泥质生物质垃圾太阳能夹层干化装置及二段式干化方法

摘要

一种泥质生物质垃圾太阳能夹层干化装置及二段式干化方法，包括从上到下依次排列的透光层、柔性输送带、刚性输送带、中水源热泵加热系统和保温层，四周侧面围置有保温材料以减少热量逸散，该保温材料透光层和保温层形成一保温的夹层空间；泥质生物质垃圾铺设在上层的柔性输送带上，通过太阳能直接照射加热，实现预干化成型、脱臭、杀菌、和光催化变性，晒干到含水率<40％；然后从柔性输送带跌落至下层的刚性输送带同时实现自动翻堆，再单独利用夹层空间内的空气源或者共同利用下方的中水源热泵加热系统进行再次加热，进一步干化到含水率<20％，最终实现二段式干化。本发明通过太阳能直接干化和间接干化相结合的方式实现污泥质生物质垃圾的干化脱水，干化效率高，环保效果好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体废物的处理方法，具体涉及一种用于泥质生物质垃圾干化的太阳能 夹层干化装置及二段式干化方法，属于环保技术领域。

背景技术

泥质生物质垃圾包括污泥、餐厨垃圾、蓝藻、粪便等含水率较高、粒径较小、极易形成 泥浆状的有机质垃圾，本发明以污泥作为典型泥质垃圾进行处理。

随着我国城镇污水处理率的不断提高，城镇污水处理厂污泥产量也急剧增加。截止2013 年6月底，全国已建成城镇污水处理厂3479座，污水处理能力约1.2亿立方米/日。污水处理 厂大规模建成运营最直接的结果，是污泥产生量的大幅提升。预测到2015年，全年城镇污水 处理厂湿污泥(含水率80％)的产生量将达到3359万吨，即全国日产污泥9.2万吨。剩余污 泥的一个最大问题是，其含水率高，通常其含水率在99.9％以上，而通过一般的脱水处理措 施，如离心脱水、板框压滤等，其最终含水率只能达到75-85％之间，仍然不能满足后续处理 的要求。如后续处理采取填埋，则含水率需要在60％以下；如采取焚烧等，则污泥含水率需 要<30％，甚至到20％以下；才能满足后续污泥焚烧、热解制碳等热处理的需求，因此如何高 效率、低能耗地处理这些污泥成为问题关键所在。

热干化是现有污泥脱水的重要手段。市场上现有的污泥干化机，多以燃煤热风炉产生的 热风作为热源对污泥进行烘干，但其烘干效率低，需要引风出去，存在着动力费用高、烟气 中水蒸气含量过大、产生的臭气量较多以及干化后污泥颗粒无法与烟气很好分离等问题，因 而限制了其广泛使用。

太阳能是一种有效的加热资源，其不需额外的提供热源，因此在污泥干化过程中得到了 较多利用。但现有的太阳能干化技术要么占地面积过大，要么二次污染等无法有效控制，同 时干化效率也偏低，因此对太阳能如何进行高效利用，成为研究的关键所在。另外，太阳能 是间歇性能源，能流密度低、不连续、不稳定，使其难于满足干燥动力学能量需求，因此克 服太阳能热源的不确定性、降低污泥干化能耗，对于污泥等生物质利用具有重要的作用。

发明内容

本发明目的在于，克服现有太阳能污泥干化系统的占地面积大、太阳能利用效率不高等 缺点，采用太阳能直接加热干化与太阳能热泵供应间接干化相结合的方法，利用太阳能余热 系统，构建太阳能夹层干化装置，上层利用太阳能板直接加热干化，再通过污泥从上层跌落 至下层起到翻堆作用，下层板利用夹层内空气源余热温度以及太阳能产生的中水源蒸汽加热 系统，从而提高污泥干化效率，降低设施的占地面积，极大地提高社会效益和经济效益。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种泥质生物质垃圾太阳能夹层干化装置，其特征在于：所述太阳能夹层干化装置为用 于泥质生物质垃圾的夹层二段式自动翻堆干化系统，包括从上到下依次排列的透光层、柔性 输送带、刚性输送带、中水源热泵加热系统和保温层，四周侧面围置有保温材料以减少热量 逸散，该保温材料与最顶层的透光层和最底层的保温层形成一保温的夹层空间；

所述透光层能够透射太阳光；所述柔性输送带位于所述透光层的下方且用于铺置和输送 所述泥质生物质垃圾；所述刚性输送带位于所述柔性输送带的下方且用以铺置和输送所述泥 质生物质垃圾；所述中水源热泵加热系统位于所述刚性输送带的下方且连接外置的太阳能供 热系统；所述保温层位于所述中水源热泵加热系统的下方以减少热量向下的传导；

所述泥质生物质垃圾首先在所述柔性输送带上，受透过所述透光层的太阳光的照射，通 过太阳能直接加热预干化成型、脱臭、杀菌和光催化变性作用，然后通过重力自动从所述柔 性输送带脱落到刚性输送带上，单独利用所述夹层空间内的空气源或者共同利用该空气源及 其下方的所述中水源热泵加热系统进行再次加热，进一步实现干化。

作为进一步改进，所述的透光层为用于透射太阳光的玻璃、塑料薄膜或石英玻璃。

作为进一步改进，所述的透光层上安装有冷凝水去除装置，下方设置有集水槽，所述冷 凝水去除装置将该透光层上水蒸气形成的冷凝水移除汇集到所述集水槽中，以减少冷凝水对 太阳入射光的阻挡和降低所述夹层空间内的湿度。

作为进一步改进，所述的柔性输送带包括传输带和下部的用于支撑该传输带的多个滚轴 轮，所述传输带以柔性的聚乙烯或者HDPE膜为制作材料，宽度为50-150cm，该传输带上 设置均匀排列的巢穴式孔道，该孔道大小在1-3cm之间，所述滚轴轮的轮间距为50-100cm。

作为进一步改进，所述的刚性输送带以钢制板材作为烘干支撑板，每隔50-150cm设置一 个支承滚轮。

作为进一步改进，所述的保温材料为8cm双层PC材料或者石英棉。

作为进一步改进，所述的柔性输送带与刚性输送带的运动方向相反，所述泥质生物质垃 圾依靠重力由上层的柔性输送带脱落至所述刚性输送带，实现自动翻堆过程。

作为进一步改进，所述的中水源热泵加热系统包括铺设于所述刚性输送带下方的耐热塑 胶管或者金属管。

作为进一步改进，所述的保温层由保温棉或聚氨酯中空板，或聚苯乙烯，或者它们相互 组合的保温材料构成。

作为进一步改进，从所述的透光层到所述柔性输送带之间的距离为5-20cm。

作为进一步改进，所述的太阳能夹层干化装置还包括有用于实时监测该太阳能夹层干化 装置内温度湿度和控制所述泥质生物质垃圾在该太阳能夹层干化装置中移动速度的自动控制 系统，该自动控制系统包括温度传感器、湿度传感器和输送带移动速度控制器。

本发明的另一技术方案是：

一种通过上述太阳能夹层干化装置实现的泥质生物质垃圾二段式干化方法，其特征在于： 所述泥质生物质垃圾铺设在上层的柔性输送带上，通过太阳能直接照射加热，实现预干化成 型、脱臭、杀菌、和光催化变性，晒干到含水率<40％；然后从所述柔性输送带跌落至下层的 刚性输送带同时实现自动翻堆，再单独利用所述夹层空间内的空气源或者共同利用该空气源 及其下方的所述中水源热泵加热系统进行再次加热，进一步干化到含水率<20％，最终实现二 段式干化。

作为进一步改进，所述方法包括如下具体步骤：

步骤一，运用布料器将泥质生物质垃圾均匀铺设到上层的柔性输送带，厚度保持在0.5-5 cm之间，泥质生物质垃圾随柔性输送带间歇性向前移动，与此同时通过太阳能直接照射加热， 直至泥质生物质垃圾的含水率<40％，泥质生物质垃圾到达柔性输送带的尽头时，以机械刮板 作为辅助，泥质生物质垃圾利用重力自动脱落到下层的刚性输送带上；

步骤二，单独利用夹层空间的空气源热量或者共同利用该空气源及其下方的所述中水源 热泵加热系统，进一步干化在步骤一中制成的半成型半干化泥质生物质垃圾，最终达到预设 含水率<20％的干化目标；

步骤三，步骤一和步骤二过程中产生的水蒸气在透光层的冷凝作用下化为冷凝水，通过 自流或者冷凝水去除装置收集后，冷凝水补充到所述太阳能供热系统中，进一步升温后用于 所述中水源热泵加热系统。

作为进一步改进，所述的污泥类泥质生物质是市政污水厂的剩余污泥，或者是湖泊、河 道、排水管道或泵站中的清淤淤泥，或者是湖泊中富营养化产生的包括蓝藻在内的含水率较 高的生物质，该泥质生物质垃圾的含水率在80-95％之间。

与现有技术相比，本发明充分利用了太阳能制热效果，将污泥类生物质垃圾通过太阳能 直接照射的预干化，实现其快速的催化干化，使得含水率降低到40％，形成成型的污泥颗粒 状物质；半干化后污泥颗粒进入到间接干化系统，利用空气源和中水源热泵系统加热，从而 进一步提高干化效率，达到含水率<20％的干化目标。因此，本发明专利以结合太阳能的直接 干化和间接干化作为其中的重要过程，将预干化后的污泥送入到下层背影处，充分利用密闭 夹层空间的热度将其进一步干化，再结合太阳能热泵技术，实现污泥的高效、快速干化目的， 不仅有利于节省太阳光晾晒的场地面积，而且有利于污泥类物质的成型，达到后续制碳或者 制作RDF用于焚烧等热处理要求，为后续进一步利用奠定基础。

本发明的优点主要体现在以下几个方面：

(1)充分利用了太阳能作用，将污泥等泥质有机质均匀晾铺在夹层区间，既实现了太阳 能直接利用，同时又利用夹层空间对其有效保温，大幅度提高了干化速率，并缩减了装置体 积。

(2)利用柔性输送带本身的造型功能，将泥质生物质垃圾干化形成一定颗粒形状，从而 为后续污泥资源化利用提供了良好条件。

(3)通过回收干化过程中冷却形成的中水，利用外置太阳能集热板的作用，进一步快速 干化泥质生物质垃圾，从而减少污泥太阳能干化作业的占地面积，并且减少了污泥中蛋白质 等变性，达到了保肥作用。

所述泥质生物质垃圾太阳能夹层干化装置和方法既可以通过太阳能直接加热实现干化、 杀菌、造粒及催化变性，又可以通过空气源/中水源热泵干化系统加热，将太阳能直接干化和 间接干化两者有机结合，本发明干化效率高、系统透明程度高、环境协调性好、系统自动化 程度高、运行稳定安全，基本不产生灰尘，恶臭气体及蒸发水分可直接回收利用，同时能够 满足污泥干化、光催化变性、杀菌和存储的需要，实现了污泥减量并且为其资源化做准备， 同时保留了泥质生物质垃圾原有的农业再利用价值，达到了环境、社会和经济三者效益的有 效统一。

附图说明

图1为本发明的装置示意图。

图2为透光层和冷凝水去除装置的示意图。

图3为柔性输送带上污泥造粒的示意图。

图4为太阳能直接和间接干化系统及其之间夹层空间的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种泥质生物质垃圾太阳能夹层干化装置及二段式干化方法，利用太阳能 直接干化系统-空气源/中水源热泵干化系统，通过太阳能直接干化和间接干化相结合的方式， 加速泥质生物质垃圾的太阳能干化速率，实现污泥质生物质垃圾干化脱水的目的。本发明大 幅度提高了污泥等泥质生物质干化后造粒成型功能，减少了占地面积，充分利用污泥有机质 含量，实现了废物综合利用，达到了垃圾再生利用、提高环保的效果，从而极大地提高了社 会效益和经济效益。

请参阅图1，所述的泥质生物质垃圾太阳能夹层干化装置为用于泥质生物质垃圾的夹层 二段式自动翻堆干化系统，包括从上到下依次排列的透光层1、可循环运移的柔性输送带3、 刚性输送带4、中水源热泵加热系统5、保温层6、箱体和支撑层7、外置的太阳能供热系统 (太阳能集热板、太阳能热交换器)、冷凝水去除装置8以及自动控制系统等。所述太阳能夹 层干化装置四周侧面围置有保温材料以减少热量逸散，所述的保温材料为8cm双层PC材料 或者石英棉，该保温材料与最顶层的透光层1和最底层的保温层6形成一保温的夹层空间。

所述的透光层1能够透射太阳光，位于所述柔性输送带3的上方且位于整个太阳能夹层 干化装置的顶层，该透光层1优选由玻璃、塑料薄膜、石英玻璃等透光玻璃或者薄膜构建， 用于太阳光透射进入夹层干化系统，从所述的透光层1到所述柔性输送带3之间的距离为5-20 cm。

请结合参阅图2，所述的透光层1上安装有移除冷凝水汽的冷凝水去除装置8，例如刮水 器，下方设置有集水槽2；冷凝水去除装置8通过自动或者手动，不定时将透光层1上水蒸 气形成的冷凝水移除汇集到所述集水槽2中，从而减少玻璃上冷凝水对太阳入射光的阻挡， 以及降低夹层空间内的湿度。

所述的柔性输送带3位于所述透光层1的下方，用以铺置和输送所述泥质生物质垃圾01， 请参阅图3，该柔性输送带3包括传输带和下部的用于支撑该传输带的多个滚轴轮。所述传 输带以聚乙烯或者HDPE膜等柔性黑色膜作为其制作材料，形成柔性输送带，其中传输带上 设置大量的均匀排列的巢穴式孔道，孔道大小在1-3cm之间，从而有利于泥质生物质垃圾01 的定型和后续的资源化利用；传输带的宽度可以在50-150cm之间；同时传输带中间设置有 多个滚轴轮，轮间距在50-100cm之间，用于支撑传输带的运移。

所述刚性输送带4位于所述柔性输送带3的下方，用以铺置和输送所述泥质生物质垃圾 01；所述刚性输送带4以钢制板材作为烘干支撑板，每隔50-150cm设置一个支承滚轮，作为 太阳能的二次烘干系统。

请参阅图4，所述的柔性输送带3与刚性输送带4的运动方向相反，所述泥质生物质垃 圾01依靠重力由上层的柔性输送带3脱落至所述刚性输送带4，实现自动翻堆过程。

请参阅图1，所述中水源热泵加热系统5位于所述刚性输送带4的下方且连接外置的太 阳能供热系统，用于将太阳能热量直接引入下层不见光干化层以满足干化需求，补充干化所 需能量，通过热传导和密闭夹层空间内的温度来提高其中加热效率。所述的刚性输送带4的 下方铺设一定的耐热塑胶管或者金属管作为中水源热泵加热系统5的一部分，该中水源热泵 加热系统5还包括中水源热泵机组、中水池、第二水泵以及第二风冷式冷凝器。所述中水源 热泵加热系统5外接太阳能供热系统，从而保证在未有充足阳光的情况下，仍能够有利于污 泥干化效果。所述太阳能供热系统包括太阳能集热板、太阳能热交换器以及蓄热池。

所述保温层6位于所述中水源热泵加热系统5的下方，其由保温棉、聚氨酯中空板、聚 苯乙烯等保温材料构成，从而减少热量向下的传导。所述的保温层6由保温棉或聚氨酯中空 板，或聚苯乙烯，或者它们相互组合的保温材料构成。

所述太阳能夹层干化系统以串联模式平行排列，其平行隔板长度可以从单独1块到至多 300块串联而成。上层热度通过热传导、热辐射等模式进入到后续的太阳能夹层中。下层板 式输送带之间可用铁丝绳串入钢丝绳作为整体板，且每隔50-150cm，设置一个支承滚轮，用 支架支承总量，保证输送带的正常运转。各加热板排列所需角度为30-60°，取决于所在地区 的太阳光直射角度。

所述的自动控制系统包括温度传感器、湿度传感器和输送带移动速度控制器等，用于实 时监测该太阳能夹层干化装置内的温度、湿度，从而控制所述泥质生物质垃圾01在该太阳能 夹层干化装置中的移动速度。

本发明所述的泥质生物质垃圾二段式干化方法通过上述太阳能夹层干化装置实现，其特 征在于：所述泥质生物质垃圾01首先铺设在上层的柔性输送带01上，通过透过所述透光层 1的太阳能直接照射加热，实现预干化成型、脱臭、杀菌、和光催化变性，晒干到含水率<40％； 然后从所述柔性输送带3通过重力自动跌落至下层的刚性输送带4同时实现自动翻堆，再单 独利用所述夹层空间内的空气源或者共同利用该空气源及其下方的所述中水源热泵加热系统 5进行再次加热，进一步干化到含水率<20％，最终实现二段式干化。

所述的二段式干化方法，将离心脱水后的污泥，采用高压泵或者其他布料器进行匀速布 料，布料后厚度在0.5-5cm之间，太阳能夹层干化陈列系统角度设在30-60°之间，取决于污 泥含水率，以污泥表面张力能够抵御污泥滑动为限。

所述的二段式干化方法，一段干化直接利用太阳能的直接加热方法，将上层污泥直接烘 干到含水率<40％，使得其能够形成一定形状，并实现除臭、杀菌和成型作用，进入下层烘干 系统，实现大块翻堆作用。

所述的二段式干化方法，二段干化间接利用太阳能，通过夹层空间内空气源高温以及中 水源的热泵干化系统5，实现污泥的二段背影干化，达到污泥含水率<20％，从而有利于后续 的资源化利用。

本发明适用于污泥类的泥质生物质垃圾的干化过程，可以是市政污水厂的剩余污泥，或 者是湖泊、河道、排水管道或泵站中的清淤淤泥，或者是湖泊中富营养化产生的蓝藻等含水 率较高的生物质，其含水率在80-95％之间，极易形成混合的泥质状态，或者是畜禽粪便和人 体粪便、沼渣、中药提炼渣等。

所述的泥质生物质垃圾二段式干化方法包括如下具体步骤：

步骤一，运用布料器将泥质生物质垃圾01均匀铺设到上层的柔性输送带3，厚度保持在 0.5-5cm之间，泥质生物质垃圾01随柔性输送带3间歇性向前移动，与此同时通过太阳能直 接照射加热，直至泥质生物质垃圾01的含水率<40％；泥质生物质垃圾01到达柔性输送带3 的尽头时，以机械刮板作为辅助，泥质生物质垃圾01利用重力自动脱落到下层的刚性输送带 4上。

步骤二，单独利用夹层空间的空气源热量或者共同利用该空气源及其下方的所述中水源 热泵加热系统5，进一步干化在步骤一中制成的半成型半干化泥质生物质垃圾01，最终达到 预设含水率<20％的干化目标，进入资源化利用步骤。

步骤三，步骤一和步骤二过程中产生的水蒸气在透光层1的冷凝作用下化为冷凝水，通 过自流或者冷凝水去除装置8收集后，冷凝水补充到所述太阳能供热系统中，进一步升温后 用于所述中水源热泵加热系统5。

下述实施例以本发明的技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但 本发明的保护范围不限于下述的实施例，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明技 术方案前提下所做的任何显而易见的改动，都属于本发明权利要求的保护范围。

实施例1

脱水后污泥的含水率在90％，通过高压泵或其他机械布料系统，均匀布设到上层输送板， 铺设厚度0.5cm，后进入柔性输送带3，白天温度在72-82℃，晚上温度在15-40℃，干化1.5 天后，其含水率达到40％；后移送到柔性输送带3的右侧尽头，利用重力和刮板系统将污泥 刮落，进入刚性输送带4，利用密闭夹层空间内空气源和背面的中水源热泵加热系统5进行 进一步干化，其最后的含水率达到<20％；利用机械刮泥板和重力，将干化后污泥进入到集料 槽，进入下一步利用模式；过程中蒸发出来的水蒸气冷凝于透光层1上，对其采用冷凝水去 除装置8不定期将水引流入集水槽2中，再导引进入外置的太阳能供热系统，用于中水源热 泵加热系统5的介质。