CN115420075A - 一种污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，属于污水处理设备技术领域，为了研究污泥干化和热解过程，所述污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置包括反应釜(1)、搅拌机构(2)、测温单元(3)和控制单元(4)，反应釜(1)含有釜体(11)和外盖(12)，釜体(11)内设有物料容纳区(13)和加热单元(14)，搅拌机构(2)含有依次连接的搅拌叶片(21)、搅拌杆(22)和驱动单元(23)，测温单元(3)能够测量物料容纳区(13)内的温度。所述污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，可以对污泥进行干燥或热解，将溢出的气体进行冷凝，得到蒸发出来油和水，对该样进行分析研究，能够计算脱水率。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理设备技术领域，具体的是一种污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置。
背景技术
污泥是污水处理产生的体积最大的副产品，一般含水率为80％左右，通常每万立方米生活污水处理量可产生5吨-6吨以上的含水率80％的脱水污泥。污泥中水的存在形式有：空隙水、毛细水、表面吸附水和内部结合水。空隙水，颗粒间隙中的游离水，约70％，可通过重力沉淀(浓缩压密)而分离；表面吸附水，约5％，是在污泥颗粒表面附着的水分，其附着力较强，常在胶体状颗粒、生物污泥等固体表面上出现，采用混凝方法，通过胶体颗粒相互絮凝，排除附着表面的水分，可通过生物分离或热力方法去除。内部结合水，约5％，是污泥颗粒内部结合的水分，如生物污泥中细胞内部水分、无机污泥中金属化合物所带的结晶水等，可通过生物分离或热力方法去除。
污泥是污水处理过程中产生的主要产物，是一种由有机质、微生物菌体、原生动物虫卵、无机颗粒和胶体等组成的极其复杂的非均匀体，有机物含量高，容易腐化发臭，如果不经过处理处置，会对环境造成二次污染。
污泥要满足自持燃烧，含水率需要降至55％以下，显然这已经超出污泥机械脱水的能力，因此污泥不宜直接燃烧，需要进行干化处理。
污泥热解是利用污泥中有机物的热不稳定性，在无氧条件下对其加热，使有机物产生热裂解，有机物根据其碳氢比例被裂解，形成利用价值较高的气相和固相，这些产品具有易储存、易运输及使用方便等特点，还有固化重金属、高能量利用率和低能量损失的特点，给污泥的减量化、稳定化、无害化、资源化提供了有效途径。
发明内容
为了研究污泥干化和热解过程，本发明提供了一种污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，所述污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置首先，可以对污泥进行干燥，将溢出的气体进行冷凝，得到蒸发出来的水，对该水样进行分析研究，便于为以后工业化水处理提供数据分析，同时可以在此阶段得到干燥的污泥，能够计算脱水率。继而，可对污泥进行热解，收集热解产生的油、气，对该过程进行研究分析，为以后污泥热解工业化提供技术支持。同时由于所述污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置处理量较大，实验时气体产量大不易冷凝，因此又研发了双螺旋冷凝回收装置，能更有效的冷凝回收油气。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，包括反应釜、搅拌机构、测温单元和控制单元，反应釜含有釜体和外盖，釜体内设有物料容纳区和加热单元，加热单元能够对物料容纳区内加热，搅拌机构含有依次连接的搅拌叶片、搅拌杆和驱动单元，搅拌叶片位于物料容纳区内，测温单元能够测量物料容纳区内的温度，测温单元和加热单元均与控制单元连接。
本发明的有益效果是：
1、所述污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置集干燥、热解和冷凝于一体，可以将污泥进行处理处置，达到稳定化、减量化、无害化、资源化的目的。
2、可以对污泥进行干燥，将溢出的气体进行冷凝，得到蒸发出来的水，对该水样进行分析研究，便于为以后工业化水处理提供数据分析，同时可以在此阶段得到干燥的污泥，能够计算脱水率。
3、可对污泥进行热解，收集热解产生的油、气，对该过程进行研究分析，为以后污泥热解工业化提供技术支持。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性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是本发明所述污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置的总体示意图。
图2是反应釜和搅拌机构的示意图。
图3是反应釜的剖视示意图。
图4是冷凝单元的示意图。
附图标记说明如下：
1、反应釜；2、搅拌机构；3、测温单元；4、控制单元；5、冷凝单元；6、气体供应单元；
11、釜体；12、外盖；13、物料容纳区；14、加热单元；15、内盖；16、排气口；17、注气通孔；
21、搅拌叶片；22、搅拌杆；23、驱动单元；
31、第一热电偶；32、第二热电偶；33、第三热电偶；
51、双螺旋冷凝管；52、外套；53、液体收集瓶；54、气体收集瓶；55、循环冷凝泵；
131、物料容纳区的入口；
211、第一搅拌条；212、第二搅拌条；213、刮刀；214、支撑条；
511、双螺旋下降段；512、双螺旋上升段；513、冷凝液体排出口。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，包括反应釜1、搅拌机构2、测温单元3和控制单元4，反应釜1含有釜体11和外盖12，釜体11内设有物料容纳区13和加热单元14，加热单元14能够对物料容纳区13内进行加热，搅拌机构2含有依次连接的搅拌叶片21、搅拌杆22和驱动单元23，搅拌叶片21位于物料容纳区13内，测温单元3能够测量物料容纳区13内的温度，测温单元3和加热单元14均与控制单元4连接，如图1至图4所示。
在本实施例中，釜体11呈直立的筒形结构，釜体11的上端为开放状态，釜体11的下端为封闭状态，外盖12与釜体11上下连接。物料容纳区的入口131位于釜体11的上端，反应釜1还含有内盖15，内盖15与物料容纳区的入口131可拆卸密封连接。加热单元14位于釜体11的侧壁内，加热单元14能够将物料容纳区13内由室外加热至600℃。
在本实施例中，测温单元3含有第一热电偶31、第二热电偶32和第三热电偶33，第一热电偶31、第二热电偶32、第三热电偶33和搅拌杆22均穿过内盖15，第一热电偶31的一部分、第二热电偶32的一部分、第三热电偶33的一部分和搅拌杆22的一部分均位于物料容纳区13内。
在本实施例中，第一热电偶31的轴线、第二热电偶32的轴线、第三热电偶33的轴线和搅拌杆22的轴线相互平行，第一热电偶31、第二热电偶32、第三热电偶33和搅拌杆22均呈直立状态。第一热电偶31和第三热电偶33均为测温热电偶，第二热电偶32为控温热电偶，如图3所示。
在本实施例中，搅拌杆22的轴线与物料容纳区13的轴线重合，第一热电偶31的轴线到搅拌杆22的轴线的距离小于第二热电偶32的轴线到搅拌杆22的轴线的距离，第二热电偶32的轴线到搅拌杆22的轴线的距离小于第三热电偶33的轴线到搅拌杆22的轴线的距离。
第一热电偶31的轴线到搅拌杆22的轴线的距离为物料容纳区13的半径的10％-20％，第二热电偶32的轴线到搅拌杆22的轴线的距离为物料容纳区13的半径的35％-45％，第三热电偶33的轴线到搅拌杆22的轴线的距离为物料容纳区13的半径的60％-80％。
在本实施例中，第一热电偶31的轴线、第二热电偶32的轴线、第三热电偶33的轴线和搅拌杆22的轴线均可以位于同一个竖直平面内，第一热电偶31和第二热电偶32均位于搅拌杆22的右侧，第三热电偶33位于搅拌杆22的左侧，由于第一热电偶31和第二热电偶32距离较近，物料容纳区13内的污泥团容易滞留或粘接在第一热电偶31和第二热电偶32之间。
为了避免或者物料容纳区13内的污泥团容易滞留或粘接在第一热电偶31和第二热电偶32之间，可以选择第一热电偶31、第二热电偶32和第三热电偶33沿搅拌杆22的轴线均匀间隔排列。在物料容纳区13内，第一热电偶31、第二热电偶32和第三热电偶33的高度相同。
在本实施例中，搅拌叶片21位于测温单元3的下端和物料容纳区13的下表面之间，搅拌叶片21含有交叉设置的第一搅拌条211和第二搅拌条212，搅拌杆22的下端与第一搅拌条211和第二搅拌条212的交叉处连接固定。第一搅拌条211和第二搅拌条212均呈水平状态，第一搅拌条211为弯曲条，第二搅拌条212为直条。
由于物料容纳区13内的污泥在搅拌的过程中容易形成大的污泥团，不利于干燥和热解，搅拌叶片21还设计含有两个刮刀213，刮刀213为倾斜的螺旋条片状结构，即刮刀213为上升的螺旋条片，刮刀213的下端与第一搅拌条211的外端连接固定，刮刀213与物料容纳区13的内表面平行，刮刀213的前侧和/或后侧设置有刀刃，刮刀213到搅拌杆22的距离大于第三热电偶33到搅拌杆22的距离。
刮刀213位于物料容纳区13内，驱动单元23能够驱动搅拌叶片21和刮刀213以搅拌杆22的轴线为轴正向或反向旋转，刮刀213可以将大的污泥团切割称为小的污泥团，以利于干燥和热解，第一热电偶31、第二热电偶32和第三热电偶33不会阻挡刮刀213和搅拌叶片21旋转，刮刀213的中部通过支撑条214与第二搅拌条212的外端连接固定。
在本实施例中，在物料容纳区13内，第一热电偶31的高度、第二热电偶32的高度和第三热电偶33的高度均为物料容纳区13的高度的45％-70％，刮刀213的高度为第一热电偶31的高度55％-85％，刮刀213能够与第二热电偶32和第三热电偶33配合切割物料容纳区13内的污泥团。第二热电偶32和第三热电偶33的强度能够实现与刮刀213配合切割污泥团，第二热电偶32和第三热电偶33的强度的具体数值可以根据有限次的实验获得。
由于物料容纳区13内的污泥在搅拌的过程中容易物料容纳区13的径向边缘形成大的污泥团，第二热电偶32和第三热电偶33距离物料容纳区13的中心较远，第二热电偶32和第三热电偶33通常会阻挡大的污泥团前进，第二热电偶32和第三热电偶33相当于按住大的污泥团，以便于刮刀213切割污泥团，从而提高切割效率。第二热电偶32和第三热电偶33的作用在于，不但可以测温，还可以与刮刀213配合切割污泥团，如图3所示。
优选第一热电偶31、第二热电偶32和第三热电偶33沿搅拌杆22的轴线均匀间隔排列。第二热电偶32的轴线到搅拌杆22的轴线的距离小于第三热电偶33的轴线到搅拌杆22的轴线的距离。刮刀213与第二热电偶32配合可以切割出中等尺寸的污泥团，刮刀213与第三热电偶33配合可以切割出小尺寸的污泥团，便于进一步提高刮刀213切割污泥团的效率。
在本实施例中，所述污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置还包括冷凝单元5，冷凝单元5含有内外套设的双螺旋冷凝管51和外套52，双螺旋冷凝管51和外套52均为直立状态，双螺旋冷凝管51含有依次连接的双螺旋下降段511和双螺旋上升段512，反应釜1含有两个排气口16，两个排气口16均与物料容纳区13的内部连通，两个排气口16通过管线与双螺旋下降段511的入口端一一对应连接，双螺旋下降段511与双螺旋上升段512的连接处设有冷凝液体排出口513，冷凝液体排出口513的下方设置有液体收集瓶53，如图4所示。
同时由于所述污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置处理量较大，实验时气体产量大不易冷凝，因此又研发了双螺旋冷凝回收装置，能更有效的冷凝回收油气。双螺旋下降段511的上端为双螺旋下降段511的入口端，双螺旋下降段511的下端和双螺旋上升段512的下端为双螺旋下降段511与双螺旋上升段512的连接处，双螺旋下降段511的下端和双螺旋上升段512的下端连接，双螺旋上升段512的上端为双螺旋上升段512的出口端，双螺旋上升段512的出口端外连接有气体收集瓶54。污泥团在物料容纳区13内干燥和热解产生的气体能进入双螺旋冷凝管51内，冷凝产生的液体进入液体收集瓶53，冷凝后的气体进入气体收集瓶54。
双螺旋冷凝管51和外套52之间为冷凝液容纳腔，冷凝单元5还含有循环冷凝泵55，外套52上设有冷凝液入口和冷凝液出口，所述冷凝液入口和冷凝液出口与循环冷凝泵55连接，循环冷凝泵55可以向所述冷凝液容纳腔内循环注入循环冷却液(最低冷却温度可达-20℃)。
外盖12含有前后对称设置的两个盖体，外盖12与釜体11可拆卸连接，外盖12内设有盖腔，第一热电偶31的上端、第二热电偶32的上端和第三热电偶33的上端均位于所述盖腔内，两个排气口16均位于内盖15上，两个排气口16也均位于所述盖腔内。驱动单元23、控制单元4、冷凝单元5和下述气体供应单元6均位于反应釜1外，如图2所示。
在本实施例中，釜体11的侧壁上设有注气通孔17，注气通孔17与物料容纳区13连通，注气通孔17外连接有气体供应单元6，气体供应单元6能够向物料容纳区13内供应活性气体(如氧气)或惰性气体(如氮气)。控制单元4能够根据测温单元3的测量结果控制加热单元14的加热温度。控制单元4还能够控制驱动单元23使搅拌叶片21和刮刀213绕搅拌杆22旋转，驱动单元23可以为电机。控制单元4还能够控制气体供应单元6向物料容纳区13内供应活性气体或惰性气体。
釜体11工作压力：0.1MPa常压；釜体11的工作温度：室温-600℃；釜体11的容积：3L-10L(即物料容纳区13的体积为3L-10L)，优选5L；所述污泥干燥和热解反应小试装置的电源：380V、50Hz；加热单元14的加热功率：3KW。
搅拌杆22转速可以在100r/min-1200r/min进行调节，控制精度为1r/min；搅拌杆22可以在600℃温度下工作。搅拌杆22采取水冷密封装置给予搅拌杆22降温保护；驱动单元23可以选择变频电机，温度可采取程序升温，装置可程序升温至600℃，配控温热电偶1个和测温热电偶2个，控温精度为±1℃；附带冷凝装置，冷源可采取-50℃冷凝液，冷凝器采取直型冷凝器，保障冷凝液体收集率达98％。
下面介绍所述污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置的工作过程。
干燥：取2Kg的污泥置于物料容纳区13，盖好内盖15和外盖12保证密封，控制单元4设置物料容纳区13内的初始温度为20℃，终止温度为100℃，升温速率10℃/min，终温停留时间60min，搅拌杆22的搅拌速率为800r/min，开始工作，观察双螺旋冷凝管51排出的冷凝水，若观察到不再有水冷凝下来，则干燥完全，停止工作，等待机器温度降下来，取出干燥后的污泥进行称量，可计算得到脱水率，可以对收集到的水进行研究分析。
热解：取2Kg的污泥置于物料容纳区13，盖好内盖15和外盖12保证密封，控制单元4设置物料容纳区13内的初始温度为20℃，终止温度为600℃，升温速率20℃/min，终温停留时间60min，搅拌杆22的搅拌速率1200r/min，开始工作，观察双螺旋冷凝管51排出的冷凝水，若观察到不再有液体冷凝下来，则反应完全，停止工作，等待机器温度降下来，可以取出剩余物，对剩余物和收集到的液体进行研究分析。
所述污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，可以对污泥进行干燥，将溢出的气体进行冷凝，得到蒸发出来的水，对该水样进行分析研究，能够计算脱水率；也可以对污泥进行热解，将溢出的气体进行冷凝，得到油和水，能够计算含油率。
为了便于理解和描述，本发明中采用了绝对位置关系进行表述，如无特别说明，其中的方位词“上”表示图3中的上侧方向，方位词“下”表示图3中的下侧方向，方位词“左”表示图3中的左侧方向，方位词“右”表示图3中的右侧方向，方位词“前”表示垂直于图3的纸面并指向纸面内侧的方向，方位词“后”表示垂直于图3的纸面并指向纸面外侧的方向。本发明采用了阅读者的观察视角进行描述，但上述方位词不能理解或解释为是对本发明保护范围的限定。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案、技术方案与技术方案、实施例与实施例之间均可以自由组合使用。
Claims (10)
1.一种污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，其特征在于，所述污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置包括反应釜(1)、搅拌机构(2)、测温单元(3)和控制单元(4)，反应釜(1)含有釜体(11)和外盖(12)，釜体(11)内设有物料容纳区(13)和加热单元(14)，加热单元(14)能够对物料容纳区(13)内加热，搅拌机构(2)含有依次连接的搅拌叶片(21)、搅拌杆(22)和驱动单元(23)，搅拌叶片(21)位于物料容纳区(13)内，测温单元(3)能够测量物料容纳区(13)内的温度，测温单元(3)和加热单元(14)均与控制单元(4)连接。
2.根据权利要求1所述的污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，其特征在于，釜体(11)呈直立的筒形结构，釜体(11)的上端为开放状态，釜体(11)的下端为封闭状态，物料容纳区的入口(131)位于釜体(11)的上端，反应釜(1)还含有内盖(15)，内盖(15)与物料容纳区的入口(131)可拆卸密封连接。
3.根据权利要求2所述的污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，其特征在于，测温单元(3)含有第一热电偶(31)、第二热电偶(32)和第三热电偶(33)，第一热电偶(31)、第二热电偶(32)、第三热电偶(33)和搅拌杆(22)均穿过内盖(15)，第一热电偶(31)的轴线、第二热电偶(32)的轴线、第三热电偶(33)的轴线和搅拌杆(22)的轴线相互平行。
4.根据权利要求3所述的污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，其特征在于，搅拌杆(22)的轴线与物料容纳区(13)的轴线重合，第一热电偶(31)的轴线到搅拌杆(22)的轴线的距离小于第二热电偶(32)的轴线到搅拌杆(22)的轴线的距离，第二热电偶(32)的轴线到搅拌杆(22)的轴线的距离小于第三热电偶(33)的轴线到搅拌杆(22)的轴线的距离。
5.根据权利要求4所述的污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，其特征在于，第一热电偶(31)的轴线、第二热电偶(32)的轴线、第三热电偶(33)的轴线和搅拌杆(22)的轴线均位于同一个竖直平面内，第一热电偶(31)和第二热电偶(32)均位于搅拌杆(22)的右侧，第三热电偶(33)位于搅拌杆(22)的左侧；或者，第一热电偶(31)、第二热电偶(32)和第三热电偶(33)沿搅拌杆(22)的轴线均匀间隔排列。
6.根据权利要求5所述的污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，其特征在于，搅拌叶片(21)位于测温单元(3)的下端和物料容纳区(13)的下表面之间，搅拌叶片(21)含有交叉设置的第一搅拌条(211)和第二搅拌条(212)，搅拌杆(22)的下端与第一搅拌条(211)和第二搅拌条(212)的交叉处连接。
7.根据权利要求6所述的污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，其特征在于，搅拌叶片(21)还含有刮刀(213)，刮刀(213)为倾斜的螺旋条片状结构，刮刀(213)的下端与第一搅拌条(211)的外端连接固定，刮刀(213)与物料容纳区(13)的内表面平行，刮刀(213)的前侧和/或后侧设置有刀刃，刮刀(213)到搅拌杆(22)的距离大于第三热电偶(33)到搅拌杆(22)的距离。
8.根据权利要求7所述的污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，其特征在于，在物料容纳区(13)内，第一热电偶(31)的高度、第二热电偶(32)的高度和第三热电偶(33)的高度均为物料容纳区(13)的高度的45％-70％，刮刀(213)的高度为第一热电偶(31)的高度55％-85％，刮刀(213)能够与第二热电偶(32)和第三热电偶(33)配合切割物料容纳区(13)内的污泥团。
9.根据权利要求1所述的污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，其特征在于，所述污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置还包括冷凝单元(5)，冷凝单元(5)含有内外套设的双螺旋冷凝管(51)和外套(52)，双螺旋冷凝管(51)含有依次连接的双螺旋下降段(511)和双螺旋上升段(512)，反应釜(1)含有两个排气口(16)，排气口(16)与物料容纳区(13)的内部连通，两个排气口(16)与双螺旋下降段(511)的入口端一一对应连接，双螺旋下降段(511)与双螺旋上升段(512)的连接处设有冷凝液体排出口(513)，冷凝液体排出口(513)的下方设置有液体收集瓶(53)，外套(52)外连接有循环冷凝泵(55)。
10.根据权利要求1所述的污泥干燥、热解及冷凝回收小试装置，其特征在于，釜体(11)的侧壁上设有注气通孔(17)，注气通孔(17)与物料容纳区(13)连通，注气通孔(17)外连接有气体供应单元(6)，气体供应单元(6)能够向物料容纳区(13)内供应活性气体或惰性气体。
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