污泥干化-焚烧处置技术方案中无法利用污泥干化尾气余热的困难，目前桨叶式干化机的污泥干化尾气通常采用冷凝器进行冷凝，分离尾气中的冷凝液，造成了大量的热能损失。提供一种能够使污泥干化尾气中所携带的热能得到利用的系统，污泥干化尾气通过该系统后，尾气所携带的热能通过换热的方式将热量传递给干净可以利用的新的介质。从而提高污泥在处理过程中系统能量的利用率。

为解决其技术问题，本发明所采用的技术方案是：用于桨叶式干化机污泥干化尾气的热能回收系统，包括：由若干低温热管组成的热管主体装置，热管主体装置通过隔热板分为冷凝段和蒸发段，通过中间隔热层进行隔离，蒸发段位于隔热板之下与干化尾气相连，冷凝段位于隔热板之上与新风相连；还包括连接干化机气体出口和连接热管冷凝段的输气管道，连接热管排液口的输水管道，旋风除尘器，引风机，鼓风机，水箱，水泵，Y型过滤器，所述连接干化机气体出口通过输气管道依次与气阀、旋风除尘器、热管主体装置蒸发段、引风机、以及干化机载气入口相连接；所述热管主体装置为采用高效螺旋式一体化翅片管低温重力热管，管外侧增加了环形翅片，热管箱体内部单根热管之间按照正三角形进行排列，热管内其填充工质为以环保冷媒为代表的低沸点工质。所述输气管道上安装气体流量计、湿度计和温度传感器；在输气管外侧进行包覆保温棉的处理。

本发明设计一套针对桨叶式干化机污泥干化过程中产生的尾气并对其所具有的大量的低品质的热能进行回收利用的系统装置，包括：一套由若干低温热管组成的热管主体装置，还包括连接干化机气体出口和连接热管冷凝段的输气管道，连接热管排液口的输水管道，旋风除尘器，引风机，鼓风机，水箱，水泵，Y型过滤器，气体流量计，液体流量计，湿度计，温度传感器，气阀以及液阀。所述连接干化机气体出口的输气管道按顺序与气阀、干化尾气除尘装置、热管主体装置蒸发段、相应功率的引风机、以及干化机载气入口相连接，管道上根据监测需要安装气体流量计、湿度计和温度传感器。其中，所述保温棉包覆热管主体蒸发段前的管道部分，第一气体流量计、第一温度传感器、第一气体湿度计分别安装于干化机尾气出口处，第二气体温度传感器、第二湿度计及第二气体流量计安装于热管冷凝段出口处；所述连接热管冷凝段的输气管道按顺序分别与鼓风机、热管主体装置冷凝段相连接，气体流量计和温度传感器安装于热管冷凝段进口处，第四温度传感器和第四气体流量计安装于热管冷凝段出口处；所述连接热管排液口的输水管道按顺序分别与水箱、液阀、Y形过滤器、水泵相连接，温度传感器和液体流量计安装与管道之上，所述为第五温度传感器和第一液体流量计。

本发明中，所述的热管为采用高效螺旋式一体化低温两相闭式热虹吸翅片管，管外侧增加了环形翅片，做为肋片用以强化热管与尾气的传热效率。热管箱体内部单根热管之间按照正三角形进行排列，增大尾气与热管的换热面进而强化传热效果。为了能够使热管能够在低温环境下进行工作，其填充工质采用为以环保冷媒为代表的低沸点工质替代常规的中温热管所需工质，如水等。管体材质亦结合了管内传热工质的种类、气体的腐蚀性以及材料传热性能进行综合考虑，采用铝作为热管的管材，因为热管在工作过程中，管内工质会存在相变，往往会导致管内工质与管材发生反应，导致管材溶解腐蚀产生不凝气体，因此管材选择必须考虑管内工质的种类。为了使热管的传热效率达到最高，调整单根热管内工质的充液率为30％。

进一步地，所述热管为了加强的换热效果，尾气和新风采取逆流的方式进行。同时为了避免尾气由引风机引出后在进入热管前在输气管道内发生冷凝，在输气管外侧进行包覆保温棉的处理。

进一步地，所述热管分为冷凝段和蒸发段，通过中间隔热层进行隔离，蒸发段位于隔热板之下与干化尾气相连，冷凝段位于隔热板之上与新风相连。热管冷凝段和蒸发段长度根据包含温度、含湿量、流量及压强在内的尾气气体状态参数进行计算确定。

进一步地，所述的污泥干化尾气余热回收系统，其特征在于通过对系统内第一、第二、第三、第四、第五温度传感器，第一、第二、第三、第四气体流量计，第一、第二气体湿度计和第一液体流量计的数据监测记录，可以对回收热风温度进行控制。当新风出口温度温度低于预期温度时，应该调节引风机功率，增大干化机尾气流量，同时调节鼓风机功率减小新风的流量，反之亦然。

进一步地，所述的气阀，其特征在于系统运行期间，通过控制开关气阀对旋风除尘器内收集的污泥飞灰进行统一收集，统一处理。

进一步地，所述的旋风除尘器，其特征在于为强化除尘效果，将旋风除尘器按照串联的方式进行组合。

进一步地，所述的引风机和鼓风机为变频风机。

进一步地，所述Y形过滤器安装于水泵与水箱之间的水管上，主要为了去除冷凝液中颗粒物对水泵的影响。

进一步地，所述水箱用于收集换热过程中产生的冷凝液，并通过水泵统一排放至指定地点进行统一处理。

在本发明中，该系统运行时污泥干化后气体在引风机的作用下进入热管蒸发段，通过与热管内工质的换热，由于热管的高效传热性能，将尾气释放出来大量的热量转移至热管内工质，致使热管内工质发生相变并上升转移至热管冷凝段，并与通过鼓风机进入热管内的新风进行热交换，热量转移至新风后，工质又发生液化，在重力作用下重新进入蒸发段，工质在热管内循环往复完成污泥干化尾气的余热利用。本发明对桨叶式干化机污泥干化过程中产生的尾气并对其所具有的大量的低品质的热能进行回收利用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过利用低温热管的技术，将污泥干化尾气这种温度较低(通常为80～95℃)气体成分较为复杂的低品位热能进行回收。解决了当下普遍的干化尾气能量利用困难的问题，相比于当下普遍的工程项目中实际采用冷凝器分离尾气中高浓度废水，利用本发明的系统，可以在不影响分离尾气中高浓度废水的情况下，可以以加热新风的形式或者加热常温水的形式回收绝大部分的热量。

(2)本发明所设计的系统，可以有效的对高含湿量、低温度范围且成分复杂的污泥干化尾气进行热能回收，并且通过监测数据可以对回收热量进行核算，并在一定范围内可以对换热产物的状态参数进行调节。根据干化机污泥的处理能力，污泥特性，可以确定进入热管的气体状态参数，保证本发明所设计的系统能够对尾气热量利用情况进行计算。

附图说明

图1是用于桨叶式干化机污泥干化尾气的热能回收系统示意图；

图2是热管主体内热管的排列方式示意图。

其中：1-干化机尾气出口，2-换热前尾气管路，3-气阀，4-旋风除尘器，5-热管，6-换热后尾气管路，7-引风机，8-鼓风机，9-新风管路，10-水箱，11-液阀，12-Y形过滤器，13-水泵，14-储水池，15-干化机载气入口，16-输水管道，17-隔热板，18-热管。另外图中T1、T2、T3、T4和T5分别表示第一、第二、第三、第四和第五温度传感器，V1、V2和V3分别表示第一、第二和第三气体流量计，d1、d2分别表示第一和第二气体湿度计湿度计，V1’表示液体流量计。

具体实施方式

下面结合附图中的具体实施方式对本发明做进一步的说明。

参阅图1，一种用于桨叶式干化机污泥干化尾气的热能回收系统示意图，包括连接干化机尾气出口1和热管5蒸发段入口的输气管2，还包括气阀3、旋风除尘器4，输气管按顺序分别与气阀3、旋风除尘器4和热管5入口相连；在干化机尾气出口1附近的输气管道2上安装有第一气体湿度计d1、流量计V1和温度传感器T1，用于实时监测尾气的含湿量、流量以及温度；为减少尾气热损失，该段管路采用保温棉包覆。在热管5蒸发段的出口，利用管道6与引风机相连，换热后的尾气在引风机的作用下送回干化机载气入口15。在热管5蒸发段出口的输气管道6上分别安装第二气体湿度计d2、流量计V2和温度传感器T2用于实时检测换热后尾气的气体含湿量、流量和温度。在热管5的另一侧冷凝段，利用管道9连接鼓风机8，并将换热后的介质送往重新利用的系统环节中或者其他可利用的环节，为计算新风换热前后新风的换热量，在鼓风机和热管之间的管道以及热管出口的管道上安装了第三气体流量计V3、第三温度传感器T3，在热管冷凝段出口附近的管道9上安装第四温度传感器T4和第四气体流量计V4，实时监测其原始新风换热前后的气体状态参数。在热管5的中间底部设有冷凝液排水口，利用排水管将排水口与水箱10、水阀11、Y形过滤器12以及水泵13相连，水箱内的冷凝液通过水泵的作用排放至储水池14，统一收集处理，在冷凝液排水口与水箱之间的管道上安装有第五温度传感器T5用于监测冷凝液温度，另外还需在水泵后至储水池的管道上安装液体流量计V1’,用于实时监测冷凝液流量。

参阅图2，在本实施例中，热管内部的热管18排列方式为正三角形，亦即任何一根热管与另一行距离此热管最近的两根热管三者轴心相连可以组成正三角形。此外，单根热管上下部分由于隔热板17的作用，将热管分为蒸发段与冷凝段，隔热板底部与尾气发生热交换部分为蒸发段，隔热板上面部分与新风发生热交换部分为冷凝段。

在本实施例中，该系统运行时污泥干化后气体在引风机7的作用下进入热管蒸发段发生热交换。在热交换过程中，随着尾气温度的下降，尾气内水蒸气分压逐渐达到饱和，该过程所释放出来的显热为第一段放热量，随着温度继续下降，尾气内的水蒸气冷凝释放大量的热量，该过程释放的热量为第二段尾气放热量。随着第一和第二段热量的释放，热管内的传热工质发生了气化，气化后的工质上升转移至热管的冷凝段，在这里与新风发生了热交换，将热量转移至新风，管内工质重新液化，并在重力的作用下进入蒸发段，如此循环往复将尾气中所携带的热量传递给新风。

本实施案例中，气体阀门3的作用主要是当运行一段时间后，需要对旋风除尘器4内的污泥颗粒物进行清理时，关闭阀门3，然后打开旋风除尘器清灰阀门将里面的颗粒物收集，待完成清理之后，关闭除尘器阀门然后再打开气体阀门。

本实施案例中，引风机7和鼓风机8均为变频风机。

在本实施案例中，设置水箱10是因为尾气换热产生的水量较小，需将冷凝液先收集至水箱内，然后通过水箱内水位控制系统，利用水泵将冷凝液排入储水池。

本实施案例中，设置液体阀门11是因为当系统运行一段时间以后，Y形过滤器内的累计的颗粒物较多，为方便清理，需将水箱出口阀门11关闭。

最后，仍需注意的是：以上举例仅为本发明的具体实施例子。本发明不限于以上所述例子，可有许多变形。本领域普通技术人员可从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.用于桨叶式干化机污泥干化尾气的热能回收系统，包括：由若干低温热管组成的热管主体装置，热管主体装置通过隔热板分为冷凝段和蒸发段，通过中间隔热层进行隔离，蒸发段位于隔热板之下与干化尾气相连，冷凝段位于隔热板之上与新风相连；还包括连接干化机尾气出口和连接热管蒸发段的输气管道，连接热管排液口的输水管道，旋风除尘器，引风机，鼓风机，水箱，水泵，Y型过滤器，所述干化机尾气出口通过输气管道依次与气阀、旋风除尘器、热管主体装置蒸发段、引风机、以及干化机载气入口相连接；所述热管主体装置为采用高效螺旋式一体化翅片管低温重力热管，管外侧增加了环形翅片，热管箱体内部单根热管之间按照正三角形进行排列，热管内其填充工质为以环保冷媒为代表的低沸点工质；

保温棉包覆热管主体蒸发段前的管道部分，第一气体流量计V1、第一温度传感器T1、第一气体湿度计d1分别安装于干化机尾气出口附近处，第二气体温度传感器T2、第二气体湿度计d2及第二气体流量计V2安装于热管冷凝段出口处；连接热管冷凝段的输气管道按顺序分别与鼓风机、热管主体装置冷凝段相连接，第三气体流量计V3和第三温度传感器T3安装于热管冷凝段进口处，第四温度传感器T4和第四气体流量计V4安装于热管冷凝段出口处；所述连接热管排液口的输水管道按顺序分别与水箱、液阀、Y形过滤器、水泵相连接，第五温度传感器T5设置在热管排液口与水箱之间的管道上，第一液体流量计V1’安装于所述水泵后至储水池的管道上；

所述热能回收系统的使用方法为：通过对系统内第一、第二、第三、第四、第五温度传感器，第一、第二、第三、第四气体流量计，第一、第二气体湿度计和第一液体流量计的数据监测记录，对回收热风温度进行控制：当T4温度低于预期温度时，调节引风机功率，增大干化机尾气流量，同时调节鼓风机功率减小新风的流量，反之亦然；

桨叶式干化机污泥干化尾气温度为80~95℃。

2.根据权利要求书1所述的热能回收系统，其特征在于：热管冷凝段和蒸发段长度根据包含温度、含湿量、流量及压强在内的尾气气体状态参数进行计算确定。

3.根据权利要求书1所述的热能回收系统，其特征在于：将旋风除尘器按照串联的方式进行组合。

4.根据权利要求书1所述的热能回收系统，其特征在于：所述的引风机和鼓风机均为变频风机。

5.根据权利要求书1所述的热能回收系统，其特征在于：所述Y形过滤器安装于水泵与水箱之间的水管上。

6.权利要求1-5任一项所述的热能回收系统的使用方法，其特征在于：通过对系统内第一、第二、第三、第四、第五温度传感器，第一、第二、第三、第四气体流量计，第一、第二气体湿度计和第一液体流量计的数据监测记录，对回收热风温度进行控制：当T4温度低于预期温度时，调节引风机功率，增大干化机尾气流量，同时调节鼓风机功率减小新风的流量，反之亦然。

7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于：尾气和新风采取逆流的方式进行。

8.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于：系统运行期间，通过控制开关气阀对旋风除尘器内收集的污泥飞灰进行统一收集，统一处理；水箱用于收集换热过程中连续产生的流量较小的冷凝液，并通过水泵统一排放至指定地点进行统一处理。

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