申请日2010.07.12
公开(公告)日2014.04.02
IPC分类号C02F11/12
摘要
星轮干燥污泥系统主要包括湿泥储存场、原料配给总成、塔身结构框架，星轮节流干燥总成、星轮驱动总成、干燥能量总成、干燥气流总成、排出料斗总成、干燥渣输送总成、干泥储存场和控制系统，并综合成为机电一体化全自动干燥除臭成套设备。零碳热源为风能和太阳能。在本设备中，仅星轮机构使每立方米干燥室容积的污泥静置蒸发面积最大达到11.6M2，由于湿污泥收缩扭曲造成的空隙又使物料的蒸发面积成倍增加，干燥室物料最大填充率可达到50%以上。在天津地区四月份实际使用中，每平方米污泥蒸发面积的蒸发量为2kg/d，污泥用四天含水率降至20%，比较自然干化提高效率8-10倍以上，设备性价比较高，运行成本较低。在冬季可采用锅炉废烟气，也可以暂时将湿污泥储存到春季干燥。
翻译权利要求书
1.一种利用零碳热源的星轮干燥污泥系统，星轮干燥污泥系统主要包 括湿泥储存场、原料配给总成、塔身结构框架，星轮节流干燥总成、星轮 驱动总成、干燥能量总成、干燥气流总成、排出料斗总成、干燥渣输送总 成(8)、干泥储存场和控制系统，并综合成为机电一体化全自动干燥除臭 成套设备;其特征是，星轮节流干燥总成(7)是在塔身结构框架内由上至 下设有多层星轮干燥组件，每层的星轮干燥组件是平行排列成一叠的星轮 机构(1)，每个星轮机构包括星轮、芯轴和盘状曲柄;从芯轴中心径向伸 出1～3个翅状板构成星轮，翅状板采用板状滤孔介质，星轮和盘状曲柄都 固定在芯轴上，星轮、盘状曲柄和芯轴的旋转中心重合在一起;每个星轮 机构利用芯轴铰接在塔身结构框架的水平梁上;星轮驱动总成利用连索铰 接盘状曲柄使每个星轮机构分别往复摆动;干燥能量总成是采用风能和/或 太阳能作为零碳热源的导入结构，风能导入结构是围绕塔身结构框架(3) 四周设有聚风轮的叶片(2)，聚风轮的叶片连接在塔身结构框架上并对称 其铅垂中心，太阳能导入结构是在塔身结构框架的顶部设有防雨透光板 (5)，聚风轮的叶片(2)采用透光材料;原料配给总成包括原料输送装置 (4)和配料装置;在塔身结构框架上部设有配料装置，在塔身结构框架下部 的干燥室(12)设有星轮节流干燥总成，该干燥室下部设有排出料斗总成， 排出料斗总成连通干燥渣输送总成;干燥气流总成包括风机和风道，在塔 身结构框架(3)设有的风道侧壁开有透气孔(29)，在星轮机构的水平的 端部均设有透气孔(29)，这些透气孔相互连通。
2.根据权利要求1所述的利用零碳热源的星轮干燥污泥系统，其特征 是，与星轮机构相邻的风道的透气孔设有调节风量挡板(31)和启闭调节 机构(32)。
3.根据权利要求1所述的利用零碳热源的星轮干燥污泥系统，其特征 是，所述的干燥气流总成是在进风道(19)入口加设鼓风机，组成进风系 统。
4.根据权利要求3所述的利用零碳热源的星轮干燥污泥系统，其特征 是，干燥能量总成还在干燥气流总成的进风道入口前加设空气加热器，空 气加热器采用矿物转化热能系统产生的热源。
5.根据权利要求1所述的利用零碳热源的星轮干燥污泥系统，其特征 是，所述的干燥气流总成的风道出口加设引风机设成排风道，组成排风系 统。
6.根据权利要求5所述的利用零碳热源的星轮干燥污泥系统，其特征 是，所述的干燥气流总成的排风道(20)出口加设除臭装置;利用防雨透 光板的支撑框架在防雨透光板(5)的檐下将背风的两个叶片(2b)的曲面 扭转设置成闭合位置，或在背风的防雨透光板(5)的檐下设置门帘(2c)，利 用排风道上设置的透气孔(29)作为抽风口形成抽取臭气的回路。
7.根据权利要求1所述的利用零碳热源的星轮干燥污泥系统，其特征 是，所述的星轮干燥污泥系统是在配料装置和干燥渣输送总成之间设有部 分干燥渣返混装置，返混装置是定量输送机或搅混器。
说明书
利用零碳热源的星轮干燥污泥系统
技术领域
本发明涉及一种较粘稠和细粒物质的干燥处理的利用零碳热源的星轮干 燥污泥系统，零碳热源包括风能和太阳能，特别适用于污水处理厂的污泥处理， 还是适用于矿质物料和粮食等干燥处理。
背景技术
我国运营的污水处理厂每年产生近5万吨以上的含水率80%的污泥。在现 有公开的干化场自然干化污泥需要30-45天，不仅操作者工作环境恶劣，而且 需要占据较大的土地和操作费用;由于粘稠和细粒结构的污泥在设备中较容易 结垢或粘接，现有主流技术的流态化干燥器和移动床干燥器不能适应其要求， 而在带式干燥器中，因污泥进料时体积较大，而在污泥干燥中间和后期由于其 体积急剧缩小，可是进料时最大允许泥饼厚度较小，设备蒸发面积的有限，设 备大量的蒸发面积没有发挥作用，干燥器效率很低。
经实验，本人利用柔韧管压榨固液分离装置不需添加任何助滤剂，已经能 够将污泥含水率从80%以上脱水降至50～60%，其技术方案已在《快速柔韧管压 榨固液分离装置》专利申请号20091017966.0上公开，但是污泥还需要进一步 处置才能满足环保和可持续发展的要求，目前我国70%以上的污泥被填埋，今 后堆肥、土地利用、干化和焚烧的处置比例快速增加，高含水率导致堆放场地 增加，运输费用增加，填埋费用增加，堆肥处理的发酵期长和干化焚烧能耗加 大，如果能在污泥处理处置时用较低投资和运行成本降低污泥饼的含水率意义 重大。
如果一味利用较高级的石化质能源作为热源，成本增加，设备复杂，如果 能够针对含水率脱水降至60%左右的处于成壳硬化临界状态的污泥设计一种干 燥设备和工艺，而这种技术方案能够优先利用无成本的低温的自然风能和太阳 能，降低设备造价，提高效率，使用高级的能源作为恶劣气候的补充，对于人 类可持续发展至关重要，这是迫切需要业界技术精英解决的问题。
发明内容
针对以上种种缺陷，本发明提出了解决存在问题的技术方案。本发明提出 的设备工作原理是基于含水率降至60%污泥滤饼脱水后成为厚的为6～10毫米 左右的片状，片状脱水污泥的浅表层已经达到了成壳硬化临界状态，如果进一 步干化，浅表层的硬度可以较快的增加，而且片状脱水污泥的收缩不均性使泥 饼发生任意方向的扭曲，扭曲的较硬壳化的泥饼使其在干燥器中的透气性大大 增加。在脱水污泥进入干燥器初期防止其粘接，在整个干燥器过程中不断使片 状脱水污泥上下左右无序翻滚，片状脱水污泥与干燥介质的接触面积保持较大 的比例，暴露在干燥介质的污泥的浅表层水分以较快的速度蒸发而变成干燥浅 表层，翻滚后的污泥其心部的水分向虽然不一定暴露的较干燥浅表层渗透，水 分平衡后污泥在下一次翻滚中有较大的比例又与干燥介质接触，周而复始，使 污泥内外部的水分相互平衡且不断减低完成干燥。根据污泥特点在污泥进料时 可以掺混已经非常干化的任意扭曲的较硬的板状泥饼，促使污泥在干燥器中的 透气性大大增加，提高干燥效率。
星轮干燥污泥系统主要包括湿泥储存场、原料配给总成、塔身结构框架， 星轮节流干燥总成、星轮驱动总成、干燥能量总成、干燥气流总成、排出料斗 总成、干燥渣输送总成、干泥储存场和控制系统，并综合成为机电一体化全自 动干燥除臭成套设备;原料配给总成包括原料输送装置和配料装置;在塔身结 构框架上部设有配料装置，在塔身结构框架下部的干燥室设有星轮节流干燥总 成，该干燥室下部设有排出料斗总成，排出料斗总成连通干燥渣输送总成;星 轮节流干燥总成是在塔身结构框架的上下设有多层星轮干燥组件，每层的星轮 干燥组件是平行排列成一叠的星轮机构;每个星轮机构包括星轮、芯轴和盘状 曲柄;从芯轴中心径向伸出1～3个翅状板构成星轮，翅状板采用板状滤孔介 质，星轮和盘状曲柄都固定在芯轴上，星轮、盘状曲柄和芯轴的旋转中心重合 在一起;每个星轮机构利用芯轴铰接在塔身结构框架的水平梁上，星轮驱动总 成利用连索铰接盘状曲柄可使每个星轮机构分别往复摆动;干燥气流总成包括 在干燥室设有进风风道和排风风道，在塔身结构框架设有的风道侧壁开有透气 孔，在星轮机构的水平的端部均设有的透气孔，这些透气孔相互连通。星翅状 板的板状滤孔介质可以采用筛孔板，或编织网;在塔身结构框架构成下部的干 燥室中利用一个个星轮机构的星翅状板使堆积在一起的达到了成壳硬化的薄 泥饼不断的展开而形成间隙，干燥介质利用此间隙与泥饼接触，在利用风能作 为干燥能量总成的干燥介质时，由于低温干燥，不需要频繁的使每个星轮机构 往复摆动，星轮机构频繁往复摆动将使污泥变成碎小颗粒堵塞干燥介质流动的 间隙，这将影响水分的蒸发;推荐在星轮机构的芯轴固定均布的2～3个星翅 状板，如果某层相邻的星轮机构的星翅状板都处于水平状态而间隙较小时，在 每次旋转45～90°后，仅将星轮机构上相邻的星翅状板的扇形区的泥饼翻转， 并尽量靠重力和抖动跌落下面以减少污泥的破碎，相邻的星轮机构的另一对星 翅状板又达到水平状态而阻止上部的泥饼自由下落，因此设定星轮机构的往复 摆动的间隔时间，可以很好的控制泥饼在干燥室中的移动速度，满足泥饼水分 蒸发所需的时间。
配料装置是采用星轮配给干燥总成或滑架推料机构。配料装置用于将进入 的污泥以稳定的速度平均的分布在星轮节流干燥总成的第一层星轮干燥组件 的投影面积上，配料装置可以有许多设计方案，例如许多干燥器常用的转盘式 配料装置，推板式配料装置。作为一种配料装置的星轮配给干燥总成与星轮节 流干燥总成结构近似，仅是从底部至顶部的每层星轮干燥组件的星轮机构的旋 转轴向长度依次减少。星轮配给干燥总成有以下几个优点，1、没有复杂精密 的转动部件，结构简单，安装容易;2配给速度控制简单;3、具有较佳的干燥 功能，有利于进入干燥室的原料提前成壳硬化，以利于在污泥中形成透气间隙; 4、星轮机构翻转跌落式供料对较软的污泥破损度最小。为了防止原料输送进 入配料装置速度过快，堆积物从四周溢流而下，可以采取两个方法避免，其 一是利用传感器控制堆积高度，其二是在配料装置的四周围护防溢网，为了利 用风能干燥不推荐围护防溢板，当有极少量的碎污泥溢出，可采取其它办法收 集再处理。还一种配料装置是在星轮节流干燥总成上部设有滑架推料机构，滑 架推料机构包括导轨、推板总成和流体驱动缸，一对相互平行的导轨固定在塔 身结构框架上，推板总成在导轨上可以前后滑动，流体驱动缸的活塞杆与推板 总成联结。这种配料装置结构简单，但是料堆的芯部没有脱水能力，适用较干 的湿污泥类物料。
与星轮机构相邻的风道的透气孔设有调节风量挡板和启闭调节机构。由于 处于星轮配给干燥系统的迎风面和日照面的污泥干化所需的风量与芯部和其 它部位各不同，利用挡板调节风量是必要的。
干燥能量总成的一个方案是采用风能导入结构，风能导入结构是围绕塔身 结构框架四周设有聚风轮的叶片，聚风轮的叶片连接在塔身结构框架上并对称 其铅垂中心。理论上风能导入结构利用聚风轮较大的喇叭口可以通过汇集风量 而使干燥室内的风速提高30%左右，如果聚风轮的叶片采用成本较低的薄柔性 材料，叶片的曲率随风压变化而具有更好的笼风效果。在冬季可以用聚风轮的 叶片包裹干燥塔达到保温，利用干燥气流总成的风机和辅助热源干化原料。因 为自然界的风向时刻都发生漂浮不定的变化，因为聚风轮的叶片是在水平面上 对称原点，对于风向的任何变化都能随时适应，至少保证干燥室有三个区都能 吹到。
干燥能量总成的又一个方案是采用太阳能导入结构，太阳能导入结构是在 塔身结构框架的顶部设有防雨透光板，聚风轮的叶片采用透光材料，例如高密 度聚乙烯材料，或玻璃。利用太阳能可以使干燥塔上部的星轮配给干燥系统的 原料较快硬化。本结构的特点是对早晚阳光照射角的变化都能适应。
干燥气流总成是在进风道入口加设鼓风机组成进风系统。在负荷较大时可 以利用干燥气流系统的进风强化干化物料。
干燥能量总成的又一个方案是在干燥气流总成的进风道入口前加设空气 加热器，空气加热器采用矿物转化热能系统产生的热源。在冬季或是负荷较大 时可以利用干燥气流系统的空气加热器加热进风干化污泥。
作为干燥气流系统的进一步方案，所述的干燥气流系统的引风机的排风道 出口加设除尘装置。除尘装置可以采用现有技术的湿法除尘或干法除尘，干法 除尘可以采用袋式除尘器。
作为干燥气流系统的进一步方案，干燥气流总成的风道出口加设引风机设 成排风道，组成排风系统。污泥在气候较热容易发酵产生臭气，利用引风机便 于进一步治理臭气污染。
作为干燥气流系统的进一步方案，所述的干燥气流总成的排风道出口加设 除臭装置。除臭装置可以采用现有技术的湿法生物除臭，或臭氧除臭。
作为干燥塔的进一步方案，所述的干燥塔是在配料装置和干燥渣输送总成 之间设有部分干燥渣返混装置。返混装置可以是计量输送机或搅混器。对于含 水率较高的原料极易粘接而丧失或降低透气性，通过筛选把少量较大的板状干 泥饼重新混入原料中，板状干泥饼起到架桥和接触湿泥饼吸附水分的作用加快 了干化的过程。含水率较低的污泥原料不需返混。返混比例一般在20%以下。 搅混器可以采用滚筒搅拌机。如果将计量输送准确的两种物料导送到具有搅混 功能的配料装置，例如滑架推料机构，通过滑架推料机构的推板总成的往复布 料，也可起到混合搅拌作用。
本系统的污泥干燥方法包括以下步骤：
1)将湿污泥通过原料输送装置输入配料装置，配料装置将湿污泥均匀的 撒布在星轮节流干燥总成的首层星轮干燥组件上面，空压机或液压站的压力流 体系统定时驱动星轮驱动总成，星轮驱动总成利用连索铰接盘状曲柄可使每个 星轮机构分别往复摆动，在星轮机构的星轮翻转时，污泥撒布到下一层星轮干 燥组件上;自然风进入干燥室内各层星轮干燥组件之间或星轮机构与污泥之间 的间隙中，自然风与湿污泥中的水分换热，带走该污泥蒸发出来的水分;以此 类推，污泥经过星轮节流干燥总成的每层星轮干燥组件干燥后成含水率小于 30%的干污泥，干污泥进入干燥渣输送总成中;在进入配料装置的湿污泥的含 水率低于55%时，干污泥输入到干泥储存场;如果在进入配料装置的湿污泥的 含水率高于72时，其中一部分输送到干燥渣返混装置中与进入干燥渣返混装 置的湿污泥混合，避免污泥出现“胶粘相”，再输入到配料装置中辅助湿污泥 干燥，另一部分输入到干泥储存场以备资源化利用;在自然风速小于0.5米/ 秒时，鼓风机将强风通过进风道、调节风量挡板和透气孔进入干燥室;
2)在当地风速大于5米/秒时，停止风机;
3)在当地气温小于0℃时，将万向风轮的叶片折回包裹配料装置和星轮节 流干燥总成，启动进风系统，对干燥室的星轮机构吹风;
3)在当地气温小于0℃时，将万向风轮的叶片折回包裹配料装置和星轮节 流干燥总成，启动排风系统，抽吸干燥室的星轮机构之间的空气;
4)在当地气温小于10℃时，通过进风道输入热风;
5)在污泥发生恶臭气味时，启动排风系统，引风机将干燥室空气输送到 除臭装置处理后排放;
6)需要污泥含水率进一步降低或快速降低至10%以下时，利用平底仓的 底板通入热流体介质;启动进风系统，通过进风道输入热风;
7)当背风向的干燥室某个区域的空气流速较低时，可以通过调节风量挡 板单独供风;
8)在干燥室入口出设置物料传感器，当物料堆积较高时停止给料。
在返混时，滚筒筛挑选出较大块干的板状泥饼，再利用计量装置以合适的 流量将其通过原料输送装置撒落到星轮配给干燥总成的锥形塔尖或滑架推料 机构上部湿污泥堆积的锥形塔尖上。
在采用星轮配给干燥总成时，可以用流体驱动缸通过连杆单独带动星轮配 给干燥总成的迎风面的和日照面的上下一串星轮干燥组件的星轮机构以较快 的速度往复摇摆;用流体驱动缸通过连杆带动上下几串和几组星轮配给干燥总 成的芯部的星轮机构。
迎风面的、日照面的和芯部的星轮机构往复摇摆的速度分别通过压力流体 系统的电动阀控制，使蒸发速度较快的物料以较快的速度向下移动。配套星轮 干燥污泥塔工作的系统及工艺流程见实施例，通过PLC程序控制系统，可周而 复始自动执行上述干化工作程序。
在运行中较湿的污泥恶臭浓度较大，利用干燥气流总成的引风机的风道出 口加设的除臭装置可以很好的解决这个问题;在自然能源不能满足干化要求， 利用在干燥气流总成的风道入口前加设空气加热器可以很好的解决这个问题。
污水处理厂的污泥在绝干后一般有机质占50%左右，污泥含固率在35% ～45%时，热值为4.8～6.5MJ/kg，可自持燃烧，通常后面直接接焚烧工艺。干 污泥可用作土壤改良剂、肥料、垃圾覆盖土，或作为水泥窑、发电厂和焚烧炉 燃料时，将污泥含固率提高至80%～95%，如果利用本设备可以很低的成本将污 泥含固率提高至90%，作为燃料其热值相当于标准煤的50%，由于在前期压榨 中污泥没有添加除高分子絮凝剂外任何助滤剂，例如氯化铁，在焚烧中大大减 少了对设备的腐蚀和大气环境的污染，作为性价比较高的正向热值的燃料深受 欢迎，目前市场售价可达到60元～80元/吨，该价格可以支持污泥利用本设备 将含水率从60%降至10%干化处理的大部费用。
根据经验，污泥暴露表面的水分蒸发能力为当地自由水面蒸发量的75%， 以天津北辰区为例，年均自由水面蒸发量为1777.7毫米。春季占37%;夏季 占35%;秋季占19%;冬季占9%。年日照时数2470～2900小时，全年以5月 份日照最长，总辐射量也最大。一年中7、8月平均相对湿度最大，可达80% 左右。天津年平均风速为1.9～4.3米/秒，由于受季风影响，风随季节变化明 显。冬季盛行西北风，春季多西南风，夏季盛行东南风，秋季风向多变。年最 多风向为西南风。一年中春季大风日数最多，平均风速最大，冬季次之，夏季 平均风速最小。以此数据本设备每年零碳输入运行时间可以达到200～280天， 节能减排的效果显著。如果在工艺中设置1-2个月污泥贮存设施，在恶劣的 天气贮存污泥原料，就可以实现全年输入污泥零碳热源的污泥干化处理。
在本设备中，仅星轮机构使每立方米干燥室容积的污泥静置蒸发面积最大 达到11.6M2，由于湿污泥收缩扭曲造成的空隙又使物料的蒸发面积成倍增加， 干燥室物料最大填充率可达到50%以上，根据实验污泥内水分蒸发能力是自由 水面蒸发量的75%。在天津地区四月份实际使用中，每平方米污泥蒸发面积的 的蒸发量为2kg/d，含水率60%湿污泥通过本设备干燥，不需干污泥返混，在 白天环境温度22℃，相对湿度70%，正常日照，平均风速2米/秒，污泥用四天 含水率降至25%，比较自然干化提高效率8～10倍以上。本设备的单位投资造 价低于1.5万元/吨(按含水率80%的污泥折算)，与前期压榨系统合计的单位 投资造价低于3.5万元/吨(含水率80%的污泥)。处理相同物料的现有污泥干 化技术的单位投资造价，例如喷雾干化为10万元/吨，发电混烧为8万元/吨， 生物干化为10万元/吨，其它综合干化系统为10～25万元/吨，显而易见，比 较其它的污泥干化技术，本系统节能减排，降低处理与处置的运行成本降低， 投资减少、经济与社会效益显著。
本设备在有风，或阳光下使用时不需另行输入石化热能，运行直接成本主 要是星轮机构驱动的费用，成本非常低廉。由于冬季气温较低，可以将污泥保 存在低温下，通过冷冻处理在气温转好的季节更有利于干燥处理，推荐湿泥储 存场的能力在2～3月以下。如果在冬季必须使用本设备，可采用的矿化热源为 电厂废烟气或热风炉暖风。
地球上的矿化的一次性能源是有限和不可再生的资源，而现有的污泥干化 技术往往都需要耗费大量宝贵资源，如果采取低碳技术将污泥制成燃料，且燃 料价值高于或等于制作成本，将是功在当世，利在千秋的贡献。利用风能和太 阳能作为星轮干燥污泥系统的零碳热源使我们接近了这一目标，即使时间稍长 一些和历史长河相比也极其短暂。
本发明的星轮干燥污泥系统与现有技术相比的有益效果是：
1、采用星轮机构增加污泥蒸发面积，利用返混干化的薄板状扭曲的污泥 使污泥的蒸发面积大大增加，提高了干燥效率;
2、星轮机构的制造工艺简单，单位干燥面积的造价大大降低;
3、星轮机构的安装，维护简单，更换易损件容易;
4、星轮机构没有复杂精密的转动部件，使用寿命较高，可以实现全年零 碳输入，干燥运行费大幅降低;
5、干燥塔结构简化，从而使单位处理量的金属耗量降低，比较现有技术 的干燥系统单位投资较低，性价比高，更有利于设备做的十分高大，从而实现 超大处理规模生产;
6、操作难度降低，能够适应风向和风力大小的变化，能够适应阳光照射 角度的变化，能够适应环境温度大小的变化，能够适应处理负荷急剧增加的变 化，能够适应低温和潮湿天气的变化，防雨防雷，无爆炸等产生不安全的因素， 可自动化生产。