流化床反应器及应用该反应器干燥焚烧污泥的系统与方法

摘要

本发明为流化床反应器及应用该反应器干燥焚烧污泥的系统与方法，属于污泥焚烧技术技术领域，是针对锅炉系统换热效率低的缺陷所提出，流化床反应器包括：反应器壳体，反应器壳体至少设有一个烟气出口，其内部为反应区，反应区由上至下依次分为稀相区和密相区，在反应器壳体的外侧套设有外设壳体，外设壳体与反应器壳体之间形成换热腔，且换热腔位于稀相区外侧，换热腔的受热面置于稀相区内，换热腔至少设有一个干燥介质进口与干燥介质出口；系统包括流化床反应器和污泥干燥机，第二循环使干燥介质在换热腔内实现加热，换热后形成经流化床反应器的干燥介质出口输送至污泥干燥机内。本发明利用设置在稀相区的受热面实现热交换，换热时间长、效率高。

说明书

技术领域：

本发明属于污泥焚烧技术领域，具体涉及流化床反应器及应用该反应器干燥焚烧污泥的系统与方法。

背景技术：

在市政污水处理过程中，都会产生大量的污泥，而污泥是一种含有可燃性有机物质的固体废弃物资源，由于污泥的发热量低、水分含量大等原因，污泥很难直接被点燃或维持稳定燃烧。目前，污泥的处理方式主要有填埋、堆肥和焚烧等方法，其中污泥焚烧具有减量化、无害化、资源化的显著优点，在世界范围内得到广泛应用。在焚烧过程中病菌能被有效消灭，重金属稳定性提高，有毒有机物被氧化分解，而且焚烧后的污泥剩余体积远远小于机械脱水后的污泥体积。由于污泥的含水率在70%左右，其热值较低，需要对其进行干燥处理。国内现有污泥干燥装置的热源，通常利用化石燃料锅炉烟道产生的高温烟气、蒸汽或其他燃料制造的热量，通过热交换设备的转换再通过各种热干燥手段用来干燥湿污泥。现有污泥干燥技术通常利用位于烟道内的高温烟气对污泥干燥机内的污泥进行干燥，具有代表性的专利文件有专利利名称为：污泥多级干化器、硫化床焚烧处理装置及方法，其就是利用高温烟气对污泥多级干化器内的湿污泥进行干燥，虽然该专利文件中采用的结构能够降低运行成本，但是由于烟道内的高温烟气一般温度在850度左右，且在燃烧过程中产生浓度过高的氮氧化物，而且采用传统锅炉，热效率也受到水冷壁限制。通过换热器能够得到的过热蒸汽温度也仅为250度至450度，降低了过热蒸汽在污泥干燥器内的热交换效率，制约了污泥含水率的下降空间。

发明内容：

本发明为克服现有锅炉系统换热效率低的缺陷，提出了流化床反应器及应用该反应器干燥焚烧污泥的系统与方法，通过改变反应器的结构来提高整个干燥机焚烧系统的工作效率。

本发明采用的技术方案在于：一种流化床反应器，包括：反应器壳体，所述反应器壳体至少设有一个烟气出口，其内部为反应区，所述反应区由上至下依次分为稀相区和密相区，在反应器壳体的外侧套设有外设壳体，所述外设壳体与反应器壳体之间形成换热腔，且换热腔位于稀相区外侧，换热腔的受热面置于稀相区内，换热腔至少设有一个干燥介质进口与干燥介质出口。

优选地，所述换热腔在干燥介质进口与干燥介质出口之间设有至少一个半封闭的隔板，使干燥介质进口与干燥介质出口之间的换热腔形成至少一个连续的U型通道，供干燥介质通过。

优选地，所述换热腔与一个以上的集箱通过管束连通，所述管束构成受热面，且至于稀相区内，所述管束由两根以上的空心管组成。

优选地，在换热腔内设有隔板，使干燥介质入口与干燥介质出口间分隔成一个以上的连续U型通道，延长干燥介质加热的行程。

优选地，所述空心管沿稀相区环形布置，且环形中心留有检修通道。

一种应用上述流化床反应器干燥焚烧污泥的系统，包括流化床反应器和污泥干燥机，在污泥干燥机上分别设有干燥介质入口和干燥介质出口，所述流化床反应器采用上述流化床反应器，所述污泥干燥机的干燥介质出口与流化床反应器的干燥介质入口连通，污泥干燥机的干燥介质入口与流化床反应器的干燥介质出口连通，形成的循环设定为系统的第二循环，第二循环使干燥介质在换热腔内实现加热，换热后形成经流化床反应器的干燥介质出口输送至污泥干燥机内，用来对污泥干燥机内的待干污泥进行干燥。

优选地，所述流化床反应器还设有旋风分离器，所述流化床反应器的烟气出口与旋风分离器连通，旋风分离器的底部返料口将分离的固态颗粒再次送回至流化床反应器内。

一种污泥干燥的方法，具体操作步骤如下：

步骤1、将燃料投入流化床反应器进行流化燃烧、常温态的干燥介质在第二循环内循环；

步骤2、常温态的干燥介质在换热腔内通过受热面吸热升温；

步骤3、升温的干燥介质循环至污泥干燥机内与待干污泥直接接触，蒸发出污泥中含有的水分，形成蒸汽态的干燥介质，蒸发出水分的污泥以燃料性质送入流化床反应器燃烧；

步骤4，蒸汽态的干燥介质经第二循环送入换热腔加热，并再次进入污泥干燥机，继续蒸发出污泥中的水分，直至形成饱和蒸汽态的干燥介质，蒸发出水分的污泥以燃料性质送入流化床反应器燃烧；

步骤5，饱和蒸汽态的干燥介质经第二循环送入换热腔加热，换热腔将饱和蒸汽干燥介质继续加热形成过热蒸汽态的干燥介质，蒸发出水分的污泥以燃料性质送入流化床反应器燃烧。

优选地，在形成如步骤4所述的饱和蒸汽态的干燥介质后，第二循环泄压并维持常压，使步骤五的过热蒸汽形成常压过热蒸汽。

优选地，随步骤4泄压排出的蒸汽，经汽水分离装置实现分离，水分排放至污水池，而气体经第一循环送入流化床反应器中进行焚烧除味。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在反应器壳体外侧增设外设壳体，使外设壳体与反应器壳体之间形成换热腔，并且将换热腔设置在反应器的稀相区外侧，利用稀相区内悬浮的污泥颗粒物燃烧时产生的热量和高温气体为热源，与换热腔内的低温气体进行热交换，由于将换热腔的受热面设置在稀相区，即可以提高换热效率，又不影响流化床反应器的正常运行。

2、本发明为了延长低温气体的换热时间，提高换热效率，本发明将换热腔分割成连通的左右两个腔室，从而使从位于外设壳体上部的干燥介质入口经过U型通道从位于外设壳体上部的干燥介质出口排出，延长了低温气体在换热腔室内的停留时间。

3、本发明将流化床反应器应用在干燥焚烧污泥的系统内，第二循环与污泥干燥机或第二循环内部无需介质转换或换热，热效率损失小，且干燥介质主要来源自污泥中含有的水分，无需外界补充，避免二次污染；而干燥能源燃料主要使用经本系统脱水或干燥后的污泥，无需外界补充，运行成本低，进而使整个系统的工作效率得到有效利用。此外，相较于使用传统流化床锅炉或焚烧炉处理污泥的系统，由于采用稀相区换热在同等热效率的前提下，可降低反应器整体高度1.5-2米，节约空间。

4、本发明中第二循环取热自反应器的稀相区，降低了稀相区的温度，减少了氮氧化物的产生，同时也降低了进入旋风分离器的燃料温度，避免了燃料熔融结块的产生，从而降低了对反应器顶部膨胀系数与旋风分离器材质的要求，进而有效节约了生产成本。

5、本发明相较于传统箱式换热装置，本发明的管束或换热腔留有检修操作界面，针对污泥飞灰大、易阻塞的特点，便于对第二循环中的部件进行维修或更换。

附图说明：

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为图1中流化床反应器上半部分的三维示意图；

图3为图2的透视图；

图4为本发明实施2的结构示意图；

图5为图4中流化床反应器上半部分的三维示意图；

图6为系统的结构示意图；

其中：1流化床反应器、10反应器壳体、11稀相区、12密相区、2外设壳体、21干燥介质入口、22干燥介质出口、3隔板、31U型通道、4换热腔、5污泥干燥机、51干燥介质入口、52干燥介质出口、6旋风分离器、7集箱、8管束、91循环风机A、92循环风机B。

具体实施方式：

实施例1

如图1至图3所示，本发明为一种流化床反应器，包括：反应器壳体10，所述反应器壳体10内部反应区由上至下依次分为稀相区11和密相区12，在反应器壳体10的外侧套设有外设壳体2，所述外设壳体2与反应器壳体10同轴设置，在外设壳体2与反应器壳体10之间形成封闭腔体，该腔体为换热腔4，且换热腔4位于稀相区11外侧，换热腔4至少有一个面作为受热面至于稀相区，换热腔4通过吸收位于稀相区11内固体颗粒物悬浮燃烧时产生的高温和顶部出口方向流动的高温气体，为位于换热腔4内的气体提供热源。

该反应器至少设有一个循环风机A91，用于燃料流化、助燃气与烟气的循环，本实施例中定义该循环为第一循环。该循环与传统流化床锅炉原理相同，属于本实施例现有技术部分，因此不详再细赘述。

所述第一循环还可设置一个以上的旋风分离器6，所述旋风分离器6用于将随第一循环烟气排除且未燃尽的燃料与烟气分离，并将燃料返回至流化床反应器1内。

在外设壳体2的外侧设有用来起隔热保温作用的硅酸铝纤维毡，在外设壳体2上部一侧开设有干燥介质口21，所述干燥介质入口21与换热腔4连通，用来使常温状态下的干燥介质进入到换热腔4内；在外设壳体2上部的另一侧开设有干燥介质出口22，所述干燥介质出口22与换热腔4连通，在循环风机B92的作用下使换热或加热后的干燥介质从换热腔4内排出。

在换热腔4内固定有隔板3，所述隔板3位于干燥介质出口22与干燥介质入口21之间，隔板3将二者之间的换热腔4至少分隔成两个或两个以上连通的腔室，为了延长干燥介质在换热腔4内的换热时间，提高换热效率，相邻两个换热腔4间的隔板3为半封闭结构，相邻的两个隔板3分别与燃烧腔室相对的两个内壁连接，每个隔板3将换热腔4分隔成一个可供换热介质通过的U型通道31。相邻的两个U型通道31开口相对，在干燥介质入口21与干燥介质出口22间由多个U型通道31连续形成的波浪型通道，且所述波浪形通道为至少一条。

工作时，在循环风机B92的作用下，干燥介质从干燥介质入口21进入换热腔4内，并沿换热腔4内部设置的U型通道31的流动，此时干燥介质在流动过程中与稀相区11内的高温气体和燃烧的悬浮固定颗粒物进行热交换，而后从干燥介质出口22排出。

该实施例的特点在于：换热腔4设计在流化床反应器顶部的稀相区11，经顶部换热腔4的换热可降低反应器稀相区11内的温度，相较于传统流化床焚烧炉稀相区温度可由原来的850-900度控制到700度以下，较低的燃烧室温度可有效抑制低氮氧化物的生成。在带有旋风分离器6的流化反应器中，由于降低了进入旋风分离器6内燃料的温度，从而避免了燃料在旋风分离器6中产生熔融成团的现象，提高了燃料的使用效率。

相较于现有流化床锅炉，本实施例中无需使用水（高压蒸汽）、导热油等其他导热介质，使设备整体运行更加安全，且有效降低了企业的生产成本。

本实施例具有较大的干燥介质循环通道截面，相较于目前传统焚烧炉与锅炉更适合焚烧污泥。由于污泥不同于其他燃料，在燃烧与干燥过程中会产生大量的飞灰，如传统箱式管状换热装置不仅热效率低，而且飞灰与蒸汽混合在换热器中极易产生阻塞物，影响后期使用效果。本申请第一循环与干燥介质所在循环不产生管道式热交换，进一步地避免飞灰或其他物质阻塞情况的发生。

实施例2

为了增加干燥介质的受热面积，进一步加强换热效率，如同4和图5所示，本实施例在实施例1的基础上，增设了至少一个集箱7，并通过管束8将换热腔4与集箱7连接。

所述集箱7使用与实施例1相似的结构，在反应器壳体10外侧设有外设壳体2，且至少有一个面作为受热面置于稀相区11内，所述集箱7与换热腔4同轴布置。

所述换热腔4与集箱7或者集箱7与集箱7之间通过管束8实现连接，所述管束8由两根以上的空心管组成，并沿换热腔4与集箱7的受热面布置，空心管两端分别插入换热腔4与集箱7内，将集箱7内腔与换热腔4连通为一个腔室。

进一步地，所述换热腔4与集箱7为1+1的组合形式下，所述干燥介质入口21与干燥介质出口22分别设置在换热腔4与集箱7上，形成直通式干燥介质通道。

所述换热腔4与集箱7为1+N的组合形式下，即一个换热腔4，N个集箱7（N为大于等于1的整数），换热腔4与一个以上的集箱7通过管束8实现串联。在1+N的组合形式下，换热腔4与N-1数量的集箱7中，设置有将换热腔4和集箱7分别隔离成不同独立腔室的隔板3，但是在最末端的集箱7内并不设置隔板3，所述干燥介质入口21与干燥介质出口22分别与换热腔4内的两个独立腔室连通。当换热腔4与集箱7为1+N组合形式时，干燥介质依次经过干燥介质入口21、换热腔4、集箱7、末端集箱、集箱7、换热腔4、干燥介质出口22，干燥介质的路径形成U型通道31，该U型通道31供干燥介质通过，加长了换热介质在换热腔4内的路径，延长了换热时间。所述隔板3可设置多组，形成一组以上的U型通道31，所述U型通道31的U型开口相对设置，形成连续波浪型的供干燥介质通过的通道。

进一步地，所述等分阵列布置的空心管形成环形的管束8，在管束8中间留有可供检修人员通过的检修通道，所述检修通道为稀相区所在的燃烧腔室。通过进入到燃烧腔室内，可对附着在管束8上的飞灰定期进行清理或对管束8的空心管进行切割更换维修，从而改变现有换热器因无法检修只能整体更换的弊端，同时也有效降低 了设备后期维护的成本。

实施例3

实施例3为应用实施例1和实施例2所述流化床反应器的一种污泥干燥及焚烧系统。

如图6所示，一种污泥干燥及焚烧系统，包括：流化床反应器1和污泥干燥机5。

所述污泥干燥机5包括干燥腔、绞龙、干燥介质入口51、干燥介质出口52、进料口、出料口及驱动装置。

进料口与出料口设置在干燥腔两端，并与其连通，优选的进料口通过干燥腔顶壁与干燥腔内连通，出料口通过干燥腔底壁与干燥腔内连通。

干燥腔内设绞龙，并与干燥腔内壁配合形成绞龙式物料推进结构，所述绞龙可选用无轴绞龙或有轴绞龙，绞龙至少有一端通过连轴装置延伸至干燥腔外，与驱动装置连接。

所述驱动装置与绞龙通过直连或减速机构连接，驱动装置为电机或其他可驱动绞龙旋转的装置。绞龙与干燥腔内壁配合设置用于推动干燥腔内污泥从进料口向出料口移动。

污泥干燥机5的燥介质入口51与干燥介质出口52，分别设置在干燥腔两端，干燥介质自干燥介质入口51进入，流经干燥腔与干燥腔内污泥直接接触，并从干燥介质出口52排出到干燥腔外。

优选的，所述污泥干燥机5还可以使用如公告号CN102583945B，专利名称为：一种带有污泥多级干化器的流化床焚烧处理装置及方法中公开的多极螺旋干燥机，或其他污泥与干燥介质直接接触式干设备。本实施例以专利公告号CN102583945B记载的结构相近的污泥干燥机为例，本实施例所述的污泥干燥机5至少包括一级单绞龙作为推进器装置污泥的干燥，所述污泥干燥机5至少具有一个干燥介质入口51、干燥介质出口52、污泥进料口及污泥出料口。

所述高含水率的污泥通过污泥进料口投入污泥干燥机5内，并通过绞龙将污泥推向污泥出料口，再将干污泥排出。

所述污泥干燥机5上的干燥介质入口51与流化床反应器1上的干燥介质出口22连接，污泥干燥机5上的干燥介质出口52与流化床反应器1上的干燥介质入口21连接，形成干燥介质的流动循环，在本申请中定义为第二循环。

所述第二循环中至少包括一个循环风机B92，用于为干燥介质提供循环动力。

在本实施例中污泥干燥及焚烧系统运行时，将先导燃料送入流化床反应器1内燃烧，流化床反应器1的密相区升温至约900摄氏度，在第一循环中循环风机A91的作用下，燃料在流化床反应器1内流化，流化的燃料升至稀相区11通过受热面将热量传导至换热腔4，稀相区温度降低至550-700度。优选的产生的烟气、未燃尽燃料飞灰经可经过旋风分离器6分离，未燃尽燃料经旋风分离器6的返料口返回流化床反应器1的密相区12，飞灰与烟气进入第一循环的后处理装置无害化处置。所述后处理装置如布袋除尘器等为本领域尾气处理常规技术手段本申请不在详细赘述。

循环风机B92带动第二循环内常温常压的空气在第二循环内流动形成干燥介质。流动的干燥介质经换热腔4上的干燥介质入口21进入换热腔4，在换热腔4内加热经并通过换热腔4上设置的干燥介质出口22流动至污泥干燥机5的干燥介质入口51，并通过该接口进入污泥干燥机5的干燥腔。进入污泥干燥机5的干燥介质与污泥直接接触并蒸发出污泥中的水分，并形成蒸汽，蒸汽经污泥干燥机5上的干燥介质出口52循环至换热腔4内继续加热，再次经第二循环流向污泥干燥机5，蒸汽状态下的干燥介质与污泥干燥机5内的污泥接触，继续蒸发出污泥水分，新蒸发出的水分补充至干燥介质，让干燥介质达到饱和态，形成饱和蒸汽。形成饱和蒸汽态的干燥介质经第二循环再次进入换热腔4内加热，形成过热蒸汽并循环回污泥干燥机5，继续与污泥接触蒸发污泥中的水分，如此往复至此干燥介质在第二循环中不断循环将热量传递给污泥干燥机5中的污泥，形成闭合循环。

干燥后的污泥经干燥机5的出料口排出，并送入流化床反应器1，作为燃料燃烧，在流化床反应器1内参与燃烧，继续为密相区及稀相区加热。

作为优选，所述干燥介质在形成过热蒸汽后，干燥污泥产生的新的水蒸气使第二循环内压升高，为保持第二循环内的压力与常压一致，所述第二循环还可以串联至少一个减压装置，超压的干燥介质通过减压装置以蒸汽的形式从第二循环内排出。

作为优选，通过减压装置排出的蒸汽经喷淋装置实现气水分离，分离后的不凝气送入第一循环经流化床反应器1焚烧除味，而分离后的污水排放至污水处理厂。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。