一种低温水热碳化高效热交换系统的制作方法

本实用新型涉及生物质污泥处理领域，具体来讲涉及的是一种生物质污泥低温水热碳化的热交换系统。

背景技术：

2020年7月国家发改委印发《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》，方案特别强调和提倡了大中型城市污泥进行生物质利用。污泥低温水热碳化技术是近几年迅速发展的新型污泥处理技术，其顺应了国家的发展需要，实现了污泥的资源化、减量化、稳定化和无害化。污泥低温水热碳化是在特定的温度、压力和催化剂的作用下，将生物质污泥的生物质水解、聚合，最终形成生物碳。国内外很多专家对反应条件对碳化效果的影响进行了研究，在《不同反应条件对污泥水热碳化脱水性能的影响》及《低温水热碳化处理改善污泥脱水性能的过程及机理研究》中明确指出，温度是污泥低温水热碳化反应中影响最大的因素。在130℃度以下，污泥不会发生水解反应；当反应釜的温度达到180℃后，随着温度的升高，污泥便能快速分解和碳化，反应效率快速提高；当温度达到230℃后，温度进一步提高时，反应效率提高缓慢，同时不同的温度下形成的生物碳产量及特性都很不同。碳化反应后的水热污泥还需要经过压榨脱水，实现污泥减量化，但碳化釜出来的水热污泥温度在230℃左右，因此在进入压榨脱水机前需要冷却降温。

为到达污泥低温水热碳化的工艺要求，需要在碳化反应前对污泥加热，碳化反应后对污泥冷却。为充分利用碳化反应余热，现有的污泥低温水热碳化热交换系统都是在碳化釜前端设置了前置列管式换热器，在碳化釜后端设置了后置列管式换热器，碳化后的水热污泥在后置列管式换热器中冷却，并将碳化热能传递给热介质，升温后的热介质在前置列管式换热器对待反应污泥进行加热。由于待碳化的污泥通常经过了常规的压榨脱水，污泥含水率为80%左右，这种污泥的粘度很高，没有流动性，自身导热率较低，因此污泥在前置列管式换热器的换热效率较低。由于污泥流动性差，在实际工程中为防止污泥堵塞，换热器中的污泥管需要放大，这也进一步降低了换热器的传热效率。在前置列管式换热器中，污泥的堵塞和换热效率低下一直是难于解决的突出问题。

前置列管式换热器的传热效率低下直接导致进入后置列管式换热器的热油

温度较高，降低了碳化反应后的污泥冷却效果，使后置换热单元排出的污泥难于满足系统泄压要求，影响了污泥碳化系统的正常运行。

为解决前置列管式换热器和后置列管式换热器换热效率较低的问题，专利201611269924.7《一种用于污泥碳化工艺的热交换装置》提供了一种方案，将交换系统的前置列管式换热器和后置列管式换热器都设置为两套，两套装置并联，交替运行，通过交替运行来延长热交换时间，从而提高传热效率。这种方式增加了系统复杂性，热交换设备成本高昂，而且需要占用大量的铺设面积，同时也增加了污泥在系统中流动的堵塞几率，造成系统运行中维护频率过高，维护成本较大。

技术实现要素：

因此，为了解决上述不足，本实用新型在此提供一种低温水热碳化高效热交换系统，解决现有技术中换热装置换热效率不佳、物料容易堵塞、换热系统复杂的问题。

本实用新型是这样实现的，构造一种低温水热碳化高效热交换系统，其特征在于：包括余热循环回路、热油预热单元一、热油预热单元二、碳化釜加热回路和冷却回路，热油预热单元一并联在余热循环回路上，热油预热单元二并联在碳化釜加热回路上。

根据本实用新型所述一种低温水热碳化高效热交换系统，其特征在于：所述的余热循环回路包含污泥预热器、前换热器、后换热器和循环泵；后换热器的热介质出口连接前换热器的热介质入口，前换热器的热介质出口连接污泥预热器热介质入口，污泥预热器热介质出口连接后换热器的热介质入口，污泥预热器、前换热器和后换热器通过循环泵形成封闭的热介质循环回路。

根据本实用新型所述一种低温水热碳化高效热交换系统，其特征在于：所述的污泥预热器的物料出口通过污泥输送泵连接前换热器物料进口，前换热器的物料出口连接碳化釜的物料入口，碳化釜的物料出口连接后换热器的物料入口；所述的热介质为热油。

根据本实用新型所述一种低温水热碳化高效热交换系统，其特征在于：所述的污泥预热器为一个封闭的罐体，罐体为圆柱形、圆锥型或正方体形；罐体上有排气口，罐体内有加热管和均质搅拌机a，加热管可以为蛇形管或u形管，加热管入口即为热介质入口，加热管出口即为热介质出口，加热管的热介质流动方向为下进上出，污泥预热器的物料流动方向为上进下出。

根据本实用新型所述一种低温水热碳化高效热交换系统，其特征在于：所述的前换热器为一个耐压罐，罐体为圆柱形或圆锥型；罐体外有加热夹套，罐体内有均质搅拌机b，罐体上有工艺口，工艺口包含氮气接口、压力检测口、温度检测口，安全阀接口；夹套加热入口即为热介质入口，夹套加热出口即为热介质出口，加热夹套的热介质流动方向为下进上出，前换热器的物料流动方向为上进下出。

根据本实用新型所述一种低温水热碳化高效热交换系统，其特征在于：所述的后换热器包括多个串联的列管式热交换器一，列管式热交换器一的数量为3~6个，各列管式热交换器一均配有物料超越管路。

根据本实用新型所述一种低温水热碳化高效热交换系统，其特征在于：所述热油预热单元一并联在前换热器与后换热器之间的热介质管路上，热油预热单元一包含启动热交换器、开关三和开关四；所述热油预热单元二并联在碳化釜热介质出口管路上，热油预热单元二包含启动热交换器、开关一和开关二；热油预热单元一和热油预热单元二之间通过启动热交换器进行热交换；开关三和开关四择一开通，开关一和开关二择一开通；当系统开车时，开关二和开关四关闭，开关一和开关三打开，热油预热单元二对热油预热单元一的热介质进行加热；系统正常工作时，开关二和开关四打开，开关一和开关三关闭，热油预热单元一和热油预热单元二停止工作。

根据本实用新型所述一种低温水热碳化高效热交换系统，其特征在于：所述的启动热交换器为套管式换热器、列管式热交换器或蛇管式换热器。

根据本实用新型所述一种低温水热碳化高效热交换系统，其特征在于：所述的碳化釜加热回路包含导热油炉、热油泵、和碳化釜，导热油炉和碳化釜通过热油泵形成循环加热回路，碳化釜为夹套式反应釜。

根据本实用新型所述一种低温水热碳化高效热交换系统，其特征在于：所述的冷却回路包含冷却塔、冷却循环泵和冷却换热器，冷却换热器的物料入口连接后换热器的物料出口，冷却塔和冷却换热器通过冷却循环泵形成冷却介质的循环回路；所述冷却介质为水；所述的冷却换热器包括1个或多个串联的列管式热交换器二，各列管式热交换器二均配有物料超越管路。

本实用新型具有如下优点：一种低温水热碳化高效热交换系统，涉及生物质污泥低温水热碳化的热交换系统，包括余热循环回路、热油预热单元一、热油预热单元二、碳化釜加热回路和冷却回路。所述的余热循环回路是由污泥预热器、前换热器和后换热器通过循环泵形成的封闭的热介质循环回路。所述的污泥预热器为一个封闭的罐体，罐体内有加热管和均质搅拌机a。所述的前换热器为一个耐压罐，罐体外有加热夹套，罐体内有均质搅拌机。所述的后换热器包括多个串联的列管式热交换器，各列管式热交换器均配有物料超越管路。所述的热油预热单元一和热油预热单元二之间通过热交换器进行热交换。所述的碳化釜加热回路是由导热油炉和碳化釜通过热油泵形成的循环加热回路。所述的冷却回路是由冷却塔和冷却换热器通过循环泵形成的冷却介质循环回路，冷却换热器包括1个或多个串联的列管式热交换器。

该水热碳化高效热交换系统在污泥预热段增加了污泥预热罐，将前换热器设置为耐压换热罐，这两个罐体均配置了搅拌装置，污泥在罐体内可均匀、快速地流动，实现高效的热交换，这解决了污泥在列管式换热器中容易堵塞和换热效率低下的问题。在污泥碳化的冷却段，设置了后换热器和水冷单元，保障了碳化污泥的温度达到泄压要求。另外，系统简化了污泥加热的工艺流程，减少了污泥输送的阻力，在每个需冲洗的套管式换热器上均设置了超越管路，保障系统运行具有稳定性和可靠性。

本实用新型还具有下述有益效果：

1、本实用新型提供的一种低温水热碳化高效热交换系统将污泥储存罐加入余热循环回路变为污泥预热罐，污泥在预热罐内有充足的时间进行热交换，在预热罐搅拌装置的作用下，污泥可均匀、充分的与加热管进行热交换，储存罐内的污泥温度得以有效提升，改善了污泥在后续管路中的流动性，同时也更充分利用了碳化污泥的预热，满足了环保节能的需要。

2、污泥储存罐加入余热循环回路，减少回路中前换热器需提供的温升，缩

短了前换热器所需的热交换时间。

3、本实用新型的余热循环回路中所采用的前换热器仅为一个带加热夹套的耐压罐，罐体内有均质搅拌机b，有机污泥在搅拌器的搅拌下快速流动，有效地与夹套内热油进行热交换，解决了污泥在列管式换热器中容易堵塞和换热效率低下的问题。

4、本实用新型余热循环回路中的前置换热单元仅为一个夹套型耐压罐，简化了污泥加热的工艺流程，减少了污泥输送的阻力，降低了系统中污泥泵输送压力要求，系统运行更稳定和可靠。

5、本实用新型的后换热器由多个列管式换热器串联而成，每个列管式换热器均设置了超越管路。换热器维护和清洗时，启动超越管路，不影响污泥处理系统正常运行。

6、本实用新型在后换热器后端增加了水冷回路单元，由于水冷回路是一个独立的循环系统，其冷却效果不会受余热循环回路中介质温度的影响，而且常温下水传导效率也明显优于油。因此，水热污泥通过后换热器降温后，再进入水冷单元进一步快速降温，其温度能下降到80℃以下，满足系统泄压要求，也保障了整个系统的正常运行。

7、整体而言，该低温水热碳化高效热交换系统简化了污泥加热的工艺流程，减少了污泥输送的阻力，提高了热交换系统升温和冷却的热交换效率，解决了污泥流动中的堵塞问题，系统运行具有稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本实用新型一种低温水热碳化高效热交换系统流程示意图；

图2是本实用新型污泥预热器的结构示意图；

图3是本实用新型前换热器的结构示意图；

图4是本实用新型后换热器的组成示意图；

图5是本实用新型冷却换热器的组成示意图。

其中：余热循环回路1，热油预热单元一2，热油预热单元二3，碳化釜加热回路4，冷却回路5，污泥预热器6，污泥输送泵7，前换热器8，启动热交换器9，开关一10，开关二11，导热油炉12，热油泵13，碳化釜14，开关三15，开关四16，后换热器17，循环泵18，冷却换热器19，冷却循环泵20，冷却塔21，排气口22，加热管出口23，加热管24，均质搅拌机a25，加热管入口26，工艺口27，夹套加热出口28，均质搅拌机b29，加热夹套30，夹套加热入口31，列管式热交换器一32，列管式热交换器二33。

具体实施方式

下面将结合附图1-图5对本实用新型进行详细说明，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型通过改进在此提供一种低温水热碳化高效热交换系统，解决现有技术中换热装置换热效率不佳、物料容易堵塞、换热系统复杂的问题。

如图1~图5所示，实施例过程如下；一种用于污泥低温水热碳化的高效热交换系统，包括余热循环回路1、热油预热单元一2、热油预热单元二3、碳化釜加热回路4和冷却回路5，其中余热循环回路是实现污泥碳化后的余热利用，热油预热单元一2、热油预热单元二3是开车时对余热循环回路的热介质进行预升温，碳化釜加热回路4对加热后的污泥进一步升温，使污泥达到碳化反应条件，冷却回路5是对余热循环回路降温后的污泥再强制冷却，保障碳化污泥达到泄压条件。

本实用新型实施时；余热循环回路1包含污泥预热器6、前换热器8、后换热器17和循环泵18。为实现污泥碳化反应后余热的最大化利用，余热循环回路1中热介质与污泥逆向流动，因此将后换热器17的热介质出口连接前换热器8的热介质入口，前换热器8的热介质出口连接污泥预热器6热介质入口，污泥预热器6热介质出口连接后换热器17的热介质入口，污泥预热器6、前换热器8和后换热器17通过循环泵18形成封闭的热介质循环回路，循环回路中的热介质流动方向是从后换热器17到前换热器8，再流到污泥预热器6，循环回路中的热介质为热油。本实施例中，污泥预热器6的物料出口通过污泥输送泵7连接前换热器8物料进口，前换热器8的物料出口连接碳化釜14的物料入口，碳化釜14的物料出口连接后换热器17的物料入口。这种连接方式利用后换热器实现碳化污泥与热油进行热交换，达到污泥降温而热油升温的作用，热油在流动中对前换热器和污泥预热器的污泥进行了加热，实现了污泥余热的资源化利用。

本实施例中，上述的污泥预热器为一个封闭的罐体，罐体可以为圆柱形、圆锥型或正方体形，但优先为圆柱形。罐体上有排气口22，罐体内有加热管24和均质搅拌机a25，加热管24可以为蛇形管或u形管，加热管入口26即为热介质入口，加热管出口23即为热介质出口，加热管24的热介质流动方向为下进上出，污泥预热器6的物料流动方向为上进下出。

余热循环回路将污泥储存罐加入余热循环回路变为污泥预热器，其设定温度一般但是不局限为50℃～70℃，污泥在预热罐内有充足的时间进行热交换，污泥在预热罐搅拌机的作用下进行了均质和升温，流动性得到一定提高，减少了污泥输送泵7的输送压力，也减少了污泥在输送管道中的堵塞情况。污泥储存罐变为污泥预热器，也减少了回路中前换热器需要的提升温度，缩短了前换热器所需的热交换时间。另外，污泥在预热罐中充分的热交换，降低了加热管出口23热介质的温度，在后换热器中热介质与碳化后污泥的温差增大，后换热器的换热效率相应提高。

图3所示，本实施例为彻底解决污泥在前置列管式换热器污泥堵塞和换热效率较低的问题，将前换热器8设计为一个耐压罐，罐体可以为圆柱形或圆锥型，罐体外有加热夹套30，罐体内有均质搅拌机b29，罐体上设工艺口27，工艺口27包含氮气接口、压力检测口、温度检测口，安全阀接口，夹套加热入口31即为热介质入口，夹套加热出口28即为热介质出口。虽然污泥在碳化前流动性没有根本改变，但由于换热器内有搅拌器的机械搅拌，污泥强制混合传热，在加热夹套30的热介质从下往上流动、罐体内的污泥从上往下流动过程中，避免了污泥堵塞，实现了污泥与夹套内热介质充分的热交换。

如图4所示，本实施例后换热器17为多个串联的列管式热交换器一32的组合。由于污泥碳化反应后污泥形态发生改变，实现了固液分离，其流动性较好，因此后换热器选用列管式热交换器不会出现污泥堵塞和换热效率不足的问题。列管式热交换器的数量根据各项目需要配置，具体数量包括但不限于3~6个，各列管式热交换器一32均配有物料超越管路，这保障了单个或多个列管式热交换器需要维护和清理时，系统仍可连续运行。

请进一步参见图1，本实施例的热油预热单元一2并联在前换热器8与后换热器17之间的热介质管路上，热油预热单元二3并联在碳化釜14热介质出口管路上。热油预热单元一2包含启动热交换器9、开关三15和开关四16，热油预热单元二3包含启动热交换器9、开关一10和开关二11。热油预热单元一2和热油预热单元二3之间通过启动热交换器9进行热交换，热交换器9可以为套管式换热器、列管式热交换器或蛇管式换热器。热油预热单元一2和热油预热单元二3仅在污泥系统开车时启用，其目的是利用导热油炉12加热的热油对余热循环回路的热油进行升温，从而保障系统开车时工艺流程前端的污泥预热罐和前换热器的污泥升温，达到工艺要求的温度。

系统开车时，开关二11和开关四16关闭，开关一10和开关三15打开，热油预热单元二3对热油预热单元一2的热介质进行加热；系统正常工作时，开关二11和开关四16打开，开关一10和开关三15关闭。

从图1中可知，在低温水热碳化处理系统中，碳化釜的碳化反应是最关键的部分，为保障碳化釜的碳化反应效果，设置了加热回路4，其包含导热油炉12、热油泵13、和碳化釜14，碳化釜14为夹套式反应釜，导热油炉12和碳化釜14通过热油泵13形成循环加热回路，该循环加热回路的传热介质为热油，热油在碳化釜夹套内的流动方向是从上往下流动，相对应的釜内污泥是从下往上流动。在具体项目实施中碳化釜上设置有温度检测和控制系统，保证碳化釜的污泥碳化温度稳定在200℃~230℃。

请进一步参见图1和图5，本实施例为保障碳化反应后污泥温度到达80℃一下的泄压要求，在后换热器后端增加了水冷回路5。冷却回路5包含冷却塔21、冷却循环泵20和冷却换热器19，冷却换热器19的物料入口连接后换热器17的物料出口，冷却塔21和冷却换热器19通过冷却循环泵20形成冷却介质的循环回路，水冷回路中的冷却介质为水。由于这个回路中的冷却介质温度易于控制，温度大幅低于余热循环回路中的热油，而且水的传导效率也明显优于油，因此冷却换热器19的冷却效率较高。

冷却换热器19包括1个或多个串联的列管式热交换器二33，实施例优选列管式热交换器数量为多个，从而增强上述提到的有益效果。各列管式热交换器二33均配有物料超越管路，这便于换热器维护时不影响系统正常运行。

本实用新型的热交换效果是这样实现的：开车时，碳化釜加热回路优先启动，热油预热单元对余热循环回路的热介质进行升温。

当污泥进入污泥预热器中时，污泥在搅拌机的作用下与加热管进行热交换，实现污泥的的均质和加热升温，预热后的污泥通过污泥输送泵加压进入前换热器，在前换热器内再通过搅拌使污泥与夹套内热介质进行热交换，温度进一步有效提升。由于前换热器为带压罐体，保障污泥温升后不能蒸发，并将污泥压入碳化釜。污泥在进入反应釜后，通过碳化釜加热回路对污泥快速升温，污泥在温度180℃-230℃、压力2mpa-3.5mpa及催化剂的条件下实现分解和碳化。

碳化后的高热污泥在后换热器中与余热循环回路中的热介质进行热交换后降温，初步降温后的泥浆再进入冷却换热器，由于水的传导效率高，碳化污泥的温度快速下降，出泥温度在70℃左右，达到系统泄压要求。

本实用新型具有下述有益效果：

本实用新型提供的一种低温水热碳化高效热交换系统将污泥储存罐加入余热循环回路变为污泥预热罐，污泥在预热罐内有充足的时间进行热交换，在预热罐搅拌装置的作用下，污泥可均匀、充分的与加热管进行热交换，储存罐内的污泥温度得以有效提升，改善了污泥在后续管路中的流动性，同时也更充分利用了碳化污泥的预热，满足了环保节能的需要。

污泥储存罐加入余热循环回路，减少回路中前换热器需提供的温升，缩短了前换热器所需的热交换时间。

本实用新型的余热循环回路中所采用的前换热器仅为一个带加热夹套的耐压罐，罐体内有均质搅拌机b，有机污泥在搅拌器的搅拌下快速流动，有效地与夹套内热油进行热交换，解决了污泥在列管式换热器中容易堵塞和换热效率低下的问题。

本实用新型余热循环回路中的前置换热单元仅为一个夹套型耐压罐，简化了污泥加热的工艺流程，减少了污泥输送的阻力，降低了系统中污泥泵输送压力要求，系统运行更稳定和可靠。

本实用新型的后换热器由多个列管式换热器串联而成，每个列管式换热器均设置了超越管路。换热器维护和清洗时，启动超越管路，不影响污泥处理系统正常运行。

本实用新型在后换热器后端增加了水冷回路单元，由于水冷回路是一个独立的循环系统，其冷却效果不会受余热循环回路中介质温度的影响，而且

常温下水传导效率也明显优于油。因此，水热污泥通过后换热器降温后，再进入水冷单元进一步快速降温，其温度能下降到80℃以下，满足系统泄压要求，也保障了整个系统的正常运行。

整体而言，该低温水热碳化高效热交换系统简化了污泥加热的工艺流程，减少了污泥输送的阻力，提高了热交换系统升温和冷却的热交换效率，解决了污泥流动中的堵塞问题，系统运行具有稳定性和可靠性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。