申请日2010.10.25
公开(公告)日2011.03.16
IPC分类号F26B3/18
摘要
本发明属于一种热力干燥，用固体热载体的热来脱除污泥、褐煤等亲水型散物料中的水分。现有技术中热载体主要是气体热载体，个别的是液体热载体，多数采用间接传热方式，传热速率低，热效率不高，结构复杂，容积强度很低，固定资产投资贵、运行费用高。本发明的特征在于：燃料的燃烧热直接传给固体热载体、固体热载体再将热直接传给被干燥的物料，传热效率最好，结构更简单，使干燥设备容积率高，设备投资最低，外排尾气的体积最小，处理的困难少，有异味不凝气和空气直接送去焚烧，节能环保，运行费用省。
翻译权利要求书
1.一种适用于污泥、褐煤等亲水型散物料的固体热载体干燥法。其特征在于：燃料的燃烧热直接传给固体热载体、固体热载体再将热直接传给被干燥的物料，两个传热过程都采用了直接传热方式。
2.一种如权利要求1所述的适用于污泥、褐煤等亲水型散物料的固体热载体干燥法。其特征在于：所述固体热载体是在竖井式固体热载体加热炉内，用燃料燃烧的高温烟气来加热。
3.一种如权利要求1和2所述的适用于污泥、褐煤等亲水型散物料的固体热载体干燥法。其特征在于：所述的燃料有煤粉、可燃干污泥、自产煤气、外供煤气。
4.一种如权利要求1所述的适用于污泥、褐煤等亲水型散物料的固体热载体干燥法。其特征在于：所述固体热载体的材质有粗砂粒、耐火粘土球、钢或铸铁球、碳化硅球，固体热载体的块径推荐在20-50mm范围内。
说明书
一种适用于污泥、褐煤等亲水型散物料的固体热载体干燥法
技术领域
本发明属于一种热力干燥，采用固体热载体的热来脱除污泥、褐煤等亲水型散物料中的水分。
背景技术
高湿亲水型散物料有天然生成物，如褐煤、泥碳;也有人类在生产活动中产生的成品、中间产物、副产品或废弃物。成品如PTA、白炭黑、钛白粉、硫酸钡、EDTA钠盐等，中间产物如CTA、中间体等，副产品或废弃物，如城市和工业污水处理厂的湿污泥、洗煤过程产生的煤泥，采矿工业中的矿渣泥，PTA生产过程中的含钴废浆料、食品工业中酒糟、酱渣、醋渣、苹果渣、骨基饲料、生物渣泥等。
这类物料的共同特点是：水分含量高(有的高达95%以上)，由于亲水，采用现有的过滤作业不能达到工艺要求的湿含量，要经过干燥才能达标;干燥后的固含物多为粉末状。
城市污水处理厂生产的污泥成分亟其复杂，含有各种有机和无机化合物、多种微生物、菌类，排出的气体和冷凝液常有异臭，要经过无害化处理后才能排放。此外还由于：(1)污泥的特性是非常粘，在干燥过程中有一特殊的胶粘相阶段，给干燥和灭菌带来极大困难;(2)干燥工艺和污泥组成，干污泥的利用方向有很大的关係，致使污泥成为最难处理的一种亲水型散物料。
污泥是一种高水分的亲水型物质，含水率高达95%以上。污水处理厂出来的污泥含水率高、体积大，需先进行脱水。一般分两级：第一级为机械脱水，第二级为热力干燥，这一级的脱水程度，取决于污泥的进一步利用和处置方向。
我国污泥的脱水现状是，经过一级机械脱水后的含水率大都在75-85%之间，由于经过一级机械脱水后的污泥含水量大，达不到后续处理的工艺要求，因此对污泥的后续处理造成了很大的负担和难题。目前污泥的处置方法有：填埋、露天搁置、堆肥和焚烧等方法，填埋法由于污泥的体积庞大和高渗滤性对土壤造成污染，且成本越来越高，应逐步废除;露天搁置，可利用太阳能脱水，节约能源，但挥发气体积渗滤液对环境造或严重污染，也应逐步废除;堆肥虽是一种可供选择的方法，但不能用于含有重金属的污泥，重金属对农作物的生长有害，会形成食物链中重金属中毒现象。焚烧法不仅可回收污泥中的热能，且防治二次污染的技术成熟，是一种环境友好型技术，应大力推广。然而，污泥的含水率必需干燥到一定程度，才能燃烧。所以，高性价比的污泥干燥是必须解决的一个重要课题。
目前，许多国家已在污泥处理中采用热干燥技术。按照热介质是否与污泥相接触，现行的污泥热干燥技术可以分为三类：直接热干燥技术、间接热干燥技术和直接一间接联合式干燥技术。
直接热干燥技术又称对流热干燥技术。它是用气体热载体将污泥中的水分去除的一种方法。干燥的效率取决于如下两个因素：气体热载体的条件(露点、相对湿度、速度)和污泥的自身结构及特征。在操作过程中，气体热载体(热空气、烟气或蒸汽等)与污泥直接接触，气体热载体低速流过污泥层，在此过程中吸收污泥中的水分，处理后的干污泥需与气体热载体进行分离。排出的废气一部分通过热量回收系统回到原系统中再用，剩余的部分经无害化后排放。此技术传热效 率及蒸发速率较高，可使污泥的含固率从25%提高至85%～95%。
污泥在干燥过程中会出现胶粘相(含水率为60%左右)，在这一极窄的过渡段内，污泥极易结块，干燥后表面坚硬、难以粉碎，而里面却仍是稀泥，给干燥过带来的困难。为解决这一问题，在美国诞生了干料返混工艺。要点如下：将一定比例含固率>90%的干泥颗粒返回与湿污泥混合，使干粒起到“核”的作用，湿污泥薄薄地包裹在核外层，控制干、湿料的混合比例，使混合物的含水率降到30%～40%，这样使污泥就越过的胶粘相，可大大减轻污泥在干燥器内的粘结，只需蒸发颗粒表层的水分，使干燥容易进行。然而这种工艺降低了设备的处理量。
由于与污泥直接接触，气体热载体将受到污染，排出的废水和水蒸气须经过无害化处理后才能排放;同时，气体热载体与干污泥需加以分离，给操作和管理带来一定的麻烦。为减少外排气体处理量，国内外出现了气体再循环工艺：将外排经过除尘、冷凝、水洗后的气体85%返回干燥器，只将其余15%经过热氧化除臭后排放。这样，不仅减少了尾气处理量，还减少了外部空气的引入量，将转鼓内氧气的含量维持在较低的水平，从而提高了系统的安全性能。
直接热干燥装置的尾气量大，处理成本高，而间接加热，尾气的量要小得多，相应尾气处理的负担要轻得多，使人们将兴趣又转到传热效率低的间接加热。
在间接热干燥技术中，热载体有气体和液体两种，前者有热空气、烟气或蒸汽等，后者有导热油。它们都不与污泥直接接触，而是通过热交换间壁将热传递给湿污泥，使污泥中的水分蒸发，同时热载体也不会受到污泥的污染，省却了后续的热载体与干污泥分离的过程。过程中蒸发的水分到冷凝器中冷凝。热载体的一部分回到原系统中再用，以节约能源。由于间接传热，该技术的传热效率及蒸发速率均不如直接热干燥技术。
直接-间接联合式干燥系统则是对流-传导技术的整合。
褐煤是煤化程度最低的煤类。其特征是高挥发分、亲水、高水分、低热值、低灰熔点、易自燃，不适合储存和长距离运输。褐煤平均收到基低位发热量只有3000kcal/kg左右，经过提质，是一种优质动力煤和化工用煤。褐煤大部分具有埋藏浅、煤层厚、易开发的特点，且结构稳定，开采条件好，适合于综合技术的应用和集约化生产。
褐煤的平均水份可达45%。这种煤除就地转化外，对长途运输十分不利。针对以上情况实行褐煤变性干燥是一条有效途径。褐煤经变性干燥后，其成分和性质趋近于烟煤，将更有利于利用、运输和储存。近年来，对褐煤变性干燥加工研究日益增多，但使用某些方法使褐煤变性在技术经济上还存在许多问题。日本、澳大利亚、美国、德国等国均在积极开展该领域内研究和实验。目前国内一些科研部门与企业也在进行这方面的研究和实验。
长距离运输高水分、低热值的褐煤在经济上是不合算的。美国曾对褐煤脱水后减少运输量的效果做过评估，一种水分42.52%、发热量2847kcal/kg的褐煤，经2.02Mpa的蒸汽干燥后，水分降至14.43%，发热量增加到4315kcal/kg，相当于提高了热值51.6%。我国上都电厂240万千瓦机组一年大约要用褐煤1100万吨，如果能将褐煤水分由36%降至16%左右，则一年可减少220万吨煤炭运输，节省运费6600万元。另一方面从锅炉燃烧角度来说，燃烧高水分褐煤将导致火焰温度降低，热效率下降。当电厂使用变性干燥后的褐煤，可以显著减少或避免电厂额定出力降低的现象。我国褐煤资源丰富，因此，研发具有自主知识产权的 褐煤变性干燥技术，是一项急迫的任务。
褐煤中的水有三类，即自由水、内在水和结晶水。当褐煤加热到100℃以上时，大部分的自由水能够被蒸发。当褐煤在常压下继续加热到150℃以上时，褐煤结合水(内在水)开始被脱除，羟基官能团(主要是-COOH)发生分解，析出CO2气体，同时将褐煤的结合水(内在水)排除。进一步提高温度，将导致越来越多的羟基官能团分解，从而引起褐煤的表面性质改变。结晶水是和灰份共存的水，要在更高的温度下才能分解。
对于无需远途外运的提质褐煤，例如用于坑口电站的褐煤，仅需脱除自由水。需远途外运的褐煤，必需提高脱水深度，因为只脱除自由水的褐煤容易返潮。在更高的干燥温度下，由于大量的羟基官能团分解，导致褐煤内部的毛细孔倒坍和产生交联。毛细孔倒坍可以阻止水分进入毛细孔;而交联反应则能够对毛细孔进行密封，阻止倒坍的毛细孔在吸收水分时再膨胀。另外，当褐煤温度被加热到200℃以上时，其表面积会大大减少。表面积减少的主要原因是由于在高温干燥条件下引起褐煤内部的焦油的强烈迁移，即焦油由毛细孔内部向毛细孔外部迁移。迁移到毛细孔外部的焦油在冷却过程中，由于焦油冷凝，从而对毛细孔进行密封，并使褐煤的表面积减少。这一过程，即毛细孔倒塌，交联反应和焦油迁移对毛细孔形成密封，结果褐煤变得越来越疏水，同时也能够观察到褐煤的硬化，这也导致褐煤的刚性结构的形成，我们称这一过程为变性干燥。其结果是褐煤能够从软煤转换为硬煤，由亲水性转换为疏水性，弱化自燃性，从而可以实现褐煤的长途运输和储存。
褐煤必需的变性干燥温度是褐煤的一种特质，有的褐煤可能要高达550℃以上，即达到低、中温干馏所需的温度，这应由实验确定。因此，本发明对褐煤的这种必需变性干燥温度未加限定。
以长途外运为目的提质褐煤的现有技术有多种。可以把它们分类如下：
一般来说，脱除褐煤的外在水分比较容易，但要脱除褐煤内在水分和矿物质结晶水比较困难。煤的干燥脱水技术大致可分为机械脱水、蒸发脱水和非蒸发脱水三类。目前褐煤脱水应用比较成熟的方法和技术有：间接脱水法(以蒸汽筒式改造机)、直接加热法(流化床干燥机)、非蒸发脱水法(日本电源开发公司和川崎重工公司开发的D-K脱水工艺)。
褐煤脱水过程是一种提质过程，因为褐煤脱水过程除脱去部分水分外，也伴随着一些煤的组成和结构的变化，使褐煤具有烟煤性质的提质煤。国内褐煤提质加工技术已进行工业化式生产的有：大连理工大学的褐煤固体热载体法快速热解技术，鞍山热能研究院的褐煤低温干馏提质技术，北京柯林斯达能源技术开发公司的褐煤低温干燥改性提质技术，大唐华银煤净化重点实验室低阶煤转化提质LCC技术。
对于低灰分优质褐煤，可采用中低温干馏工艺制取高品质还原剂，替代冶金焦用作铁合金、电石生产的原料;热解半焦可作为活性炭，用于除硫吸附剂和处理各种工业污水。利用LCC技术可以获得性质稳定、热值高的改性煤，同时副产附加值高的低温煤焦油。
我国中国机械工业集团(北京)、上海电气、中国东方电气(四川)、三一重工(湖南)、大连重工、中信重工(该企业已将褐煤提质列入研发计划，并在河南洛阳成立了“低热值褐煤提质新技术装备”研发课题组)等大型机械制造企业， 由政府搭建平台，组建低热值褐煤提质新技术及装备研究与开发项目，已逐步形成褐煤提质加工新技术和工艺设备制造基地。
但是，上述正在研发的工艺和装备，除了大连理工大学的褐煤固体热载体法快速热解技术外，基本上都采用间接传热方式。
热干燥的核心是将热传给污泥和褐煤，通过加热使污泥和褐煤中的水分蒸发。过程的经济性取决于制取热载体的成本和将热能传给污泥和褐煤的效率。前者主要决定运行费用，而后者主要决定固定资产投资。将一次能源(煤、油、天然气)燃烧的热传给热载体后再传给污泥和褐煤，经历了两次传热过程，众所周知，两种传热方式中，直接传热的设备投资最省，传热效率最高。是传热过程中首选的传热方式。上述的现有热干燥技术中，采用的传热技术都是以间接传热为主，因此，都存在着难以克服的根本性缺点。
最常用的是热力干燥，采用气体热载体，如热空气(被干燥物料不能被污染)和烟气(被干燥物料可以被污染)。其特点是，气体热载体与被干燥物料直接接触，干燥速率高，(但除烟气外，将一次能源-煤、油、天然气的燃烧热传给热空气仍要采用间接方式传热)。
这些特点，限定了在采用热力干燥时，只能采用通过间壁将热能传给物料的间接方式传热。所用的热载体气态的有热空气、热烟气和蒸汽，液态的有导热油，除烟气外，为获得高温的热载体，将一次能源(煤、油、天然气)燃烧的热传给热载体也要采用间接方式传热，就是说一次能源的热，经历了两次传热过程才能传给物料，使得这类干燥设备传热速率低，热效率不高;由于这类物料还有粘贴性，在传热和干燥进行的过程中，需将物料不断进行翻动和搅拌，使物料受热面更新，使得这类干燥设备结构复杂，容积强度很低，其结果是固定资产投资贵、运行费用高。
发明内容
为克服现有热力干燥技术上述的根本性缺点，本发明提供了一种全新的热力干燥法。其特征在于：燃料的燃烧热直接传给固体热载体、固体热载体再将热直接传给被干燥的物料，两个传热过程都采用了直接传热方式;固体热载体还能起到输送、翻动和搅拌物料的作用;固体热载体为颗粒状散物料，要求它具有较高的热容和导热系数、优良的耐急冷急热性、足够的强度和耐磨性。可作为固体热载体的有：粗砂粒、耐火粘土球、钢或铸铁球、碳化硅球等。应根据被干燥物料的物化性质特别是腐蚀性来选择。固体热载体的块径推荐在20-50mm范围内。