一种污泥过热蒸汽干燥乏汽余热三重利用装置及方法技术领域
本发明涉及一种污泥干燥装置及方法，尤其是涉及一种以过热蒸汽为干燥介质、乏汽余热三重利用装置及方法。
背景技术
随着中国城镇化水平提高，城镇污水处理量加大，需安全处理的污泥量日益增大。截至2014年3月底，我国城镇累计建成污水处理厂3622座，污水处理能力约1.53亿m3/d，80%含水率的污泥产量已超过3000万t；2015年，我国年产污泥(80%含水率)总量将达到3359万t；预计到2018年，80%含水率的污泥产量将进一步突破4000万t（阮辰旼.我国污泥处理处置产业发展的方向性思考[J].净水技术，2015，34（s1）：1—3.）。污泥是一种污染治理工艺的副产品，具有含水率高、成分复杂、含有大量致命微生物等特点，且容易造成二次污染，对其进行干燥处理是实现污泥无害化、减量化和资源化利用的前提，污泥干燥后经过二次处理提高其附加值，对其进行再利用。传统污泥处理包括焚烧、填埋、堆肥等方式，焚烧因污泥含水率高经济性不好且容易产生二噁英等物质，填埋占用土地且容易造成二次污染，污泥中含有重金属不宜直接用于堆肥。
干燥是一种高能耗的操作，传统干燥通常采用热风作为干燥介质，存在氧化分解、着火、爆炸及能耗高等缺点。过热蒸汽干燥作为一种新型干燥方式，它是指利用过热蒸汽直接与物料接触而去除水分的操作。过热蒸汽具有比热容大、传热传质系数大且潜热大等优点，故以过热蒸汽为干燥介质进行干燥所需质量流量小、速度快、时间短，具有显著的节能效果。过热蒸汽干燥尾气全部为蒸汽，具有大量的潜热，因此过热蒸汽能否实现节能的关键是如何经济地利用干燥过程产生的多余乏汽。根据文献资料（张绪坤，孙瑞晨，王学成等.污泥过热蒸汽薄层干燥特性及干燥模型构建[J].农业工程学报，2014，30（14）：258—266.）可知，过热蒸汽干燥初始阶段存在冷凝特性，该特性对于干燥过程是负面的，因为蒸汽凝结使物料的含水率增加，延长整个干燥过程的时间。由文献中图5即污泥过热蒸汽干燥初始阶段干燥曲线可知，污泥在160～280℃过热蒸汽干燥条件下，初始凝结时间在40～15s不等，这就使得整个干燥过程时间增加，污泥含水率增大，从而增加了系统能耗。
通常脱水污泥的含水率高达80%左右，若将1吨的含水80%的污泥干燥至含水20%，将产生0.75吨的高温乏汽。如果能利用高温乏汽余热对物料进行预热和多重利用，一方面实现了节能，另一方面缩短了干燥时间，提高了干燥效率，进一步实现了节能。除此之外，当蒸汽由气相变成液相时会释放大量的潜热，在蒸汽冷凝成水之后液态水温度较高，如果能够回收其显热将可以大幅度降低能耗。
目前污泥过热蒸汽干燥乏汽余热利用装置及方法如下：
中国专利CN201530772U公开了一种双级桨叶干燥机污泥过热蒸汽干化系统，该系统对污泥干燥后进行焚烧，焚烧产生的蒸汽作为整个干燥的热源，二级桨叶干燥机产生的多余蒸汽用于一级桨叶干燥机进行干燥，采用间接换热的方式对蒸汽循环利用，高效节能，最后对废弃物进行处理，实现了物料零排放、零污染。然而，一级桨叶干燥机产生的蒸汽经处理后简单用于污泥焚烧未能用于其他干燥过程且污泥未能再利用。
中国专利CN1686876A公开了一种污泥的过热蒸汽干燥方法及其干燥装置，通过利用污泥干燥产生的尾气与水或者氟利昂、甲醇等液态物质进行换热，换热后的水经加热后用于污泥干燥，而换热后的尾气变成温度约为100℃的饱和汽水混合物，将高温的饱和汽水混合物处理后直接排放浪费了大量能量。
中国专利CN101823830A公开了一种过热蒸汽闭路循环的污泥干燥装置和干燥方法，将干燥过程中产生的尾气一部分用于预干燥一部分用于内循环，降低了干燥能耗。但是，该装置并未对预干燥过程产生的尾气进行再利用，也未对冷凝水的显热进行回收。
中国专利CN102260033A和CN102276131A同时公开了一种污泥二次蒸汽压缩干燥方法，干燥过程中污泥与油按比例混合，通过对二次蒸汽进行压缩提高其品位，由于二次蒸汽中存在不凝性气体且受压缩机效率影响，整个压缩过程能量损失较大，导致能耗较高；干燥过程油与污泥混合，虽然干燥后对两者进行分离，但难以对两者彻底分离，进而影响了污泥的再利用。
中国专利CN101822933A公开的是可重复利用的过热蒸汽干燥方法及装置，利用能量多级利用的思想，第一级系统采用压力过热蒸汽干燥，其产生的尾气用于后一级干燥系统使用，依次类推。随着级数的增加，干燥系统越来越复杂，设备投资成本增加，且级数越大温差逐渐减小干燥效果越差，采用压力过热蒸汽对系统安全性要求较高。
现有污泥过热蒸汽乏汽余热利用方法和装置难以对乏汽显热和潜热同时进行充分回收利用。其中，现有技术大多无法回收过热蒸汽冷凝水的显热。通过蒸汽压缩提高乏汽品位的方法受压缩机效率、乏汽纯度等外界因素影响较大，总体热效率不高。除此之外，干燥后的污泥大多采用传统污泥处理方法进行处理，难以对污泥进行再利用。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种污泥过热蒸汽干燥乏汽余热三重利用装置及方法，一方面它可以对污泥过热蒸汽干燥产生的乏汽显热和潜热同时回收利用，防止产生冷凝，提高干燥效率，高效节能；另一方面可以对干燥后的污泥成型，成型后的污泥在烘干后可以用于制备园林、公路绿化颗粒肥料，实现污泥资源化再利用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种污泥过热蒸汽干燥乏汽余热三重利用装置，包括蒸汽发生器、无轴螺旋加料器、气阀、加热器、双轴搅拌干燥机、污泥颗粒成型机、网带干燥机、尾气洗涤塔、旋风分离器（A、B）、风机（A、B）、换热器（A、B）和污水处理系统，其特征在于：所述无轴螺旋加料器外层有一夹套，夹套设置有夹套进汽口、夹套出汽口和冷凝水出口，无轴螺旋加料器设置有排汽口；无轴螺旋加料器出料口、旋风分离器B出料口同时与双轴搅拌干燥机进料口相连，双轴搅拌干燥机出料口、旋风分离器A出料口同时与污泥颗粒成型机进料口连接，污泥颗粒成型机出料口与网带干燥机进料口相连，无轴螺旋加料器、双轴搅拌干燥机、污泥颗粒成型机、网带干燥机形成物流通道。
进一步的，所述加热器出口通过管路与双轴搅拌干燥机蒸汽进口连接，双轴搅拌干燥机排汽口与旋风分离器A进口相连接，旋风分离器A出汽口通过管路与风机A进口连接，风机A出口通过管路分成两路，一路通过气阀A后与无轴螺旋加料器夹套进汽口相连接，另一路通过气阀B后与加热器进口相连，加热器、双轴搅拌干燥机、旋风分离器A、风机A和气阀B形成内循环气流通道。
进一步的，所述无轴螺旋加料器排汽口和夹套出汽口通过管路同时与旋风分离器B进口相连接，旋风分离器B出汽口通过管路与换热器B热流介质进口连接，换热器B热流介质出口通过管路与尾气洗涤塔尾气进口连接，无轴螺旋加料器、旋风分离器B、换热器B、尾气洗涤塔形成外气流通道。
进一步的，所述无轴螺旋加料器冷凝水出口通过管路与换热器A热流介质进口连接，换热器A热流介质出口与污水处理系统进口相连，污水处理系统一出口与换热器A冷流介质进口相连，另一出口通向周围环境，换热器A冷流介质出口通过管路与蒸汽发生器进口相连，蒸汽发生器出口通过管路连接到气阀C，形成冷凝水循环利用通道。经过气阀C后的管路与经过气阀B后的管路汇合并与加热器进口相连。
进一步的，所述换热器B冷流介质出口与风机B进口相连，风机B出口与网带干燥机进风口相连，换热器B、风机、网带干燥机形成组合干燥。
进一步的，所述的网带干燥机出风口与尾气洗涤塔尾气进口连接。
一种污泥过热蒸汽干燥乏汽余热三重利用装置的污泥过热蒸汽干燥乏汽余热三重利用方法，将污泥过热蒸汽干燥过程产生的乏汽余热实现梯级多次利用。其特征在于：
（1）将污泥双轴搅拌干燥机产生的高温乏汽通入无轴螺旋加料器对污泥进行预热处理，避免污泥进入双轴搅拌干燥机产生凝结现象，实现高温乏汽余热第一次利用；
（2）将经过无轴螺旋加料器的乏汽在汽-气换热器中进一步换热利用，加热空气作为污泥双轴搅拌干燥机干燥后成型颗粒污泥干燥的热源，实现乏汽余热的第二次利用；
（3）将无轴螺旋加料器中的冷凝水在水-水换热器中进一步换热利用，用于加热经过污水处理系统处理过后的水，加热后的水用于蒸汽发生器产生蒸汽，回收乏汽（变成冷凝水）显热，间接实现乏汽余热的第三次利用；
（4）将汽-气换热器与颗粒污泥干燥过程产生的尾气通入尾气洗涤塔，实现干燥过程无污染排放。
本发明的有益效果是：
1.污泥干燥以过热蒸汽为干燥介质，避免了在高温条件下热风干燥出现的氧化、分解、燃烧和爆炸等危险，过热蒸汽传热传质系数大、比热容大，所需质量流量小，干燥效率高，高效节能。
2.双轴搅拌干燥机干燥产生的乏汽通过旋风分离器A除尘分离后由风机A将一部分乏汽返回到双轴搅拌干燥机，经过加热后的乏汽重新用于干燥，实现了蒸汽的循环利用；剩余部分乏汽抽送到无轴螺旋加料器夹套中给污泥原料预热，有效地防止了干燥初期产生冷凝。
3.无轴螺旋加料器预热产生的冷凝水经过换热器A换热，用于加热经过污水处理系统处理后的污水，加热后的水用于产生蒸汽，整个过程对冷凝水的显热进行了回收，实现了水的循环利用，降低了产生蒸汽的能耗。
4.经双轴搅拌干燥机干燥后的低含水率污泥进入到污泥颗粒成型机对污泥成型，成型的污泥经过烘干后可用于制备园林、公路绿化颗粒肥料，实现了污泥的无害化、减量化和资源化，提高了污泥的附加值，具有可持续发展的特点。
5.无轴螺旋加料机预热产生的蒸汽和不凝性气体经过旋风分离器B除尘分离后进入换热器中，冷空气与高温气体换热后通入网带干燥机，网带干燥机对成型后的污泥颗粒进行烘干，有效防止了污泥在成型过程中产生冷凝而使其含水率增加的问题。
6.整个干燥装置实现了乏汽余热三次利用，大大降低了能耗，高效节能。干燥过程中产生的“废水”进入污水处理系统处理，一部分用于循环利用，一部分排入周围环境；“废气”经过尾气洗涤塔处理后排放，实现了零污染。
附图说明
图1是本发明的干燥装置结构示意图。
其中，1.蒸汽发生器，2.无轴螺旋加料器，2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6分别为无轴螺旋加料器的进料口、夹套进汽口、冷凝水出口、出料口、排汽口、夹套出汽口，3A、3B、3C为气阀，4.加热器，5.双轴搅拌干燥机，5-1、5-2、5-3、5-4分别为双轴搅拌干燥机的进料口、蒸汽进口、出料口、排汽口，6.污泥颗粒成型机，7.网带干燥机，7-1、7-2、7-3、7-4分别为网带干燥机的进料口、进风口、出料口、出风口，8.尾气洗涤塔，9A、9B为旋风分离器，10A、10B为风机，11A、11B为换热器，12.污水处理系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种污泥过热蒸汽干燥乏汽余热三重利用装置，包括蒸汽发生器1、无轴螺旋加料器2、气阀（3A、3B、3C）、加热器4、双轴搅拌干燥机5、污泥颗粒成型机6、网带干燥机7、尾气洗涤塔8、旋风分离器(9A、9B)、风机(10A、10B)、换热器（11A、11B）和污水处理系统12。无轴螺旋加料器2设置有进料口2-1、出料口2-4、排汽口2-5，无轴螺旋加料器2外层有一夹套，夹套设置有夹套进汽口2-2、冷凝水出口2-3和夹套出汽口2-6；无轴螺旋加料器2出料口2-4、旋风分离器9B出料口同时与双轴搅拌干燥机5进料口5-1相连，双轴搅拌干燥机5出料口5-3、旋风分离器9A出料口同时与污泥颗粒成型机6进料口连接，污泥颗粒成型机6出料口与网带干燥机7进料口7-1相连，无轴螺旋加料器2、双轴搅拌干燥机5、污泥颗粒成型机6、网带干燥机7依次连接形成物流通道；双轴搅拌干燥机5出汽口5-4与旋风分离器9A进口相连接，旋风分离器9A出汽口通过管路与风机10A进口连接，风机10A出口通过管路分成两路，一路通过气阀3A与无轴螺旋加料器2夹套进汽口2-2相连，另一路通过气阀3B与加热器4进口相连接，加热器4、双轴搅拌干燥机5、旋风分离器9A和风机10A依次连接形成内循环气流通道；无轴螺旋加料器2排汽口2-5和夹套出汽口2-6通过管路同时与旋风分离器9B进口相连接，旋风分离器9B出汽口通过管路与换热器11B热流介质进口连接，换热器11B热流介质出口通过管路与尾气洗涤塔8进口连接，形成外气流通道；无轴螺旋加料器2冷凝水2-3出口通过管路与换热器11A热流介质进口连接，换热器11A热流介质出口与污水处理系统12进口相连，污水处理系统12一出口与换热器11A冷流介质进口相连，另一出口通向周围环境，换热器11A冷流介质出口通过管路与蒸汽发生器1进口相连，蒸汽发生器1出口通过管路连接到气阀3C，形成冷凝水循环利用通道；经过气阀3C后的管路与经过气阀3B后的管路汇合并与加热器4进口相连；换热器11B冷流介质出口通过管路与网带干燥机7的进风口7-2连接，网带干燥机7出风口7-4与尾气洗涤塔8进口相连，换热器11B、风机10B、网带干燥机7形成组合干燥。
污泥过热蒸汽干燥乏汽余热三重利用方法是将污泥过热蒸汽干燥过程产生的乏汽余热实现梯级多次利用。首先，将污泥双轴搅拌干燥机5产生的高温乏汽通入无轴螺旋加料器2对污泥进行预热处理，避免污泥进入双轴搅拌干燥机5产生凝结现象，实现高温乏汽余热第一次利用；其次，将经过无轴螺旋加料器2的乏汽在汽-气换热器11B中进一步换热利用，加热空气作为污泥双轴搅拌干燥机5干燥后成型颗粒污泥干燥的热源，实现乏汽余热的第二次利用；再次，将无轴螺旋加料器2中的冷凝水在水-水换热器11A中进一步换热利用，用于加热经过污水处理系统12处理过后的水，加热后的水用于蒸汽发生器1产生蒸汽，回收乏汽（变成冷凝水）显热，间接实现乏汽余热的第三次利用；最后，将汽-气换热器11B与颗粒污泥干燥过程产生的尾气通入尾气洗涤塔8，实现干燥过程无污染排放。
工作时，预先向蒸汽发生器加入适量水，产生蒸汽。打开气阀3A、3C，向系统通入蒸汽，对系统进行预热。系统预热后，开启加热器4对蒸汽进行加热，蒸汽加热后变成过热蒸汽，当温度达到设定温度后将污泥原料从无轴螺旋加料机2进料口2-1加入，无轴螺旋加料器2夹套中的蒸汽对污泥进行预热，防止污泥在干燥初期发生冷凝而使得含水率增加，导致干燥时间延长，预热后的污泥从无轴螺旋加料机2出料口2-4经过双轴搅拌干燥机5进料口5-1进入双轴搅拌干燥机5。
污泥在双轴搅拌干燥机5的搅拌和过热蒸汽高温加热下水分逐渐蒸发去除，产生大量蒸汽，干燥后的污泥从双轴搅拌干燥机5出料口5-3进入污泥颗粒成型机6中。蒸汽从双轴搅拌干燥机5排汽口5-4进入旋风分离器9A中，经过除尘分离后，蒸汽在风机10A的引导后分成两路，此时打开气阀3B，关闭气阀3C，一部分蒸汽进入双轴搅拌干燥机5中进行循环干燥，后期无需通入新的过热蒸汽，多余的蒸汽经过气阀3A通入无轴螺旋加料机2中，对污泥原料进行预热，实现了乏汽余热的第一次利用。此时从旋风分离器9A中分离出的固体进入到污泥颗粒成型机6中。
无轴螺旋加料机2中的蒸汽对污泥预热后，可凝性气体冷凝成水，不凝性气体从夹套出汽口2-6排出进入旋风分离器9B中。此时，预热后的污泥部分水分蒸发，蒸汽从无轴螺旋加料机2排汽口2-5进入旋风分离器9B中，经过除尘分离的气体进入换热器11B中，从旋风分离器9B中分离出的固体进入到双轴搅拌干燥机5中，预热过程产生的冷凝水从冷凝水出口2-3排出进入换热器11A中，与预先加入的冷水（室温）换热后进入污水处理系统12中，经过污水处理系统12处理后的冷凝水接近室温，一部分用于后期回收冷凝水的显热，最后进入蒸汽发生器1产生蒸汽，蒸汽用于下次干燥过程，多余部分水排到周围环境中。该过程对冷凝水的显热进行了回收，实现了水的循环利用，降低了产生蒸汽的能耗。
预热污泥产生的多余蒸汽及不凝性气体经过换热器11B换热后温度降低，可凝性气体冷凝成水，不凝性气体通入尾气洗涤塔8，经过处理后排空；同时，网带干燥机7产生的尾气进入尾气洗涤塔8，经过处理后排空。整个过程实现了“尾气”无污染排放。
经过污泥颗粒成型机6成型的污泥颗粒温度降低，遇到冷空气时容易产生冷凝。利用换热器11B对预热污泥产生的多余蒸汽与空气进行热交换，换热后的冷空气温度升高，热空气在风机10B的引导下通入网带干燥机7对成型的污泥颗粒烘干，防止产生冷凝导致其含水率增加。经过烘干的污泥颗粒可以用于制备园林、公路绿化肥料，不仅实现了污泥无害化、减量化，也实现了污泥的资源化再利用，走可持续发展道路。
整个装置实现了污泥过热蒸汽干燥乏汽余热三次利用。干燥过程通过对乏汽显热和潜热同时回收，防止干燥过程中产生冷凝，缩短了干燥时间；干燥过程中只需在初始阶段通入过热蒸汽，后期蒸汽循环使用，减少了热源的输入，降低了能耗；与传统污泥处理方法不同，经该装置处理后的污泥可作为制备园林、公路绿化肥料的原料，实现了污泥资源化再利用；干燥中产生的废水一部分进行循环利用，一部分排放到周围环境，废气经过处理后排放，实现了零污染。