一种蓄热式低温热泵污泥干燥系统的制作方法

本实用新型属于污泥干燥技术领域，具体涉及一种蓄热式低温热泵污泥干燥系统。

背景技术：

随着我国经济、社会的快速发展和污水处理能力的不断提升，由此产生的污泥量也迅速增加，据统计，到2016年污泥的年排放量已超过4000 万t。污泥的主要成分为水，其含水率高达98％，即使经过脱水处理后的泥饼，仍然有80％的水分。污泥含水率高意味着热值低，体积大，不利于焚烧，堆肥和卫生填埋等后续的处置。因此，降低污泥含水率是污泥处理与处置的关键。

热泵干燥技术利用蒸发器来给空气降温除湿,并回收热泵系统的冷凝热,弥补空气中因为冷却除湿时散失的热量,是一种高效节能的除湿方式。传统的热泵干燥系统采用空气作为传热介质，在低温常压下干燥物料时,空气与物料间的传热推动力与传质推动力均较小,而空气与物料间的对流换热系数、对流传质系数也相对较小,致使物料的干燥速率受到一定制约。

此外，热泵干燥系统还常常与畜热装置耦合来回收或利用环境中不稳定的能量来源。例如高广春(高广春,王剑锋.相变贮热在热泵干燥机组中的应用研究[J].太阳能学报,2001,22(3):262-265.)等采用切片石蜡作为相变材料，对其储能和放能的效率进行了研究，证明了其在热泵干燥系统中具有明显的节能潜力。而吴薇(吴薇,王玲珑,苏鹏飞,等.不同蓄能材料的太阳能热泵系统性能对比[J].农业工程学报,2014,30(12):184-191.) 等的实验研究表明，石蜡在相变过程产生的体积膨胀会对导致换热器真空管涨裂，带来安全隐患。中国专利CN201520984399公开了太阳能集热系统中采用了水作为畜热介质，储存收集自太阳能换热器中的热能，但这对畜热装置的保温性提出了很高的要求。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本实用新型提供过一种蓄热式低温热泵污泥干燥系统，采用扩散系数高，导热能力强，传质传热阻力小的氢气作为干燥介质，并与金属氢化物畜热装置耦合，提供了一种高效，节能的畜热式低温热泵污泥干燥系统。

一种蓄热式低温热泵污泥干燥系统，包括热泵系统，热泵系统的工质回路中包括蒸发器和冷凝器，还包括干燥子系统、蓄热子系统和尾气子系统；

所述干燥子系统包括干燥器和第一风机，干燥器带有干燥气入口、干燥气出口和尾气出口，干燥气出口、第一风机、所述蒸发器、所述冷凝器和干燥气入口之间由干燥管路依次连接成干燥回路，尾气出口接入所述尾气子系统；

所述蓄热子系统包括：

蓄热器，蓄热器带有一个氢气进出口和一个氢气出口、内部设置换热管和蓄热介质，所述氢气进出口连接第一干燥支管，第一干燥支管上设置第一氢气泵，所述氢气出口分两路，其中一路连接第二干燥支管、另一路接入所述尾气子系统，第二干燥支管上设置第二请气泵，所述第一干燥支管和第二干燥支管的另一端均接入所述蒸发器和冷凝器之间的干燥管路；

余热热源，通过热源管路与所述换热管连成余热回路，热源管路上设置余热导流泵。

各连接管路上对应设置控制阀。第一干燥支管上、第二干燥支管上、连接尾气子系统的管路上、第一干燥支管在干燥子系统的接入点与蒸发器之间以及第二干燥支管在干燥子系统的接入点与冷凝器之间均设置对应控制阀。

热泵系统包括压缩机、蒸发器、节流阀、冷凝器，压缩机、蒸发器、节流阀、冷凝器、压缩机依次由工质管路连接，形成工质回路。低温低压的工质从工质管路经压缩机压缩后变成高温高压过热工质进入冷凝器，在冷凝器中工质放热给低干冷氢气，而自身变为高压中温饱和工质并进入节流阀，经节流阀调节后变为低温低压的饱和气液的混合工质，并进入蒸发器，在蒸发器中，工质吸收低温高湿度的氢气的热量而自身变为低温低压的饱和气，再次进入压缩机开始下一个循环，工质优选为R22或R134a。

干热氢气通过干燥器吸收水分后变为低温高湿氢气进入蒸发器，在蒸发器中被工质冷却后变为含水量极少的干冷氢气，冷却下来的冷凝水通过管道排出干燥系统。干冷氢气进入冷凝器加热到40～60℃的干热状态，进入下一个循环。

优选地，所述蓄热子系统还包括氢气储罐，所述氢气储罐与蓄热器的氢气进出口之间通过第三氢气泵连接。便于对蓄热器中进行氢气补齐或储存蓄热器中释放的氢气。

优选地，所述干燥器包括：

密封箱体，密封箱体内沿污泥运送方向由第一闸门和第二闸门依次分隔为进料区、干燥区和卸料区，所述尾气出口位于卸料区；

对应设于进料区、干燥区和卸料区内的第一履带、第二履带和第三履带；

以及依次沿第一履带、第二履带和第三履带运送污泥的若干污泥斗。

所述第一履带和第三履带的履带材质为橡胶；所述第二履带材质为 12～60目不锈钢丝网；各履带宽度为120cm；各履带轮之间有10～15cm的间隙。

所述第一闸门和第二闸门均采用感应自动闸门，当有泥斗靠近时自动打开闸门，全部通过后自动关闭。闸门开启最高高度高出污泥泥斗最高点 1cm左右。与闸门接触的墙体边设有密封条，维持干燥箱的密封性。

所述污泥斗由不锈钢丝网制成，材质采用12～60目不锈钢丝网；长度 100cm，宽度100cm，有效深度10cm。

优选地，所述密封箱体内设有氢气浓度监测仪、氧气浓度监测仪和报警器。用于实时监测干燥箱内的氢气浓度和氧气浓度，超出安全范围时进行报警。

氢气的爆炸极限浓度范围是4.1％～74.2％(体积浓度)，低于和高于该范围均不会产生爆炸危险。对于本实用新型装置，需要求氢气浓度不低于80％，低于80％停止运行。

优选地，所述干燥气入口设于干燥区底部，所述第二履带下方设置布气板，所述第二履带为不锈钢丝网履带；所述干燥气出口位于干燥区顶部。布气板水平布置，位于第二履带底部，布气板上在第二履带的投影区域中均匀分布布气孔。

为方便进料和提高干燥效率，进一步优选地，还包括一造粒机，该造粒机通过螺旋输送机接入进料区内第一履带上方。所述造粒机将污泥切割并成型为粒径1cm的球形或立方体型污泥颗粒。颗粒污泥经螺旋输送机输送至污泥斗，装填高度不超过污泥斗有效深度。

压滤污泥进入造粒机成为颗粒状污泥，经螺旋输送机输送至放置于第一履带上的泥斗，当履带前进时，第一闸门自动打开，污泥斗通过闸门后到达干燥区的第二履带，同时闸门自动关闭。装有污泥的泥斗被履带输送至位于干燥箱中的第二履带上，具有一定温度的干燥氢气从位于履带底部的氢气入口释放，穿过第二履带和污泥斗对污泥进行干燥，含湿氢气从干燥区顶部氢气出口流向蒸发器，污泥在干燥的同时随第二履带缓慢前行，当到达第二闸门时，闸门自动开启，污泥斗从第二履带运输至第三履带上，同时关闭第二闸门。

进一步优选地，所述进料区还连接有一段与空气连通的通气管，通气管上设置控制阀；所述进料区与卸料区之间由空气管连通，连接尾气出口和燃烧子系统的尾气管路上设置第二风机。

从干燥装置外引入空气，空气通过空气管依次引入进料区和卸料区，卸料区的气体被空气置换，直至氢气浓度低于4％，废气最终引至燃烧器燃烧排放，气体置换结束后，即可进行卸料，空的污泥泥斗运至第一履带回用。

进一步优选地，所述燃烧子系统包括燃烧器及对应控制阀。燃烧子系统的燃料来自于畜热装置和干燥箱的废气和氢气，助燃气为空气，燃烧产生的热经过回收可为畜热装置回收，或给企业供暖。

优选地，所述蓄热器包括：

两层密封外壳；

设于内层密封外壳内的气压传感器以及所述换热管和蓄热介质；

以及设于两层密封外壳之间的氢气泄露报警器。

所述第一密封壳体和第二密封壳体均为不锈钢。

进一步优选地，所述换热管为蛇形列管式换热管。蓄热介质填充于内层密封壳体和换热管之间。所述氢气泄露报警器安装于内外层密封壳体之间。内外层密封壳体之间填充高纯氮气，填充压力为0.1MPa。畜热器的热源来自于企业含有余热的废水或废气。

优选地，所述蓄热介质为储氢合金；优选为MmNi5合金(Mm为混合稀土,主要成分为La、Ce、Pr、Nd)，粒径1～5mm。最优选地，所述储氢合金为LaNi5。

储氢合金蓄热放热的原理为：

蓄热器中氢气分压维持在1kPa或以下，饱和金属氢化物吸收来自热源的热量，分解为储氢合金和氢气，完成蓄热；将待加热的氢气引入蓄热器内，蓄热器内氢气分压升高，储氢合金吸收部分氢气并产生热量，热量用于加热蓄热器中的余下氢气，储氢合金吸收氢气后转化为金属氢化物，进入下一个循环。

蓄热装置还可用于对干燥系统中的氢气进行净化，净化过程为吸收氢气-释放氢气过程，将来自干燥系统的干燥气体引入蓄热器中，处在蓄热状态下的储氢合金吸收氢气转换层金属氢化物，干燥气体中氢气被吸收后的余下杂质气体抽出蓄热器外，然后再降低蓄热器内氢气分压，使金属氢化物中的氢气释放出来，返回干燥系统中。干燥系统中的氢气可由储氢装置补给。

本实用新型的运行方式如下：

(1)通过热泵系统加热后的干热氢气送入干燥箱内，对干燥箱内的污泥进行热对流干燥，干燥箱排出的低温高湿氢气依次返回至热泵系统的蒸发器和冷凝器，经冷凝器加热后进入下一个干燥循环；

每个干燥循环进行前，降低蓄热器内压力，蓄热器先与余热热源进行热交换，金属氢化物释放氢气、吸收热量转化为储氢合金，将余热存储至储氢合金中，完成蓄热；干燥循环进行的同时，将经蒸发器降温除湿后的部分氢气抽入蓄热器中，蓄热器内压力升高，储氢合金吸收部分氢气、释放热量并转化为金属氢化物，对剩余部分氢气进行预加热，完成放热，预加热后的氢气并入冷凝器的进气管路中，与经蒸发器处理后的氢气一起进入冷凝器，由冷凝器加热后送入干燥箱内；

(2)干燥结束后，在蓄热器完成蓄热状态下将经蒸发器降温除湿后的所有氢气抽入蓄热器中，蓄热器内压力升高，储氢合金选择性吸收气体中的氢气转化为金属氢化物，余下部分的杂质气体抽至尾气处理子系统中，然后降低蓄热器内压力，金属氢化物释放氢气，释放的氢气返回并入冷凝器的进气管中，完成对干燥介质的净化。

每个干燥循环前完成蓄热过程，每个干燥循环中进行放热，直至热量全部放完，下一个干燥循环前再进行蓄热，进入下一个循环；循环中损失的氢气由氢气储罐进行补充。

优选地，冷凝器将氢气加热至到40～60℃的干热状态返回循环系统；蓄热过程中控制蓄热器内压力在1kPa以下；放热过程中蓄热器内压力控制在1MPa～2MPa；干燥介质净化的吸收氢气过程蓄热器内压力控制在 1MPa～2MPa、释放氢气过程蓄热器内压力控制在1kPa以下。

本实用新型(1)采用金属氢化物作为畜能材料，在有余热热源时进行畜热，在工作时放热；(2)以氢气作为干燥介质；(3)在不进行干燥的时候，可以利用畜热装置内的储氢合金对干燥子系统中氢气进行净化，去除杂质废气，最终燃烧后排放；(4)干燥装置装卸料过程中加强了密封设计，并对少量泄漏出来的氢气与废气混合后在尾气处理子系统里集中燃烧后排放。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

(1)采用氢气作为干燥介质，热导率高，黏度低，具有较高的传质传热速度。有效提高了干燥效率。

(2)利用储氢材料释放氢气吸收热量，吸收氢气释放热量的可逆反特性，收集余热对干燥装置辅助供热，节省能耗。

(3)储氢材料对氢气的选择性吸收，还能够在系统内实现在线纯化氢气废气，实现氢气的循环利用。分离的废气含有一定量氢气，通过燃烧器燃烧处理，无二次污染。

(4)感应门的设置有效地限制了进料与出料过程中氢气泄露和空气的混入，并且实时监控整个系统内的氢气和氧气浓度情况。确保设备运行的安全性

附图说明

图1是本实用新型干燥系统结构示意图。

图2是本实用新型蓄热箱结构示意图。

图3是本实用新型干燥箱内部结构示意图。

图4是干燥箱的布气板示意图。

图5是干燥箱的氢气出口分布示意图。

图中所示附图标记如下：

11-压缩机 12-蒸发器 13-冷凝器

14-节流阀 15-工质管路

21-干燥器 22-第一风机 23-干燥管路

211-进料区 212-干燥区 213-卸料区

214-造粒机 215-螺旋输送机 216-第一履带

217-第一闸门 218-污泥斗 219-第二履带

2110-氢气布气孔 2111-第二闸门 2112-第三履带

2113-氢气浓度监测仪 2114-氢气出口 2115-空气管

2116-通气管 2117-氧气浓度监测仪

31-1#氢气泵 32-2#氢气泵 33-3#氢气泵

34-蓄热器 35-热源管路 36-热源导流泵

37-第一干燥支管 38-第二干燥支管

341-第一密封外壳 342-第二密封外壳 343-蓄热介质

344-气压传感器 345-氢气泄露报警器 346-换热管

41-燃烧器 42-第二风机

5-余热热源 6-氢气储罐

71-1#阀门 72-2#阀门 73-3#阀门

74-4#阀门 75-5#阀门 76-6#阀门

77-7#阀门 78-8-#阀门 79-9#阀门

710-10#阀门 711-11#阀门

具体实施方式

如图1～图5所示，一种蓄热式低温热泵污泥干燥系统，包括热泵子系统、干燥子系统、蓄热子系统、尾气子系统以及连接管路及阀门，尾气子系统包括燃烧器41。

热泵子系统：包括压缩机11、蒸发器12、节流阀14、冷凝器13，压缩机11、蒸发器12、节流阀14、冷凝器13、压缩机11依次由工质管路 15连接，形成工质回路。

干燥子系统包括：干燥器21、第一风机22和干燥管路23，干燥器氢气出口、第一风机22、热泵系统的蒸发器12、冷凝器13以及干燥器的氢气入口之间通过干燥管路23依次连接构成氢气回路。

干燥器的结构示意图如图3～图5所示，包括密封箱体，密封箱体内设置氢气浓度监测仪2113、氧气浓度监测仪2117和报警器，密封箱体内沿污泥输送方向依次分为进料区211、干燥区212和卸料区213，进料区 211和干燥区212之间设置第一闸门217，干燥区212和卸料区213设置第二闸门2111，第一闸门和第二闸门均可采用感应自动闸门，第一履带和第三履带可采用橡胶履带，第二履带采用不锈钢丝网履带。进料区211内设置第一履带216，干燥区212内设置第二履带219，卸料区213内设置第三履带2112，相邻履带在对应闸门处对接，装有污泥的污泥斗218依次在第一、第二和第三履带上运行。干燥箱体底部设置氢气入口，氢气入口通过干燥管路连接冷凝器，第二履带下方设置多孔布气板，多孔布气板上均匀分布氢气布气孔2110，氢气出口2114开设在箱体顶部，氢气出口通过干燥管路及第一风机接入蒸发器12。造粒机214通过螺栓输送机215 接入干燥箱内的进料区，由螺旋输送机将污泥输出至第一履带上方的污泥斗中。

进料区211还外接一根连通空气的通气管2116，该通气管上设置控制阀，进料区211和卸料区213之间通过空气管2115连通，卸料区设置尾气出口，并连接尾气管路，尾气管路接入燃烧器41，尾气管路上设置第二风机42和9#阀门79。

蓄热子系统包括：蓄热器34、余热热源5、热源导流泵36、1#氢气泵31、2#氢气泵32、3#氢气泵33以及氢气储罐6。

蓄热器的结构如图2所示，包括两层密封外壳，即外层的第一密封外壳341和内层的第二密封外壳342，均为不锈钢外壳，换热管346呈蛇形分布于第二密封壳体内，蛇形换热管之间以及蛇形换热管与第二密封外壳之间分布蓄热介质343，第二密封外壳内壁上还设置有气压传感器344，第一密封外壳和第二密封外壳之间设置氢气泄露报警器345，蓄热器一侧设有一个氢气进出口，另一侧设有一个氢气出口。

换热管与余热热源5之间通过热源管路35连接成闭合回路，连接换热管入口和余热热源出口的热源管路上设置热源导流泵36，热源导流泵 36的进出口端分别设置6#阀门76和7#阀门77，连接热源和换热管出口的热源管路上设置4#阀门74和5#阀门75。

蓄热器的氢气进出口通过氢气管路依次连接3#氢气泵33和氢气储罐 6，3#氢气泵33和氢气储罐6之间设置3#阀门73，连接蓄热器和3#氢气泵33的氢气管路上连接一路第一干燥支管37，干燥支管37另一端接入蒸发器和冷凝器之间的氢气管路中，该段干燥支管上设置1#氢气泵31和2# 阀门32；蓄热器另一侧的氢气出口，氢气出口分两路，一路连接通过第二干燥支管38接入干燥子系统(即接入连接蒸发器12和冷凝器13的干燥管路段)，另一路通过尾气管路接入燃烧器41，第二干燥支管上设置2#氢气泵32和10#阀门710。第一干燥支管37接入点与蒸发器12之间设置1# 阀门71，第二干燥支管接入点与冷凝器之间设置11#阀门711。

本实用新型的工作方式如下：

热泵子系统的工作方式如下：

低温低压的工质从工质管路15经压缩机11压缩后变成高温高压过热工质进入冷凝器13，在冷凝器中工质放热给低干冷氢气，而自身变为高压中温饱和工质并进入节流阀14，经节流阀14调节后变为低温低压的饱和气液的混合工质，并进入蒸发器12，在蒸发器中，工质吸收低温高湿度的氢气的热量而自身变为低温低压的饱和气，再次进入压缩机1开始下一个循环。

干燥子系统的工作方式如下：

干热氢气通过干燥器21吸收水分后变为低温高湿氢气进入蒸发器 12，在蒸发器中被工质冷却后变为含水量极少的干冷氢气，冷却下来的冷凝水通过管道排出干燥系统。干冷氢气进入冷凝器13加热到40～60℃的干热状态，进入下一个循环。

干燥器中：

压滤污泥进入造粒机214成为颗粒状污泥，经螺旋输送机215输送至进料区211，放置于第一履带216上的污泥斗218，当履带前进时，第一闸门217自动打开，污泥斗通过第一闸门后到达干燥区212的第二履带 219，同时第一闸门自动关闭。装有污泥的泥斗输送至位于干燥箱中的第二履带219上，具有一定温度的干燥氢气从位于履带底部的氢气入口2110 释放，穿过第二履带和污泥斗对污泥进行干燥，含湿氢气从干燥区顶部的氢气出口2114然后由第一风机22流向蒸发器12，污泥在干燥的同时随第二履带219缓慢前行，当到达第二闸门2111时，第二闸门自动开启，污泥斗从第二履带运输至第三履带2112上，同时关闭第二闸门，在卸料区进行卸料。

连接燃烧器41的尾气管路接入卸料区，卸料区与进料区之间通过空气管2115相连通，同时打开第二风机42和通气管2116上的控制阀，空气通过空气管引入卸料区，卸料区的气体被空气置换，直至氢气浓度低于 4％，废气最终引至燃烧器燃烧排放。气体置换结束后，即可进行卸料，空的污泥斗运至第一履带回用。

畜热子系统的运行方式

(1)畜热：打开4#阀门74～7#阀门77和热源导流泵36，使热源流体流入换热管346，热源热量传递至换热管346上。打开3#阀门73，打开 3#氢气泵33，将畜热器34内的氢气抽至氢气储罐6中，畜热器内的压力降低至1kPa后关闭3#氢气泵33停止抽气，金属氢化物释放氢气并吸收来自换热管346的热量，若畜热器34内压力升高至5kPa，再次开启3#氢气泵33将压力控制在1kPa以下，当畜热器内压力不再升高，金属氢化物完全转化为储氢合金343，关闭4#阀门74～7#阀门77以及热源导流泵36，完成蓄热。

(2)放热并预热干燥氢气：畜热器34内的状态是低压(1kpa)，开启并调节节流阀1#阀门71、2#阀门72、3#阀门73，开启1#氢气泵31、 2#氢气泵32，一部分来自干燥管路的氢气通过干燥支管37进入蓄热器34，一部分来自氢气储罐6的氢气进入畜热器34。此时畜热器内部氢气分压增大，当达到2MPa时停止输送氢气进入畜热器，随着压力的升高，储氢合金吸收氢气转变为金属氢化物，释放热量并加热畜热器内的氢气；

当压力下降至1.5MPa时，继续向畜热器输送氢气直至压力达到 2MPa，畜热器内部压力达到2Mpa时，关闭3#阀门73，停止从储氢装置 6中供应氢气。同时打开2#氢气泵32，并调节节流阀10#阀门，被加热的氢气经2#氢气泵和10#阀门710汇入干燥管中，实现氢气预热。

蓄热子系统的蓄热在干燥循环开始前完成，放热对氢气预加热的过程与干燥子系统的干燥过程同时运行，来自于蒸发器12的氢气，一部分直接经1#阀门和11#阀门流入冷凝器，不通过预热，直接用冷凝器加热，一部分进入蓄热器中进行预加热后再返回干燥管，走蓄热器余热的氢气流量与直接走冷凝器加热的氢气流量比例可由在1#阀门和11#阀门之间增设一个阀门来控制，进入蓄热器流量/不进入蓄热器流量比例为0.2:1～5:1，或通过经畜热器预加热后的温度来控制流量比，经蓄热器预热后的氢气温度不应高于干燥箱的工作温度。

在干燥箱连续工作的一个周期内，完成一次蓄热放热过程，蓄热过程在干燥系统运行之前完成，每个干燥周期内，进行一次放热及预加热过程。

(3)干燥介质氢气的净化：干燥系统运行结束后，开启1#阀门71、 2#阀门72、1#氢气泵31，将含有杂质的氢气从干燥子系统引入畜热器，畜热器内压力升高，储氢合金选择性吸收氢气，当内部压力达到2.0MPa 时，储氢合金吸收氢气至饱和，成为金属氢化物，畜热装置内剩余气体主要为杂质废气。关闭1#阀门71、2#阀门72，关闭1#氢气泵31，打开3# 阀门73和8#阀门78以及3#氢气泵33，在维持畜热装置内部压力2.0MPa 的条件下，以高纯氢气置换畜热器内的残留废气，并输送至燃烧器，关闭 3#阀门73和8#阀门78以及3#氢气泵，打开2#阀门72和10#阀门710，畜热器内的高压氢气释放给干燥子系统，完成氢气净化。损失的氢气通过氢气储罐补充，使系统内氢气总量维持不变。

以上所述仅为本实用新型专利的具体实施案例，但本实用新型专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的专利范围之中。