组合式微波高温无氧热解污泥资源化利用成套设备
阅读说明：本技术 组合式微波高温无氧热解污泥资源化利用成套设备 (Combined complete equipment for resource utilization of microwave high-temperature anaerobic pyrolysis sludge ) 是由 张少华 刘乔兵 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：发明涉及组合式微波高温无氧热解污泥资源化利用成套设备,包括依次相连的螺旋输入筒、空气去除仓、螺旋输送筒、热解气冷却器；螺旋输送筒上连接有污泥输入计量料斗、微波能吸收物输入计量料斗；螺旋输送筒,其中段套设有微波裂缝阵列波导和微波加热谐振腔,其前段的上壁连接有热解气冷却器,其后段的尾部下方连接有残渣冷却器；螺旋输送筒内的污泥被分解成气相和固相,气相被抽入热解气冷却器内,而固相通入残渣冷却器内。本发明达到的有益效果是：能持续热解、处理效果高、充分排出气相、热解效果好。(The invention relates to combined type microwave high-temperature anaerobic pyrolysis sludge resource utilization complete equipment which comprises a spiral input cylinder, an air removal bin, a spiral conveying cylinder and a pyrolysis gas cooler, wherein the spiral input cylinder, the air removal bin, the spiral conveying cylinder and the pyrolysis gas cooler are sequentially connected; the spiral conveying cylinder is connected with a sludge input metering hopper and a microwave energy absorber input metering hopper; the upper wall of the front section of the spiral conveying cylinder is connected with a pyrolysis gas cooler, and the lower part of the tail part of the rear section of the spiral conveying cylinder is connected with a residue cooler; the sludge in the spiral conveying cylinder is decomposed into gas phase and solid phase, the gas phase is pumped into the pyrolysis gas cooler, and the solid phase is introduced into the residue cooler. The invention achieves the following beneficial effects: can continuously pyrolyze, has high treatment effect, fully discharges gas phase and has good pyrolysis effect.)
技术领域
本发明涉及污泥处理
技术领域
，特别是组合式微波高温无氧热解污泥资源化利用成套设备。背景技术
污水处理量的不断提高，导致污泥产量在世界范围显著增长，并带来日益严重的环境污染问题。
处理污水污泥最普遍的方法是堆肥法、农田利用法以及焚烧法，但无一例外都有自身的缺点。堆肥法处理过程没有实现体积减量化，而且处理、储存、缓冲区占地面积很大；为防止被有害的污染物污染，土壤还要被隔离开；这种处理方法会浪费掉污泥本身含有的大量能量。污泥堆肥处理运行费用较高，不适应于大型处理项目，而且没有大型处理项目在成功运行的实例。过多地使用农田利用法，将导致农田土壤中重金属的含量升高，病原体、难降解有机物及N、P的流失也会对地表水和地下水造成污染。焚烧法能够大幅度减少污泥体积，并能利用其中的能量来提高热能利用率；然而，焚烧法处理设施投资大，处理费用高，有机物焚烧会产生二恶英等剧毒物质，防治费用高。
热解法由于具备上述各种方法的优点，当前已成为研究热点。在污泥受热分解过程中，污水污泥的体积大量减少，存在碳基中的重金属对自然析出的抵抗力相当强，比焚烧灰分中重金属的析出小。此外，这一过程是在无氧条件下进行，有害物质极少产生；热解反应控制在一定条件下，残留的固体物质可作为吸附剂，用于吸附空气中的污染物和污水处理过程中产生的气味；更重要的是热解污水污泥能产生油类产物和气体，它们的热值很高，可用作燃料，因此污泥热解成为污泥资源化的一种手段，符合时下处置废物的主流，备受重视。
污泥热解方法有低温热解法、高温热解法和直接热化学液化法。低温热解设备相对简单，能量回收率高，对环境造成二次污染的可能性小，与焚烧技术投资相当或略低，运行成本仅为焚烧法的30%左右。不足之处在于，低温热解所采用的污泥需经干燥脱水，含水率在5%以下，能量消耗大，净剩余能量不是很高；在产生的油中含有大量的多环芳烃物质，对环境产生不利的影响。污泥高温热解尽管有许多优点，但利用传统的电炉高温热解污泥产生的油类产物中大部分是多环芳烃，含量达到80%，由于多环芳烃中的许多物质能够致癌和致突，限制了油类产物的使用。污泥直接液化采用经机械脱水的含水率为70%~80%的污泥，避免了干燥所消耗的能量，能量剩余率较高，但设备要求较高，热解过程中产生大量有害气体，限制该技术的应用，产物中有2%~3%的N2残余，燃烧过程会有氮氧化合物生产，容易对大气造成污染，需采取相应措施加以控制。
与传统加热方式相比，微波加热热量从物质内部产生，不需要从表面传递到内部，加热均匀，加热时间短，只需要传统加热1/100~1/10的时间即可完成，热效率高，微波具有选择性和穿透性。通过向污泥中添加微波能吸收物质，使污泥在微波场中快速升至900°C以上的高温，实现污泥的高温热解。
污泥微波高温无氧热解的实验表明：液态产物的热值可以达到37MJ/kg以上，与柴油热值相当，比传统高温无氧热解油的热值高2~7MJ/kg，更适合用作燃料；油中多环芳烃（PAHs）含量低于5.37%，且为无毒PAHs；气态产物中H2和CO的体积分数在54%以上，热值达到9420kJ/m3，可用作燃料。
污泥微波高温无氧热解技术越来越受到环境工作者的重视，进行了众多的研究工作，明确了该技术的可行性。但目前市场上隧道连续式微波高温炉多采用如下几种结构：
1、推车式：设备内置轨道，轨道上设定连续的多辆工装车，通过液压传动，让后面工装车顶前面工装车，从而完成送料，特别适合块料的输送；缺点是工作过程属于间接连续，而且无法适合粉料处理。
2、推板（推舟）式：设备腔体底部设置槽道，推板上放置物料，通过传动，让后面推板顶前面推板，从而完成送料；虽然推板可以体现为坩埚形式，从而实现粉料处理，但缺点是工作过程属于间接连续，并且如果设备过长，摩擦力增大，推板容易倾倒而发生堵窑现象。
3、辊道式：多个金属辊在链条的统一传动下，带动物料前进，比较合适块料的处理；但缺点是辊道容易影响微波效果，并且无法连续输送粉料。
上述几种结构均无法顺利地完成对物料连续不间断的输送，尤其是不适用于粉料的输送。发明“隧道连续式微波高温加热炉”（授权号：CN201852437U）对上述缺点进行了改进，采用链条陶瓷叠板输送物料，虽在设计上考虑了形成平整而密实的输送平面，但在实施工艺上很难保证。微波可以穿透陶瓷板，进而作用在金属传送链条上，不可避免金属对微波的影响。
本发明采用特殊设计的螺旋输送装置实现物料的连续不间断平稳无泄露输送，适合颗粒不大于输送螺距的块状和粉状物，中段微波谐振腔加热，前段高温气体预热物料，后段高温物料持续热解，并针对污水污泥高温热解条件，设置有微波能吸收物质的添加、氮气隔氧环境、油和气的冷却分离、残渣的冷却收集，形成污水污泥的微波高温无氧热解连续式处理装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供能持续热解、处理效果高、充分排出气相、热解效果好的组合式微波高温无氧热解污泥资源化利用成套设备。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：组合式微波高温无氧热解污泥资源化利用成套设备，包括依次相连的螺旋输入筒、空气去除仓、螺旋输送筒、热解气冷却器；
所述的螺旋输送筒上连接有污泥输入计量料斗、微波能吸收物输入计量料斗；
所述的螺旋输送筒，其中段套设有微波裂缝阵列波导和微波加热谐振腔，其前段的上壁连接有热解气冷却器，其后段的尾部下方连接有残渣冷却器；
所述的螺旋输送筒内的污泥被分解成气相和固相，气相被抽入热解气冷却器内，而固相通入残渣冷却器内。
进一步地，所述的螺旋输送筒，其内设置有耐高温合金输送轴，该轴在微波加热谐振腔对应轴段的表面喷涂有耐高温碳化硅吸波层；
所述的螺旋输送筒的筒壳，该筒壳与微波加热谐振腔对应的壳段为高透明石英玻璃圆筒，该筒壳的前段和后段为耐高温合金圆筒，该筒壳的两端经空气密封头封闭。
进一步地，所述的微波缝隙阵列波导为四个对称布置的矩形窄边开缝波导，每个矩形窄边开缝波导单独地连接有一个输入头且其产生的微波能量经窄缝阵列耦合进入微波加热谐振腔。
进一步地，还包括氮气供气瓶，氮气供气瓶通过气管分别与空气去除仓、残渣冷却器相连；所述螺旋输入筒、螺旋输送筒水平设置，空气去除仓、残渣冷却器竖直设置；所述氮气供气瓶，从空气去除仓、残渣冷却器的底部通入氮气；从残渣冷却器底部通入的氮气，依次经过残渣冷却器、螺旋输送筒的后段、螺旋输送筒的中段、螺旋输送筒的前段，形成将热解后气相排出的路线。
进一步地，所述的热解气冷却器为管壳式换热器，其竖直设置且包括壳程和管程；热解后的气相，被抽至壳程进行冷却，冷却后形成可燃性气体、油水混合物；可燃性气体，经风机从热解冷却器上部抽至可燃气存储罐；油水混合物，从热解冷却器底部排出。
进一步地，所述的残渣冷却器内设置有冷却管结构；冷却管结构包括下环形进水管、上环形出水管、冷却管，多根间隔设置的冷却管将下环形进水管、上环形出水管连通；
冷却管为螺旋管，沿上下方向设置，这些冷却管的中心线沿下环形进水管环形周向分布。
进一步地，所述的螺旋输送筒内的耐高温合金输送轴，在微波加热谐振腔对应的轴段上还设置有分割引导件；分割引导件由扁平的竖直部分和扁平的水平部分形成十字状，扁平的水平部分的便平面与耐高温合金输送轴的轴线平行，扁平的竖直部分的扁平面与耐高温合金输送轴的轴线垂直，形成将污泥分割且将热解后的气相引出的结构。让分解有的气相能够有效逸散出来。
进一步地，所述的空气去除仓内设置有搅拌机构；搅拌机构中包括由驱动电机驱动的多个搅拌单元，搅拌单元包括横杆、竖杆，横杆固定在驱动电机的输出轴上，多个竖杆间距地固定在横杆上，形成将污泥慢速搅拌的结构。对于一些干燥料，让水混合至各部分，利于后续微波加热。
本发明具有以下优点：
（1）通过相连的设置螺旋输送筒、空气去除仓、物料螺旋输送筒、残渣冷却器，并且物料螺旋输送筒上还与解热气冷却器相连，是实现污泥的持续热解，并持续地将气相、固相的残渣分离开，能不停机地持续处理污泥，提高了污泥处理效率；且整个处理流程无需人工参与，自动化程度高；
（2）本方案结构的设置，使得氮气排出空气以及气相的路线简单，并且氮气从残渣的末端一致流至污泥进入处，气相排出效果好；
（3）空气去除仓中搅拌机构的设置，将污泥进行一定程度搅拌，对于较为干燥污泥，能将一些水分搅拌至干燥的部分，从而利于后续微波加热，提高热解效果；对于湿润污泥，能更好地排出在污泥中的空气；物料螺旋输送筒中分割引导件的设置，使得热解后产生的气相，能充分从污泥中排出，提高气相的排出效果；
（4）残渣冷却器的结构，能够充分将固相残渣冷却；
（5）物料螺旋输送筒中耐高温合金输送轴上，中段涂抹温耐高温碳化硅吸波层，能更好地吸收微波，提高热解效果；微波能吸收物输入计量料斗中，微波能吸收物的引入，能进一步促进微波的吸收，提高热解效果；
（6）物料螺旋输送筒中耐高温合金输送轴上，两端凸起盘的设置，对污泥起到一个阻挡作用，避免污泥进入密封处。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为的结构示意图；
图3 为位移块包括水平部分B和竖直部分B的结构示意图；
图4 为本发明的结构示意图；
图5 为本发明的结构示意图；
图6 为本发明的结构示意图；
图中：1-污泥输入计量料斗，2-微波能吸收物输入计量料斗，3-空气去除仓，4-氮气供气瓶，5-进气阀A，6-进料阀，7-物料螺旋输送筒，8-耐高温自润滑轴承，9-空气密封头，10-风机，11-微波缝隙阵列波导，12-微波加热谐振腔，13-解热气冷却器，14-残渣冷却器，15-进气阀B，16-排渣阀，17-螺旋输入筒，18-分割引导件，19-搅拌单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于 以下所述。
如图1~图6所示，组合式微波高温无氧热解污泥资源化利用成套设备，包括螺旋输入筒17、空气去除仓3、螺旋输送筒7、残渣冷却器14，且四者依次相连。
具体的，螺旋输入筒17设置，其末端伸入空气去除仓3的上部内；空气去除仓3竖直设置，其下部通过进料阀6与螺旋输送筒17的前段的前端相连通；螺旋输送筒17水平设置，其后段的末端下方设置有残渣冷却器14；残渣冷却器14竖直设置，其底部与排渣阀16相连。待处理的污泥从螺旋输入筒17进入空气去除仓3中，将污泥中的空气排出，然后螺旋输送筒7进行热解，最后在残渣冷却器14中冷却，最后排出。
在螺旋输送筒17的中段套设有微波裂缝阵列波导11、微波加热谐振腔12。
空气去除仓3的底部通过管道与氮气供气瓶4相连，且相连的管道上设置有进气阀A5。通过氮气将污泥中的空气排出。
对于空气去除仓3，如图6所示：内部设置有搅拌机构，搅拌机构包括多个搅拌单元19、驱动电机，驱动电机的输出轴伸入空气去除仓3内，在输出轴上沿上下方向设置有多个搅拌单元19。搅拌单元19包括横杆、竖杆，横杆周向固定在输出轴上，横杆上间隔设置有多个竖杆。搅拌机构较为缓慢搅拌，因为目的并不是将污泥彻底降板均匀。
设置搅拌机构的原因是：由于污泥是微波热解的，微波热解时加热的效果是根据水分来的，也就是说含水分多的地方，加热快，而水分少的得放加热慢，热解不充分；搅拌结构的设置，就是让污泥中水分少的部分在搅拌的作用下也能分布较多的水。那么在进行微波热解的时候，就能快速升温，达到高温度，从而实现充分热解。特别是对于一些较为干燥的污泥，效果更好；在污泥确实太干，可以选择在空气去除仓内加一些水。
当然搅拌机构还具有的作用是，能够让比较湿润污泥中的空气能彻底释放出来，提高空气去除效果。
对于螺旋输送筒17，其包括外部的筒壳，筒壳内设置有耐高温合金输送轴。筒壳的前段的上壁处，在空气去除仓3的连接处与微波加热谐振腔12设置处之间，与热解气冷却器13相连通。在残渣冷却器14的下部通过管道也与氮气供气瓶4相连，且相连的管道上设置有进气阀B15。由于螺旋输送筒17在微波热解时，会形成气相、固相，固相是残渣，通过残渣冷却器14排出；当氮气从残渣冷却器14下方进入，流过残渣冷却器14后，依次从螺旋输送筒17的后段、中段、前段流过，从而将热解后的气相排入热解气冷却器13。
具体地，螺旋输送筒17中，筒壳分为前段、中段和后段，耐高温合金输送轴也分为前段、中段和后段，其筒壳、耐高温合金输送轴的前段、中段和后段一一对应。中段对应的是热解的位置，即微波裂缝阵列波导11和微波加热谐振腔12设置在筒壳的中段。筒壳的前段和后段为耐高温合金圆筒，筒壳的中段为高透明石英玻璃圆筒，石英玻璃圆筒与耐高温合金圆筒对接；筒壳的两端通过空气密封头9封闭。耐高温合金输送轴的中段喷涂有耐高温碳化硅吸波层，便于吸收微波，从而起到辅助加热的作用。
耐高温合金输送轴的两端具有凸起盘状，空气密封头9封闭安装在该凸起盘上，在输送污泥时，污泥被凸起盘所阻挡，避免进入轴承密封处。耐高温合金输送轴通过耐高温自润滑轴承8后与相应的输送电机驱动相连。
另外，污泥在螺旋输送筒17中输送时，本质上是在螺旋的蛟龙叶片作用下，沿着蛟龙叶片的槽内移动。在进行热解时，污泥内部的气相无法充分及时排出，无法充分将这些气相进行回收利用。为此，如图4和图5所示，在螺旋输送筒7内的耐高温合金输送轴的中段上，还设置有分割引导件18，分割引导件18呈十字状且包括扁平的竖直部分和扁平的水平部分，扁平的水平部分的便平面与耐高温合金输送轴的轴线平行，扁平的竖直部分的扁平面与耐高温合金输送轴的轴线垂直。当污泥在蛟龙叶片之间的槽内移动时，被扁平的竖直部分和扁平的水平部分切割；扁平的竖直部分的切割，让底部的气相能够排出；而扁平的水平部分的切割，则能让污泥块左右方向的气相进入竖直部分切割后的切割空间处，从而再次排出气相。达到良好的气相排出效果。
对于热解气冷却器13，如图2所示：其竖直设置，为管壳式换热器，包括壳程和管程。热解后的气相，被抽至壳程进行冷却，冷却后形成可燃性气体、油水混合物。可燃性气体，经风机10从热解冷却器13上部抽至可燃气存储罐；油水混合物，从热解冷却器13底部排出。
对于残渣冷却器14，如图3所示：且内设置有冷却管结构；冷却管结构包括下环形进水管、上环形出水管、冷却管，多根间隔设置的冷却管将下环形进水管、上环形出水管连通；并且冷却管为螺旋管，沿上下方向设置，这些冷却管的中心线沿下环形进水管环形周向分布。
在残渣冷却器1内，还设有渣温监控器（温度感应器）。
本方案中，在螺旋输入筒17上，设置有污泥输入计量料斗1、微波能吸收物输入计量料斗2。污泥输入计量料斗1采用变速电机驱动螺旋轴，污泥输入量与转速成正比；微波能吸收物输入计量料斗2根据污泥输入量按设定的微波能吸收物添加比例计量加入，微波能吸收物与污泥在螺旋输送中进行混合。
本实施例中，微波缝隙阵列波导11为四个对称布置的矩形窄边开缝波导，每个矩形窄边开缝波导单独地连接有一个输入头且其产生的微波能量经窄缝阵列耦合进入微波加热谐振腔。
本实施例中，空气去除仓3的搅拌机构中，驱动电机固定在安装架上，驱动电机的输出轴通过多个安装架和轴承后伸入空气去除仓3内，保证驱动电机输出轴转动的稳定性。
本实施例中，空气隔绝密封9在物料螺旋输送7的筒壳两端，采用端面密封形式，密封面喷涂耐高温、耐磨损碳化硅，防止空气进入。
工作时：
步骤一：含水率80%左右的污水污泥，经抓斗提升至污泥输入计量料斗1，微波能吸收物加入微波能吸收物输入计量料斗2，关闭进料阀6、排渣阀16，关闭油水分离器进口阀（未表示），打开气体储存罐的排空阀（未表示），打开氮气供气瓶4主开关，打开进气阀A5、进气阀B15，打开风机10，置换装置内空气；
步骤二：启动污泥输入计量料斗1的开关阀门，延迟开启微波能吸收物输入计量料斗2的开关阀门，调节进气阀A5的开度，控制空气去除仓3内的压力处于微正压，优选5kPa，关闭进气阀B15。
步骤三：当空气去除仓3中物料位达到2/3高度时，打开进料阀6，启动物料螺旋输送筒7的输送电机，延迟启动微波发生装置，通过物料温度控制微波输入功率，通过物料螺旋输送筒7的电机转速控制污泥处理量；
步骤四：在物料螺旋输送筒7启动的同时，开启热解气冷却器13的冷却水，开启残渣冷却器14的冷却水。
上述实施例仅表达了较为优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
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