CN114716124A - 一种冻融超声联合污泥高干脱水系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冻融超声联合污泥高干脱水系统及方法，系统包括冻融超声单元，冻融超声单元设置冻融仓和热泵机房；冻融仓包括一一对应的奇数仓和偶数仓，冻融仓单仓内部统一设置多层皮带机、超低温空气源热泵蒸发冷凝器及超声波装置；超声波装置布置在皮带机的皮带上方；热泵机房包括余热回收间、超低温空气源热泵压缩机，余热回收间包括压榨水系统。方法采用冻融双仓序批式处理工艺，具体包括准备阶段、工作阶段和收尾阶段。本发明无需任何化学调理药剂，省去药剂成本，污泥不增容，不影响后续处置。本发明系统余热在内部进行充分利用，污泥脱水运行能耗可低至40kJ/kg脱除水。
Description
技术领域
本发明属于污泥处理处置技术领域，具体涉及一种冻融超声联合污泥高干脱水系统及方法。
背景技术
污泥脱水是污泥减量化的重要方式。现阶段市政污水厂多采用带式脱水机、离心脱水机、叠螺脱水机等将污泥含水率降低至约80％，或采用传统化学调理联合高压板框高干脱水技术，将污泥含水率降低至60％以下，然而上述脱水工艺均存在药耗问题，不仅造成污泥增容，还制约了后续处置。目前已有较多研究采用水热法、冻融法、超声法或水热联合超声等方法进行污泥破壁预处理，以节省或避免药耗，但却存在处理量小、工程化条件不理想、处理成本高昂等问题，限制了进一步的工程应用。
脱水污泥的后端干化处理常需将污泥含水率降低至50％以下，其中热力学手段最为常见。间接热干化工艺运行能耗成本高于2600kJ/kg脱除水。若采用热泵节能技术，虽然运行能耗成本可降低至1000kJ/kg脱除水左右，但热泵工作条件并不理想，易出现翅片腐蚀等问题，不仅显著降低了热泵工作效率，还不方便检修。也有工业园区热电厂利用现有余热烟气对污泥进行直接热干化处理，虽然运行能耗成本很低，但也存在粉尘较多容易爆炸、废气废水处理量大、臭味控制较难等问题，且不具备通适性。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种冻融超声联合污泥高干脱水系统，可实现低能耗污泥脱水及干化，运行能耗可低至40kJ/kg脱除水左右，若搭载光伏光热一体化单元，还可实现系统净零能耗运行。
为实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种冻融超声联合污泥高干脱水系统，包括冻融超声单元。
冻融超声单元设置冻融仓和热泵机房。
冻融仓具体包括一一对应的奇数仓和偶数仓，冻融仓单仓内部统一设置多层皮带机、超低温空气源热泵蒸发冷凝器及超声波装置。
超声波装置布置在皮带机的皮带上方；热泵机房包括余热回收间、1～3台超低温空气源热泵压缩机，余热回收间内部设置压榨水系统。
进一步的，热泵机房还包括1～3台超低温空气源热泵节流阀，余热回收间内部设置1～3台超低温空气源热泵辅助冷凝器。
优选的，冻融仓外壁选用保温隔热材质。冻融仓单仓内部设置1～3台多层皮带机，层数为2～4层，多层皮带机单机功率为10～30kW。
优选的，冻融仓单仓内部设置1～3台超低温空气源热泵蒸发冷凝器，超低温空气源热泵单机功率为50～100kW，COP系数大于1.5。超低温空气源热泵蒸发冷凝器的蒸发和冷凝功能转换通过热泵换向阀改变制冷剂流向实现。
优选的，超声波装置包括超声波换能器、超声波变幅杆和工具头，在三层皮带机的皮带上方两侧间隔0.3～0.6m均匀布置，超声波装置中心点竖向高于皮带表面约1/2污泥薄层高度，超声波装置单机功率0.5～2.5kW。
优选的，一种冻融超声联合污泥高干脱水系统，还包括光伏光热一体化单元，光伏光热一体化单元包括光伏面板和太阳能集热器，太阳能集热器使用热循环机制，冷却光伏面板，从而提高太阳能板的光电转换效率。光伏光热一体化单元在冻融仓仓顶搭载，在用户端同时实现电、热两种能源产出，日节能1～2.5kWh/m2，系统可实现净零能耗运行。
进一步的，还包括压榨单元。压榨单元设置在冻融超声单元之后，压榨单元包括干污泥泵和隔膜板框压滤机。
本发明还公开一种冻融超声联合污泥高干脱水方法，冻融超声单元采用冻融双仓序批式处理工艺，具体包括准备阶段、工作阶段和收尾阶段。在双仓准备阶段，奇数仓采用多层皮带机进行待处理污泥进料，将污泥摊铺成均匀薄层，污泥进料完成，对奇数仓污泥进行冷冻联合超声处理：采用超低温空气源热泵对污泥薄层进行冷冻；奇数仓完成污泥冷冻后，采用超声波装置对冷冻污泥薄层进行超声波处理；
工作阶段，偶数仓进行污泥进料；其次热泵换向阀换向，蒸发冷凝器功能切换，奇数仓污泥开始融化，同时偶数仓污泥开始冷冻联合超声处理；
奇数仓污泥出料；然后奇数仓进行下批次污泥进料；再次热泵换向阀换向，偶数仓污泥开始融化，同时奇数仓污泥开始冷冻联合超声处理；最后偶数仓污泥出料。
一个或多个上述序批式工作阶段结束后，进入收尾阶段，热泵换向阀换向，奇数仓污泥开始融化，之后奇数仓污泥完成出料。
进一步的，污泥进料的初始泥温为5～20℃，冷冻后泥温控制在-20～-5℃，冷冻时长控制在30～90min。超声波工作频率为10～30kHz，工作时长为1～3min。
进一步的，冻融超声单元日工作5～10批次，共计10～20h。冻融超声单元产余热用于加热余热回收间压榨水，经压榨水系统连通压榨单元。
进一步的，冻融超声单元处理后污泥经干污泥泵进入隔膜板框压滤机，压滤机过滤压力为6～16bar，压榨压力为10～20bar，序批工作时长为1.5～3h，80％含水率污泥处理能力为10～20t/批次，出泥含水率为50％以下。压榨单元日工作3～6批次，共计6～15h。
本发明的有益之处在于：
(1)80％含水率污泥经冻融超声单元进行冻融联合超声处理后，进入压榨单元脱水，泥饼含水率可低至50％以下，无需任何化学调理药剂，省去药剂成本，污泥不增容，不影响后续处置；
(2)热泵在低温条件下工作，结构不易腐蚀，使用寿命更长；
(3)系统余热在内部进行充分利用，污泥脱水运行能耗可低至40kJ/kg脱除水，若搭载光伏光热一体化单元还可实现系统净零能耗运行。
附图说明
图1是本发明实施例的冻融超声联合污泥高干脱水方法工作流程示意图；
图2是本发明实施例的冻融超声联合污泥高干脱水系统冻融超声单元示意图；
图3是本发明实施例的冻融超声联合污泥高干脱水系统冻融超声单元冻融单仓立面布置图；
图4是本发明实施例的冻融超声联合污泥高干脱水系统冻融超声单元超声波装置细节图；
图5是本发明实施例的冻融超声联合污泥高干脱水系统超低温空气源热泵工作流程示意图。
图中：1、冻融超声单元，1.1、冻融仓，1.1.1、奇数仓，1.1.2、偶数仓，1.1.3、多层皮带机，1.1.4、超低温空气源热泵蒸发冷凝器，1.1.5、超声波装置，1.1.5.1、超声波换能器，1.1.5.2、超声波变幅杆，1.1.5.3、工具头，1.2、热泵机房，1.2.1、余热回收间，1.2.1.1、超低温空气源热泵辅助冷凝器，1.2.1.2、压榨水系统，1.2.2、超低温空气源热泵压缩机，1.2.3、超低温空气源热泵节流阀，2、压榨单元，2.1、干污泥泵，2.2、隔膜板框压滤机，3、光伏光热一体化单元，3.1、太阳能板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
一种冻融超声联合污泥高干脱水系统，包括冻融超声单元1和压榨单元2。
如图2所示，冻融超声单元1设置冻融仓1.1和热泵机房1.2。冻融仓1.1具体包括一一对应的4个奇数仓1.1.1和4个偶数仓1.1.2，仓外壁选用保温隔热材质。冻融仓1.1单仓长5m，宽4m，高3m，体积60m3。
超低温空气源热泵包括超低温空气源热泵蒸发冷凝器1.1.4、超低温空气源热泵辅助冷凝器1.2.1.1、超低温空气源热泵节流阀1.2.3、超低温空气源热泵压缩机1.2.2。如图3所示，冻融仓单仓内部统一设置2台三层皮带机1.1.3、2台超低温空气源热泵蒸发冷凝器1.1.4及144台超声波装置1.1.5。皮带机1.1.3每层皮带长3.9m，宽1.2m，速度为1m/s，单机功率为10kW。超低温空气源热泵单机功率为68kW，COP系数为2。超低温空气源热泵蒸发冷凝器1.1.4的蒸发和冷凝功能转换通过换向阀改变制冷剂流向实现。如图4所示，超声波装置1.1.5由超声波换能器1.1.5.1、超声波变幅杆1.1.5.2和工具头1.1.5.3组成。超声波装置工具头1.1.5.3长0.08m，在皮带机1.1.3的皮带上方间隔0.3m均匀并在两侧布置，每层皮带布置24个，其中心点竖向高于皮带表面20mm，超声波装置1.1.5单机功率1.5kW，总功率为216kW。热泵机房1.2具体包括1个余热回收间1.2.1、2台超低温空气源热泵压缩机1.2.2和2个超低温空气源热泵节流阀1.2.3，余热回收间1.2.1内部设置2台超低温空气源热泵辅助冷凝器1.2.1.1及1个压榨水系统1.2.1.2。
如图1所示，冻融超声单元1采用冻融双仓序批式处理工艺，具体包括准备阶段、工作阶段和收尾阶段。在双仓准备阶段，奇数仓1.1.1采用三层皮带机1.1.3进行80％含水率污泥进料，将污泥摊铺成厚度为40mm的均匀薄层，进泥时间约22s，电耗约440kJ，单仓80％含水率污泥进泥量约1.2t。污泥进料完成，即对奇数仓1.1.1污泥进行冷冻联合超声处理。采用超低温空气源热泵对污泥薄层进行冷冻，初始泥温为15℃，冷冻后泥温控制在-10℃，冷冻时长控制在50min。奇数仓1.1污泥冷冻释放总热量约1221180kJ，经超低温空气源热泵放大，可产余热约2442360kJ，热泵电耗约1221180kJ。奇数仓1.1.1完成污泥冷冻后，采用超声波装置1.1.5对冷冻污泥薄层进行超声波处理，超声波工作频率为20kHz，工作时长为2min，电耗约77760kJ。准备阶段总时长约52min，总运行能耗约1300235kJ，产余热约2442360kJ。
如图5所示，准备阶段结束后进入序批式工作阶段，以单批次进行说明：首先偶数仓1.1.2进行污泥进料；其次热泵换向阀换向，蒸发冷凝器1.1.4功能切换，奇数仓1.1.1污泥开始融化，同时偶数仓1.1.2污泥开始冷冻，冷冻完成后随即进行超声波处理；再次奇数仓1.1.1污泥出料；再次奇数仓1.1.1进行下批次污泥进料；再次热泵换向阀换向，偶数仓1.1.2污泥开始融化，同时奇数仓1.1.1污泥开始冷冻，冷冻完成后随即进行超声波处理；最后偶数仓1.1.2污泥出料。序批式工作阶段单批次时长约105min，单批次运行能耗约2603061kJ，单批次产余热约2442360kJ。
多个上述序批式工作阶段结束后，进入收尾阶段，热泵换向阀换向，奇数仓1.1.1污泥开始融化，之后奇数仓1.1.1污泥完成出料。收尾阶段总时长约50min，总运行能耗约1296kJ，产余热约-1221180kJ。
冻融超声单元1日工作6批次，共计12.2h，日处理80％含水率污泥43.2t，日运行能耗约16919896kJ(4700kWh)。冻融超声单元1日产余热约15875320kJ(4410kWh)，用于加热余热回收间1.2.1压榨水，可将100m3水由15℃加热至53℃，压榨热水经压榨水系统1.2.1.2连通压榨单元2。
压榨单元2具体包括2台干污泥泵2.1和2台隔膜板框压滤机2.2。冻融超声单元处理后污泥经干污泥泵2.1进入隔膜板框压滤机2.2，压滤机2.2过滤压力为12bar，压榨压力为20bar，序批工作时长为2.5h，80％含水率污泥处理能力为12t/批次，出泥含水率为40％。压榨单元2日工作4批次，共计10h，运行能耗以6kJ/kg脱除水计，日运行能耗约172800kJ(48kWh)。
综上，系统日运行能耗约17092696kJ(4748kWh)，日产余热约15875320kJ(4410kWh)，日净运行能耗约1217376kJ(338kWh)，即约42kJ/kg脱除水，折合80％含水率污泥干化(至含水率40％)净运行能耗费用约6元/t。相比之下，传统热泵低温干化运行能耗高达1000kJ/kg脱除水，折合80％含水率污泥干化(至含水率40％)运行能耗费用约148元/t。
在冻融超声单元1、压榨单元2的基础上，在冻融仓1.1仓顶搭载光伏光热一体化单元3，由太阳能板3.1组成。太阳能板3.1包括光伏面板和太阳能集热器，太阳能集热器使用热循环机制，冷却光伏面板，从而提高太阳能板3.1的光电转换效率。光伏光热一体化单元在冻融仓仓顶搭载，在用户端同时实现电、热两种能源产出，日节能1～2.5kWh/m2，系统可实现净零能耗运行。例如：日辐照量为14.3MJ/m2d，太阳能板3.1光热转化系数为0.25，光电转化效率为0.18kW/m2。选用长1.6m，宽0.8m，厚0.05m太阳能板3.1共计125块，日日照时长为6h，日产热约159kWh，日发电约173kWh，则系统理论上可实现净零能耗运行。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种冻融超声联合污泥高干脱水系统，其特征在于：包括冻融超声单元；冻融超声单元设置冻融仓和热泵机房；
冻融仓包括一一对应的奇数仓和偶数仓，冻融仓单仓内部统一设置多层皮带机、超低温空气源热泵蒸发冷凝器及超声波装置；
超声波装置布置在皮带机的皮带上方；
热泵机房包括余热回收间、1～3台超低温空气源热泵压缩机，余热回收间包括压榨水系统。
2.根据权利要求1所述的冻融超声联合污泥高干脱水系统，其特征在于：热泵机房还包括1～3台超低温空气源热泵节流阀，余热回收间内部设置1～3台超低温空气源热泵辅助冷凝器。
3.根据权利要求1所述的冻融超声联合污泥高干脱水系统，其特征在于：冻融仓外壁为保温隔热材质；冻融仓内部设置1～3台多层皮带机，多层皮带机的层数为2～4层，多层皮带机单机功率为10～30kW。
4.根据权利要求1所述的冻融超声联合污泥高干脱水系统，其特征在于：冻融仓内部设置1～3台超低温空气源热泵蒸发冷凝器，超低温空气源热泵单机功率为50～100kW，COP系数大于1.5。
5.根据权利要求1所述的冻融超声联合污泥高干脱水系统，其特征在于：超声波装置包括超声波换能器、超声波变幅杆和工具头，在三层皮带机的皮带上方两侧间隔0.3～0.6m均匀布置，超声波装置中心点竖向高于皮带表面约1/2污泥薄层高度，超声波装置单机功率0.5～2.5kW。
6.根据权利要求1所述的冻融超声联合污泥高干脱水系统，其特征在于：还包括压榨单元；压榨单元设置在冻融超声单元之后，压榨单元包括干污泥泵和隔膜板框压滤机。
7.一种冻融超声联合污泥高干脱水方法，其特征在于，包括以下步骤：
冻融超声单元在双仓准备阶段，奇数仓采用多层皮带机进行待处理污泥进料，将污泥摊铺成均匀薄层，污泥进料完成后，对奇数仓污泥进行冷冻联合超声处理：采用超低温空气源热泵对污泥薄层进行冷冻；奇数仓完成污泥冷冻后，采用超声波装置对冷冻污泥薄层进行超声波处理；
序批式工作阶段，偶数仓进行污泥进料；其次热泵换向阀换向，蒸发冷凝器功能切换，奇数仓污泥开始融化，同时偶数仓污泥开始冷冻联合超声处理；奇数仓污泥出料，然后奇数仓进行下批次污泥进料；再次热泵换向阀换向，偶数仓污泥开始融化，同时奇数仓污泥开始冷冻联合超声处理；最后偶数仓污泥出料；
一个或多个序批式工作阶段结束后，进入收尾阶段：热泵换向阀换向，奇数仓污泥开始融化，之后奇数仓污泥完成出料。
8.根据权利要求7所述的冻融超声联合污泥高干脱水方法，其特征在于：污泥进料时间在2min以内，污泥进料的初始泥温为5～20℃，冷冻后泥温控制在-20～-5℃，冷冻时长控制在30～90min；超声波工作频率为10～30kHz，工作时长为1～3min。
9.根据权利要求7所述的冻融超声联合污泥高干脱水方法，其特征在于：冻融超声单元产余热用于加热余热回收间压榨水，经压榨水系统连通压榨单元。
10.根据权利要求8所述的冻融超声联合污泥高干脱水方法，其特征在于：冻融超声单元处理后污泥经干污泥泵进入压榨单元的隔膜板框压滤机，压滤机过滤压力为6～16bar，压榨压力为10～20bar，序批工作时长为1.5～3h。
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