一种使用载球来辅助干燥的含水固体物料干燥装置及干燥方法
【专利摘要】本发明涉及一种使用载球来辅助干燥的含水固体物料干燥装置，其包括：搅拌混合器7，其用于将含水固体物料与载球搅拌在一起，其上设有含水固体物料的进料口12；螺旋输送干燥器14，其包括封闭式外壳1和置于该外壳内的螺旋输送叶片2，该螺旋输送叶片能在主轴3的带动下旋转，且该螺旋输送叶片2与所述封闭式外壳1之间构成螺旋通道17，该螺旋通道的两端分别设有干空气入口5、湿空气出口6、含水固体物料入口15和干燥固体物料出口16；所述含水固体物料入口15与所述搅拌混合器7的出口相连；载球11，其数目为多个。本发明还涉及使用该干燥装置来干燥含水物料的方法。
【专利说明】一种使用载球来辅助干燥的含水固体物料干燥装置及干燥方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于干燥设备和干燥方法领域。
【背景技术】
[0002]对含水物料(又称湿物料或待干燥物料)进行干燥的方法一般来说有二种。一是强制蒸发，即在常压下将物料温度加热到100C，水分从液态转为气态，该相变过程消耗大量能量，其描述参数为气化潜热，在一个大气压(0.1MPa)下，100°C时的水的汽化潜热为2257.2kJ/kg，相比之下水的比热容为4.2kJ/kg，换句话说，水分气化消耗的能量是相同水量从OC升高到100C所需能量的5倍多。这是造成强制蒸发高能耗的主要原因，强制蒸发的典型代表是将水烧开直至烧干。
[0003]第二种方法为自然蒸发，也称为风干，即在低于水的常压沸点(S卩IO(TC)的温度下，使空气流过含水物料，由于物料含水率高于空气中的含水率，按照扩散定律，水自然从浓度高处向浓度低处扩散，物料中的水分缓慢向空气中扩散并逐步干燥，典型代表是湿衣服的晾干。
[0004]强制蒸发的优点是设备简单且干燥迅速，其缺点是能耗大；自然蒸发的优点是:由于避免了气化潜热，所以干燥过程的能耗很低，其缺点是干燥缓慢且设备复杂。
[0005]可见，在低能耗和迅速干燥之间，存在着矛盾。
[0006]中国专利《螺旋流型热风干燥器》(申请号02149402)公开了一种热风干燥+螺旋输送的技术路线，但该专利使用螺旋叶片直接输送待干燥物料，但具有一些操作上的缺点:第一，干燥后的物料容易板结在螺旋叶片的表面，不易脱离；第二，厚实的待干燥物料不能被翻动，造成其内部难以迅速干燥。
[0007]因此，本领域需要一种能低能耗且迅速高效的干燥装置和干燥方法。
[0008]上述目标通过本发明的装置和方法实现。
[0009]发明概述
[0010]本发明的第一方面提供了一种使用载球来辅助干燥的含水固体物料干燥装置，其包括以下构件:
[0011]搅拌混合器7，其用于将含水固体物料与载球搅拌在一起，其上设有含水固体物料的进料口 12 ；
[0012]螺旋输送干燥器14,其包括封闭式外壳I和置于该外壳内的螺旋输送叶片2,该螺旋输送叶片能在主轴3的带动下旋转，且该螺旋输送叶片2与所述封闭式外壳I之间构成螺旋通道17，该螺旋通道的两端分别设有干空气入口 5、湿空气出口 6、含水固体物料入口15和干燥固体物料出口 16 ;所述含水固体物料入口 15与所述搅拌混合器7的出口相连；
[0013]载球11，其数目为多个，其在工作状态下与所述含水固体物料混合并存在于所述搅拌混合器和/或所述螺旋气流通道中。
[0014]本发明的第二方面涉及一种含水固体物料干燥方法，其包括以下步骤:[0015]在搅拌混合器中将含水固体物料与多个载球搅拌在一起，使得每一载球表面粘载有一部分该含水固体物料；然后，
[0016]将上述含水固体物料与载球的混合物送入螺旋输送干燥器中，并在该螺旋输送干燥器的封闭式外壳与其内的螺旋输送叶片之间的螺旋通道中螺旋运动，同时，向该螺旋通道中通入空气，该空气以与含水固体物料逆流或并流的方式对该含水固体物料进行风干。
[0017]附图简述
[0018]图1是本发明的使用载球来辅助干燥的含水固体物料干燥装置的示意图。
[0019]图2是本发明中使用的载球的各种可能的形状示意图。
[0020]图3是本发明的干燥装置作为免冲水厕所时的结构示意图。
[0021]其中各附图标记含义如下:
[0022]1、外壳；2、螺旋输送叶片；3、主轴；4、旋转驱动装置(电机及减速器)；5、干空气入口 ；6、湿空气出口 ；7、搅拌混合器；8、筛分设备；9、载球返回通道；10、干燥固体物料容器；
11、载球；12、进料口 ；13、湿空气后处理装置；14、螺旋输送干燥器；15、含水固体物料入口 ；16、干燥固体物料出口； 17、螺旋通道。
[0023]发明详述
[0024]本发明第一方面涉及一种使用载球来辅助干燥的含水固体物料干燥装置，下面结合附图对其所包括的构件进行详细介绍。
[0025]本发明的装置中，搅拌混合器7用于将含水固体物料与载球进行混合，其上一般设有含水固体物料的进料口 12。该搅拌混合器可以为带有搅拌桨的搅拌混合器，则含水固体物料与载球进行混合后从搅拌混合器底部的出口排出。该搅拌混合器也可以常规的螺旋输送机，含水固体物料与载球在螺旋叶片的作用下一边搅拌一边被输送，并从侧面的出口排出。优选地，该搅拌混合器为常规的螺旋输送机。本发明中，所述含水固体物料可以是任何含水的固体物料，例如人畜粪便、污泥、厨余垃圾、等等。
[0026]本发明的装置中，螺旋输送干燥器以附图标记14来整体性地表示，其包括封闭式外壳I和置于该外壳内的螺旋输送叶片2，该螺旋输送叶片能在主轴3的带动下旋转，且该螺旋输送叶片2与所述封闭式外壳I之间构成螺旋通道17，该螺旋通道的两端分别设有干空气入口 5、湿空气出口 6、含水固体物料入口 15和干燥固体物料出口 16 ;所述含水固体物料入口 15与所述搅拌混合器7的出口相连。其中主轴3在旋转驱动装置例如电机和减速器的驱动下旋转，并带动螺旋输送叶片2旋转。该螺旋输送叶片的直径与外壳的内径尽可能接近，以便减少叶片外缘与外壳内壁之间的缝隙。这样做的好处是使得固体物料不致于从上一叶片边缘散落至下一叶片，防止固体物料返混，且能使得空气在螺旋通道内的流径尽可能长，减少气体短路，使空气与固体物料之间的接触尽可能充分。
[0027]本发明的装置中，使用众多载球来辅助干燥，该载球在工作状态下与所述含水固体物料混合并存在于所述搅拌混合器和/或所述螺旋气流通道中。所述载球的表面或者光滑，或者具有多个凹坑或多个突起，或者所述载球具有中空结构。图2中示出了几种可能的载球的形状，但载球还可以采用其他形状。其中，图2a为普通实心球；图2b为球表面带有众多突起物的实心球；图2c为球表面带有众多凹坑的实心球；图2d为带有众多开口的空心球，其内充满允许气流流过的多孔材料；图2e为带有众多开口的空心球，其内充满能够吸收保持水分的密实材料；图2f为带有众多开口的空心球；图2g为带有众多开口的外部空心球，其内部具有若干个内部实心球；图2h为带有众多开口的外部空心球，其内具有一个由密实材料制成的内部实心球；其中图2c至图2h中左图为立体视图，右图为截面视图。所述载球优选为球形，因为球形的载球便于流动和输送。但当载球直径较小时，此时称其为“颗粒”也许更合适，其也可为其他形状，例如不规则的形状。对载球的具体形状没有特别的限制，只要其便于流动和输送即可。载球的作用是与含水固体物料充分混合，并在其表面上粘载一部分含水固体物料，使得含水固体物料与空气接触的表面积大大增加。对载球的材质也没有特殊要求，其可以为塑料球、金属球、陶瓷球、石球，等等，或其混合物。在优选实施方案中，载球的材质密度最好大于水的密度，这样，当含水固体物料过稀时，载球不致于因浮在稀物料上方而使其承载能力下降。载球可以为刚性球或为弹性球。
[0028]在本发明的干燥装置的优选实施方案中，其还包括筛分设备8，该筛分设备8位于所述螺旋输送干燥器14的干燥固体物料出口 16的下游，用于将载球与干燥后的干燥固体物料筛分分尚。优选地，该筛分设备为振动筛。
[0029]在本发明的干燥装置的优选实施方案中，其还包括:载球返回管道9，该载球返回管道9的两端分别连接至筛分设备8和搅拌混合器7，用于将筛分后的载球返回到所述搅拌混合器7中。
[0030]在本发明的干燥装置的优选实施方案中，其还包括干燥固体物料容器10，该干燥固体物料容器10用于存储筛分后的干燥固体物料，并任选地通过高温来杀灭干燥固体物料中的微生物。该闻温可以设直为100 C以上，也可设定为120 C以上，以提闻微生物杀灭效率。该高温可以用电加热或者太阳能集热管来维持，优选用太阳能集热管，因为这样更节倉泛。
[0031]在本发明的干燥装置中，其中所述干空气入口 5、湿空气出口 6、含水固体物料入口 15和干燥固体物料出口 16的布置方式使得所述空气与所述固体物料在所述螺旋通道17内的流动方向为逆流或并流，优选为逆流，因为逆流干燥效率更高。本发明中，干空气和湿空气是相对的概念，将未与本发明的含水固体物料接触过的湿度相对低的空气称为干空气，将与本发明的含水固体物料接触过并且湿度有所增加的空气称为湿空气。湿空气也可以具有一系列的湿度，例如，与含水固体物料接触时间越长，则湿空气湿度越高。
[0032]在本发明的干燥装置的优选实施方案中，其还包括:设置在所述干空气入口 5处或所述湿空气出口 6处的风扇(图1中未示出)，用于向螺旋通道内鼓风或引风。该风扇可以以太阳能电池作为驱动力。在炎热的夏季或热带亚热带地区，由于室外温度很高，户外空气就是很好的干空气来源。当然，风扇也可以用其他设备来代替，例如可以将上述干空气入口与烟道气管道连接，利用工业或民用烟道气来做所述干空气也是可行的选择。
[0033]在本发明的干燥装置的优选实施方案中，其还包括分别设置在所述干空气入口 5和所述湿空气出口 6处的湿度计；和/或，其还包括设置在所述湿空气出口 6处的湿空气后处理装置13，该湿空气后处理装置13选自紫外线消毒灯或脱臭过滤器。其中，设置湿度计的作用是便于监测湿度，并可以据此调整干空气的进入量或者主轴的转速，以达到合意的物料干燥程度和干燥时间。其中湿空气后处理装置用于对湿空气进行必要的后处理，例如采用紫外线消毒灯对湿空气进行消毒，或采用脱臭过滤器对湿空气进行脱臭，以满足环境排放的要求。
[0034]在本发明的干燥装置的优选实施方案中，所述螺旋输送干燥器的外壳外面可包有保温材料。
[0035]本发明的第二方面涉及一种含水固体物料干燥方法，该方法中所使用的装置如上文所述。下面对该方法所包括的各步骤进行详细介绍。
[0036]首先，在搅拌混合器中将含水固体物料与多个载球搅拌在一起，使得每一载球表面粘载有一部分该含水固体物料。其中搅拌混合器、载球等设备如上文中所述；然后，
[0037]将上述含水固体物料与载球的混合物送入螺旋输送干燥器中，并在该螺旋输送干燥器的封闭式外壳与其内的螺旋输送叶片之间的螺旋通道中螺旋运动，同时，向该螺旋通道中通入空气，该空气以与含水固体物料逆流或并流的方式对该含水固体物料进行风干。其中，在螺旋通道中，物料一部分被均勻分布在螺旋输送叶片上，一部分粘载在众多载球上，一部分粘载外壳的内壁上，其与空气的接触面积将大大增加。从干空气入口吹入的空气，则沿着螺旋通道盘旋流动，吹过载球、外壳的内壁及螺旋输送叶片，带走分布在其上的含水固体物料中的水分，同时干空气的湿度逐渐增加并最终从湿空气出口排出，这也实现了对干空气的充分利用。以上两点，极大地提高了风干效率。此外，随着物料逐步干燥，其与螺旋输送叶片表面、内壁以及载球表面的附着力逐渐降低，随着后续的载球的碾压摩擦，干燥固体物料与叶片表面，内壁及载球表面逐渐分离，越接近物料出口，脱落的物料越多，形成载球与脱离的干燥物料混合物，并实现了螺旋输送叶片、载球和外壳内壁的自清洁。
[0038]在本发明的方法的优选实施方案中，该干燥方法还包括对离开螺旋输送干燥器的载球和干燥后的固体物料进行筛分的步骤。该筛分过程可以使用任何筛分设施来进行，例如传统的筛网。优选振动筛，其可在电机驱动下有规律振动，尤其适宜工业上使用。并任选地将筛分后的干燥固体物料收集在干燥固体物料容器中并用高温来杀灭其中的微生物。该高温可以设置为100°c以上，也可设定为120°C以上，以提高微生物杀灭效率。该高温可以用电加热或者太阳能集热管来维持，优选用太阳能集热管，因为这样更节能。
[0039]在本发明的方法的优选实施方案中，该干燥方法还包括将筛分后的载球返回至所述搅拌混合器中；这可以实现载球的循环利用。
[0040]在本发明的方法的优选实施方案中，该干燥方法还包括用设置在所述干空气入口5处或所述湿空气出口 6处的风扇用于向螺旋通道内鼓风或引风，由此来提供干空气。或者，也可以将工业和民用烟道气用作所述干空气，因烟道气温度更高，其干燥效果更佳，且可以截留烟道气中的颗粒物，对烟道气也能起到一定的净化效果。
[0041]本发明的优点如下:
[0042]1、使用了螺旋输送干燥器与载球的组合，含水固体物料与空气的接触面积大大增力口，且干空气得到了最充分的利用，故干燥效率高。
[0043]2、本发明尤其适合粘稠型含水固体物料的干燥。粘稠物料因其水分含量低、可输送和可翻动性差、与空气接触面积小、易于与器壁粘附并在干燥过程中板结成块的特点，其干燥一直是个难题，本发明用载球作为粘稠物料的输送载体，并在输送过程中将其摊开在螺旋输送叶片、外壳内壁和载球本身上，解决了其输送和翻动问题，也有效地增大了其与空气的表面积，提高了其干燥效率。干燥后粘在叶片、外壳内壁和载球上的干燥物料，在载球的碾磨和摩擦下，也很容易脱落并以粉末形式随载球输送，解决了粘稠物料在器壁上板结成块的问题，并使得本发明的装置具有自清洁能力。
[0044]3、能够同时实现低能耗与迅速干燥，这也是传统干燥设备和干燥方法难以兼得的。本发明中，只需要用很少量的电能来推动主轴旋转，并在优选实施方案中驱动风扇或驱动振动筛，即可提供自然风干效果，避免了强制蒸发造成的高能耗。而且，上述电能也可以通过室外的太阳能电池板来提供，这进一步减少了对电网供电的依赖。
[0045]4、当本发明的干燥装置用作厕所时，可以实现真正意义上的免冲水，或者大大节省冲水量。因为有载球将起到冲水的作用，将粪便带走，并进行后续的干燥。免冲水这一点使得本发明的干燥装置可在没有供水管线的地区或者缺水地区例如偏远农村或牧区独立使用，这将极大地改善农村地区的卫生条件。如果再使用太阳能电池板作为供电来源的话，则本发明的装置作为厕所时，可以完全脱落对于供水管线和供电电网的依赖而独立运行。此外，干燥后的粪便，经过高温杀灭微生物后，可以实现100%消毒，能作为有机肥料来使用。
【具体实施方式】
[0046]实施例
[0047]实施例1.新型免冲水厕所
[0048]本发明的初衷是达到比尔及梅琳达盖茨基金会“创造下一代卫生设施”及“重新发明马桶计划”的要求，设计一种能够“能脱离供水管线运行，确实杀灭病原体；资源可回收利用；价格低廉易推广”的“下一代厕所”。该实施例中的新型厕所参见图3。其中的附图标记与图1中的附图标记含义一致。在该实施例中，含水固体物料为粪便，进料口为坐便器或蹲便器。其中粪便是指大便和/或小便。所述粪便不仅限于人的粪便，也可以是动物粪便，例如来自禽畜养殖场的动物粪便。
[0049]该新型厕所工作流程是:
[0050]I) 一组载球11与粪便/尿液混合物在搅拌器7 (其为螺旋输送机)中进行搅拌混合，使得每个载球都携带少量粪便/尿液，然后被送入螺旋输送干燥器14 ；
[0051]2)旋转驱动装置4驱动主轴3旋转并带动螺旋输送叶片2旋转，导致载球及携带的粪便在螺旋叶片2上滚动或者滑动并沿着轴向上升，同时将其携带的一部分粘稠粪便涂覆在叶片螺旋2上及外壳I的内壁上；
[0052]3)干空气从入口 5进入，沿着螺旋通道17盘旋流动，吹过载球及外壳内壁及螺旋输送叶片，带走粪便和尿液中的水分，干空气的湿度逐渐增加并最终从湿空气出口 6排出，并进入紫外线消毒段(该段未示出)，经过消毒的湿空气最终排放在大气中；
[0053]4)随着粪便逐步干燥，其与螺旋输送叶片表面、外壳内壁以及载球表面的附着力逐渐降低，在后续来球的碾压摩擦作用下，干燥粪便与叶片表面，内壁及球表面逐渐分离，越接近物料出口，脱落的粪便越多，最后形成球与脱离的干燥粪便混合物；
[0054]5)载球与干燥粪便的混合物进入筛分设备8，干净的载球沿载球返回通道9返回到搅拌混合器7，再次加入循环；而干燥粪便粉末通过筛网漏入承接容器10，进一步，加热并保温一端时间，以确实杀灭病原体、细菌和寄生虫卵等微生物，此时干燥的粪便成为良好的有机肥料。
[0055]实施例2.厨余垃圾处理装置
[0056]厨房剩余垃圾是生活垃圾中难以处理的一部分，其有机物含量高，滋生细菌，产生异味，混杂在其他可回收利用的废弃物中，增加了后续分选和处理的难度。[0057]利用本发明的应用实例1，并将其中的进料口 12连接到一个粉碎机，将厨余垃圾-剩饭剩菜等经粉碎后作为待干燥的含水固体物料与载球进行混合，其余处理步骤与实施例I相同，则可以将厨余垃圾干燥后转换为经过消毒的有机肥料。
[0058]实施例3.其余含水固体物料的处理
[0059]显然，待干燥的含水固体物料不仅限于粪便和厨余垃圾，其还可以为养殖场禽畜废弃物、污水处理池的淤泥、湖泊污泥、食品发酵行业的废渣、中药材提取有效成分后的废渣，等等，均可利用本发明的装置和方法进行处理。
[0060]实施例4.蒸馏水制备
[0061]当待干燥的含水固体物料相对干净(即基本不含致病性微生物)且水含量很高时，可以在湿空气出口处增设一个水蒸气冷凝器，将湿空气中的水蒸气冷凝成蒸馏水，供人们使用。如果将海水或盐湖水看作是一种特殊的含水固体物料的话，则本发明的装置也可以算作是一种低能耗的海水淡化装置。
【权利要求】
1.一种使用载球来辅助干燥的含水固体物料干燥装置，其包括以下构件: 搅拌混合器(7)，其用于将含水固体物料与载球搅拌在一起，其上设有含水固体物料的进料口(12)； 螺旋输送干燥器(14)，其包括封闭式外壳(I)和置于该外壳内的螺旋输送叶片(2)，该螺旋输送叶片能在主轴(3)的带动下旋转，且该螺旋输送叶片(2)与所述封闭式外壳(I)之间构成螺旋通道(17)，该螺旋通道的两端分别设有干空气入口(5)、湿空气出口(6)、含水固体物料入口(15)和干燥固体物料出口(16);所述含水固体物料入口(15)与所述搅拌混合器(7)的出口相连； 载球(11 )，其数目为多个，其在工作状态下与所述含水固体物料混合并存在于所述搅拌混合器和/或所述螺旋气流通道中。
2.根据权利要求1的干燥装置，其还包括筛分设备(8)，该筛分设备(8)位于所述螺旋输送干燥器(14)的干燥固体物料出口(16)的下游，用于将载球与干燥后的干燥固体物料筛分分离；且还任选地包括载球返回管道(9)，该载球返回管道(9)的两端分别连接至筛分设备(8)和搅拌混合器(7)，用于将筛分后的载球返回到所述搅拌混合器(7)中。
3.根据权利要求1的干燥装置，其还包括设置在所述干空气入口(5)处或所述湿空气出口(6)处的风扇，用于向螺旋通道内鼓风或引风。
4.根据权利要求2的干燥装置，其还包括干燥固体物料容器(10)，该干燥固体物料容器(10)用于存储筛分后的干燥固体物料，并任选地通过高温来杀灭干燥固体物料中的微生物。
5.根据权利要求1的干燥装置，其中所述干空气入口(5)、湿空气出口(6)、含水固体物料入口(15)和干燥固体物料出口(16)的布置方式使得所述空气与所述固体物料在所述螺旋通道(17)内的流动方向为逆流或并流。
6.根据权利要求1的干燥装置，其还包括分别设置在所述干空气入口(5)和所述湿空气出口(6)处的湿度计；和/或，其还包括设置在所述湿空气出口(6)处的湿空气后处理装置(13)，该湿空气后处理装置(13)选自紫外线消毒灯或脱臭过滤器。
7.根据权利要求1的干燥装置，其中所述载球的表面或者光滑或者具有多个凹坑或多个突起，或者所述载球具有中空结构，或者所述载球具有中空结构且内部填充有多孔材料或能吸收保持水分的密实材料或更小的球体，或以上各种情况的组合。
8.一种含水固体物料干燥方法，其包括以下步骤: 在搅拌混合器中将含水固体物料与多个载球搅拌在一起，使得每一载球表面粘载有一部分该含水固体物料；然后， 将上述含水固体物料与载球的混合物送入螺旋输送干燥器中，并在该螺旋输送干燥器的封闭式外壳与其内的螺旋输送叶片之间的螺旋通道中螺旋运动，同时，向该螺旋通道中通入空气，该空气以与含水固体物料逆流或并流的方式对该含水固体物料进行风干。
9.权利要求8的干燥方法，其还包括对离开螺旋输送干燥器的载球和干燥后的固体物料进行筛分的步骤；并任选地将筛分后的载球返回至所述搅拌混合器中；并任选地将筛分后的干燥固体物料收集在干燥固体物料容器中并用高温来杀灭其中的微生物。
10.权利要求8的干燥方法，其还包括对离开螺旋输送干燥器的湿空气进行消毒和/或脱臭的步骤。
【文档编号】F26B15/26GK103743215SQ201410023077
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】宁静, 王磊, 苏徐, 约翰·约瑟夫·凯廷三世, 陈 峰, 何增涛 申请人:北京旭日清风科技有限公司