本发明涉及污泥干燥技术领域，具体涉及一种真空冷热干燥联合的污泥干燥装置及方法。
背景技术：
国内城镇污水处理厂产生的污泥，一般通过压滤和离心等方式对污泥进行脱水，脱水后泥饼含水率虽然有了降低，但含水率依然较高，泥量大，造成填埋和焚烧处置困难，因此需要对污泥进行进一步的干燥。近年来，随着干燥技术的不断进步，以热干燥为基础，太阳能，微波，真空冷冻干燥等联合干燥技术也得到了一定的发展。
污泥干燥通常采用高温或中低温热干燥方式进行深度脱水，根据污泥干燥速率曲线，随着含水率下降，污泥干燥速率一次经过恒速阶段，第一降速阶段和第二降速阶段，同时表现出不同的流态特征。当污泥含水率降低至60﹪～50﹪时，污泥流体特性呈现粘稠状态，内部水分不易蒸发，导致所需能耗急剧增加，干燥效率明显降低。
目前常见的解决办法是用干污泥与湿污泥返混，使污泥含水率下降至50％以下开始干燥，由于湿泥的含固率一般较低，致使返混比例较高，此外，返混工艺的热损失大，导致能耗较高。
例如，
干燥而真空冷冻干燥具有很好的干燥效果，物料含水率可以降低到1％，但其干燥过程非常长，能耗较高，不适于干燥含水率较高的污泥，通常只有在无法采用热干燥的条件下才选用。
技术实现要素：
本发明提供一种真空冷冻干燥与热干燥一体化的热泵干燥装置及方法，采用热泵冷热联合干燥技术，利用热对流预干燥，冷冻干燥，深度干燥三段式干燥方式，充分发挥不同干燥模式的优势，在较低的能耗下，提高污泥干燥效率。
一种真空冷热干燥联合的污泥干燥装置，包括热泵系统，所述热泵系统包括压缩机和蒸发器，还包括干燥系统和蓄热系统；
所述干燥系统包括：
干燥箱，干燥箱设置进气口、出气口和抽真空口，干燥箱的出气口接入所述蒸发器、抽真空口通过管路连接真空泵；
气泵，气泵的进气管接入所述蒸发器、出气管接入干燥箱的进气口，干燥箱、气泵和蒸发器依次连接成干燥气回路；
以及设于干燥箱内的冷凝器、第一换热器和风扇，冷凝器的工质进口端通过工质管路接入所述压缩机、工质出口端通过工质管路接入所述蒸发器，连接蒸发器的工质管路上设置第一膨胀阀；
所述蓄热系统包括：
内置蓄热溶液的蓄热箱；
以及设于所述蓄热箱内的第二换热器，第二换热器和第一换热器之间设置第二膨胀阀；
压缩机、冷凝器、第一膨胀阀、蒸发器和压缩机依次连接成工质回路，与所述干燥气回路一起组成热对流干燥系统；压缩机、第二换热器、第二膨胀阀、第一换热器和压缩机依次连接成工质回路时，组成冷冻干燥系统；压缩机、第一换热器、第二膨胀阀、第二换热器和压缩机依次连接成工质回路时，组成热导干燥系统；所述热对流干燥系统、冷冻干燥系统和热导干燥系统依次切换。
优选地，冷冻干燥系统和热导干燥系统之间可通过设置四通阀切换。
优选地，所述冷凝器和风扇均设置于干燥箱内的进气口处；风扇设于箱体内壁与冷凝器之前且朝向冷凝器设置。
所述蓄热溶液为氯化钠溶液；所述蓄热箱内设置搅拌器。
优选地，所述干燥箱内设置在线监测装置。主要用于检测干燥箱内的温度和压力，在线监测装置带有可视化显示器。
本发明还提供一种真空冷热干燥联合的污泥干燥方法，待干燥污泥送入干燥箱内，通过切换对应阀门，选择如下干燥方式中的任意一种或多种组合：
(1)热对流预干燥
待干燥污泥送入干燥箱内，通过控制对应阀门，使压缩机、冷凝器、第一膨胀阀、蒸发器和压缩机依次连接成工质回路，冷凝器位于干燥箱内，同时气泵和蒸发器连接且气泵和蒸发器分别连接干燥箱的进气口和出气口连成干燥气体回路，开启风扇，常温低压工质经过压缩机压缩后形成高温高压工质，经过冷凝器加热干燥箱内空气后形成高压低温工质，经过第一膨胀阀卸压后，成为过冷低压工质，在蒸发器获取干燥箱内含湿空气的热量，恢复成为常温低压工质，进行下一个工质循环过程，冷凝水排至蒸发器外，干燥箱内加热后的空气在风扇作用下对污泥进行热对流预干燥；
(2)冷冻干燥
通过切换对应阀门，使压缩机、第二换热器、第一换热器和压缩机依次连接成工质回路，第一换热器位于干燥箱内，第二换热器位于蓄热箱内，常温低压工质经过压缩机压缩后形成高温高压工质，经过第二换热器将热量传递给蓄热箱内的蓄热溶液后形成低温高压工质，蓄热溶液温度升高，热量被储存于畜热箱中，低温高压工质经过第二膨胀阀卸压后，成为过冷低压工质，在第一换热器传递冷量于污泥，污泥中的水分凝固成冰，污泥间隙出现膨胀，过冷低压工质吸收污泥的热量后恢复为常温低压工质，进行下一个工质循环过程，当干燥箱内污泥温度降低至-20～0℃时，打开真空泵，将干燥箱内抽真空形成低压；
(3)热导干燥
当干燥箱内压力降低小于等于100pa时，通过切换对应阀门使压缩机、第一换热器，第二膨胀阀，第二换热器和压缩机依次连接成工质回路，常温低压工质经过压缩机加压加热后在第一换热器上冷凝，释放的热量被污泥吸收，为冰气化为水蒸气提供能量；随后工质经过第二膨胀阀卸压后成为过冷低压工质，通过第二换热器回收畜热箱中的热量成为常温低压工质，进行下一个循环。
针对不同含水率污泥，也可对只采用三种干燥方式中的一种或两种。
优选地，还包括与热对流干燥步骤相同干燥方式的热对流深度干燥步骤(4)。经过冷冻干燥后的污泥，如果需要进一步干燥，可以参照步骤(1)的方式继续进行热对流干燥。由于污泥经过冷冻干燥后，内部具有一定孔隙结构，热空气易于进入污泥内部，将残留的水分带走。
优选地，热对流干燥何热导热泵干燥时干燥箱内温度均为25～40℃。干燥箱内污泥温度优选可采用红外测温仪测量。
优选地，每一个干燥流程中热对流干燥时间为1～8h，冷冻干燥时间为1～4h，热导干燥时间为1～4h。
所述干燥时间的最大值是考虑到了有些污泥仅需采用其中的一种干燥方式即可达到需求，因此时间相对于多模式干燥下的分段干燥时间要长很多。而最小值是在多模式干燥条件下的每种模式下的最小干燥时间，而采用单一模式的最小干燥会比该时间长。
针对不同泥质的污泥，根据实验获取最佳的干燥方式组合，以及干燥条件参数，对于大多数污水厂污泥，可以通过(1)(2)和(3)中方式顺次进行。
例如，可根据原污泥含水率和干化后的目标含水率来确定干燥步骤：原污泥含水率85％～60％，热对流干燥或热导干燥；原污泥含水率60％～40％，真空冷冻干燥；原污泥含水率<40％，热对流干燥或热导干燥(优选热导干燥)
对于热对流干燥和热导干燥的选择，应根据实验来决定，污泥黏壁性能随着含水率的降低，先升高随后降低，最高点在60％左右。在相同含水率和干燥温度的情况下，有机物含量高的污泥，黏壁性能越强。采用热对流干燥可以降低污泥的粘壁性能,但其能耗较高,。而热导干燥传热效率高，但更容易发生黏壁。有机物含量低的污泥，优选热导干燥。有机质含量高的污泥优选热对流干燥，在第一步干燥时优选热对流干燥，在深度干燥时优选热导干燥。
有机物含量较低的污泥有：沉砂池污泥，物化污泥，消化污泥等。
有机质含量较高的污泥有：初沉池污泥，二沉池污泥，腐殖污泥。
优选地、所述蓄热溶液为氯化钠溶液，质量浓度为5～35％；畜热溶液温度范围为0～50℃。
本发明还提供一种序批式真空冷热干燥联合的污泥干燥装置，包括一个压缩机和至少两套干燥系统，每套干燥系统包括蒸发器、干燥系统和蓄热系统；
所述干燥系统包括：
干燥箱，干燥箱设置进气口、出气口和抽真空口，干燥箱的出气口接入所述蒸发器、抽真空口通过管路连接真空泵；
气泵，气泵的进气管接入所述蒸发器、出气管接入干燥箱的进气口，干燥箱、气泵和蒸发器依次连接成干燥气回路；
以及设于干燥箱内的冷凝器、第一换热器和风扇，冷凝器的工质进口端通过工质管路接入所述压缩机、工质出口端通过工质管路接入所述蒸发器，连接蒸发器的工质管路上设置第一膨胀阀；
所述蓄热系统包括：
内置蓄热溶液的蓄热箱；
以及设于所述蓄热箱内的第二换热器，第二换热器和第一换热器之间设置第二膨胀阀；
各套干燥系统的冷凝器、第一膨胀阀、蒸发器依次连接并与压缩机连接成工质回路，该工质回路与各套干燥系统中的干燥气回路一起组成对应干燥系统的热对流干燥系统；各套干燥系统的第二换热器、第二膨胀阀、第一换热器依次连接并和压缩机依次连接成工质回路时，组成对应干燥系统的冷冻干燥系统；各套干燥系统的第一换热器、第二膨胀阀、第二换热器依次连接并和压缩机依次连接成工质回路时，组成对应干燥系统的热导干燥系统；各干燥系统独立控制且各干燥系统中热对流干燥系统、冷冻干燥系统和热导干燥系统依次切换；各套干燥系统的蓄热箱之间通过循环泵串联。
即所述的至少两套干燥系统并联于所述压缩机且各干燥系统之间独立运行；各干燥系统内的热对流干燥系统、冷冻干燥系统和热导干燥系统依次运行；各干燥系统的蓄热箱通过循环泵串联。
本发明还提供一种利用所述污泥干燥装置进行序批式真空冷热干燥联合的污泥干燥方法，待干燥污泥送入对应干燥系统的干燥箱内，通过切换对应阀门，选择如下干燥方式中的一种或任一两种方式的组合或三种方式顺次进行；
(1)热对流预干燥
通过控制对应阀门开启对应干燥系统的热对流干燥系统，开启风扇，常温低压工质经过压缩机压缩后形成高温高压工质，经过冷凝器加热干燥箱内空气后形成高压低温工质，经过第一膨胀阀卸压后，成为过冷低压工质，在蒸发器获取干燥箱内含湿空气的热量，恢复成为常温低压工质，进行下一个工质循环过程；
(2)冷冻干燥
热对流干燥结束后，通过切换对应阀门开启对应干燥系统的冷冻干燥系统，常温低压工质经过压缩机压缩后形成高温高压工质，经过第二换热器将热量传递给蓄热溶液后形成低温高压工质，蓄热溶液温度升高，热量被储存于畜热箱中，低温高压工质经过第二膨胀阀卸压后，成为过冷低压工质，在第一换热器传递冷量于污泥，污泥中的水分凝固成冰，污泥间隙出现膨胀，过冷低压工质吸收污泥的热量后恢复为常温低压工质，进行下一个工质循环过程，当干燥箱内污泥温度降低至-20～0℃时，打开真空泵，将干燥箱内抽真空形成低压；
(3)热导干燥
当干燥箱内压力降低小于等于100pa时，通过切换对应阀门开启对应干燥系统的热泵热导干燥系统，常温低压工质经过压缩机加压加热后在第一换热器上冷凝，释放的热量被污泥吸收，为冰气化为水蒸气提供能量；随后工质经过第二膨胀阀卸压后成为过冷低压工质，通过第二换热器回收畜热箱中的热量成为常温低压工质，进行下一个循环；
各蓄热箱内畜热溶液温度范围为0～50℃，当其中有蓄热箱内温度超出该范围时，开启循环泵和对应阀门，将各畜热箱内蓄热溶液温度进行平衡；当所有畜热溶液均超出所述温度范围，停止干燥工作。
其他相关工艺参数控制同单套控制系统。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用真空冷冻干燥与热干燥一体化的热泵干燥系统，具有如下有益效果：
(1)湿污泥(含水率约75％～80％)先通过热干燥，将含水率降低至60～50％的粘稠态的污泥。通过阀门切换，进行真空冷冻干燥，污泥内部的冰升华形成水蒸气后抽出，进一步降低含水率，最后对污泥再次进行深度热干燥。
(2)利用热泵的蒸发器与冷凝器，在制冷过程中吸收污泥的热量，并储存于畜热装置中，在制热的过程中，热量从畜热装置传递给污泥，实现热量的循环。
(3)冷冻干燥过程中，由于水凝固成冰体积变大，使污泥孔隙率增加，污泥内部水分升华后抽出，进一步降低含水率，同时形成多孔结构，为后续热对流深度干燥提供了良好的条件。
(4)续批式污泥干燥，提高干燥效率。
附图说明
图1是本发明单干燥箱的干燥系统示意图。
图2和图3是四通阀的状态1(图2)和状态2(图3)示意图。
图4是本发明多干燥箱的干燥系统示意图。
图中所示附图标记如下：
1-干燥箱11-冷凝器12-风扇
13-在线监测装置14-气泵15-第一换热器
21-压塑机22-第一膨胀阀23-第二膨胀阀
24-真空泵25-蒸发器26-四通阀
27-循环泵
3-蓄热箱31-第二换热器32-搅拌器
33-蓄热溶液
41-1#阀门42-2#阀门43-3#阀门
44-4#阀门45-5#阀门46-6#阀门
47-7#阀门48-8#阀门410-9#阀门
411-11#阀门412-12#阀门413-13#阀门
具体实施方式
如图1所示，以单干燥箱为例进行说明，本发明的干燥系统包括热泵部分、干燥箱部分、蓄热部分和对应的管路及阀门部分。
热泵部分包括压缩机21、蒸发器25、第一膨胀阀22和第二膨胀阀23。
干燥箱部分包括干燥箱1、气泵14、真空泵24和位于干燥箱内的冷凝器11、风扇12、第一换热器15和在线监测装置13，干燥箱带有进气口、出气口、抽真空口和放空口，进气口连接进气管，进气管上设置3#阀门43，进气管接入气泵14的出气口，气泵14的进气口通过管路接入蒸发器25的气路出口，蒸发器的气路进口连接干燥箱的出气口；抽真空口通过管路外接真空泵24，连接真空泵的管路上设置5#阀门45；放空口连接放空管路，放空管路上设置6#阀门46。
风扇和冷凝器设置在干燥箱内靠近进气口处，风扇位于箱体内壁与冷凝器之间，扇叶朝向冷凝器布置，冷凝器的工质出口通过工质管路接入蒸发器的工质入口，连接冷凝器和蒸发器的工质管路上设置第一膨胀阀22；冷凝器的工质入口通过工质管路连接压缩机21的工质出口，该连接管路上设置1#阀门41，蒸发器的工质出口通过工质管路连接压缩机的工质入口，该工质管路上设置7#阀门47。
风扇固定在干燥箱进气口的内壁上且朝向冷凝器设置，冷凝器将进入干燥箱内的空气加热，热空气在风扇作用下对流，对污泥进行干燥；在线监测装置13设置在干燥箱内且带有可视化的显示器，对干燥箱内的温度、压力和湿度等进行实时监测。
蓄热部分包括内置蓄热溶液33的蓄热箱31、设于蓄热箱内的搅拌器32和第二换热器31，为方便第一换热器和第二换热器的连接方式的切换，设置一个四通阀26，四通阀的第一接口(a接口)通过工质管路连接压缩机的工质出口，连接第一接口(a接口)和压缩机的工质管路上设置2#阀门42，四通阀的第二接口(b接口)连接第一换热器的其中一个连接口，四通阀的第三接口(c接口)连接压缩机的工质入口，四通阀的第四接口(d接口)连接第二换热器的其中一个连接口，连接第三接口和压缩机的工质管路上设置4#阀门44，第一换热器的另一个连接口与第二换热器的另一个连接口之间通过工质管路连接，连接第一换热器和第二换热器的工质管路上设置第二膨胀阀23。
四通阀的两个状态如图2和图3所示，状态1时a接口和d接口连通、b接口和c接口连通；状态2时a接口和b接口连通、c接口和d接口连通。
压缩机21、1#阀门41、冷凝器11、第一膨胀阀22、蒸发器25和压缩机21依次连接成工质回路，同时3#阀门43、气泵14和蒸发器25连接干燥箱的进气口和出气口，组成热对流干燥系统；压缩机21、2#阀门42、四通阀26(状态1)、第二换热器31、第二膨胀阀23、第一换热器15、四通阀26(状态1)、4#阀门44和压缩机依次连接成工质回路，组成冷冻干燥系统；将四通阀26从状态1切换至状态2，压缩机21、2#阀门42、四通阀26(状态2)、第一换热器15、第二膨胀阀23、第二换热器31、四通阀(状态2)和4#阀门44依次连接成工质回路，组成热导热泵系统。
热对流干燥系统、冷冻干燥系统和热导干燥系统依次切换。
多干燥系统组成的序批式干燥系统如图4所示，所有干燥箱的1#阀门41与2#阀门42之间的管路并联为一根主管与压缩机21出口连接，将4#阀门44与7#阀门47之间的管路并联为一根主管与压缩机21入口连接。所有畜热装置的蓄热箱用过管路和循环泵27并联，每个蓄热箱的蓄热溶液进、处口均通过管路接入循环泵的进、出口，各管路上分别设置阀门，分别为8#阀门48、9#阀门49、10#阀门410、11#阀门411、12#阀门412和13#阀门413，以8#阀门48～13#阀门413和循环泵控制畜热溶液的流动。
干燥运行时由1#阀门41、2#阀门42和四通阀26的切换来实现各干燥箱的独立运行。运行方法同单干燥箱干燥系统。
本发明工作方式如下：
默认所有阀门均为关闭状态，四通阀默认状态为状态1。
(1)单干燥箱干燥系统
干燥分为热对流预干燥，冷冻干燥和热对流深度干燥三个阶段。
①热对流预干燥：开启1#阀门41、3#阀门43和7#阀门47，使压缩机21，1#阀门41阀门1，冷凝器11，第一膨胀阀22，蒸发器25，7#阀门47和压缩机21依次连接，形成工质回路。开启风扇，常温低压工质经过压缩机压缩后形成高温高压工质，经过冷凝器加热干燥箱内空气后形成高压低温工质，经过第一膨胀阀22卸压后，成为过冷低压工质，在蒸发器25获取干燥箱内含湿空气的热量，恢复成为常温低压工质，进行下一个工质循环过程。干燥箱内的空气在冷凝器上被加热成热空气，利用风扇在干燥箱内与污泥形成对流，热空气加热污泥后带出水分，形成含湿低温空气，含湿空气以负压的形式引入蒸发器25冷凝形成低温干空气，经过气泵14返回至干燥器左端，冷凝下来的水排至蒸发器外。
②冷冻干燥，关闭1#阀门41和7#阀门47，开启2#阀门42，4#阀门44，使压缩机21、2#阀门42，四通阀26(状态1)，第二换热器31、第二膨胀阀23、第一换热器15、四通阀26(状态1)、4#阀门44和压缩机21依次连接形成工质回路。常温低压工质经过压缩机压缩后形成高温高压工质，经过第二换热器31将热量传递给畜热装置形成低温高压工质，畜热装置中的溶液温度升高，热量被储存于畜热装置中。低温高压工质经过第二膨胀阀23卸压后，成为过冷低压工质，在第一换热器15传递冷量于污泥，污泥中的水分凝固成冰，污泥间隙出现一定的膨胀。工质吸收污泥的热量后恢复为常温低压工质，进行下一个工质循环过程。当污泥温度降低至-20～0℃时(通过红外测温仪测量)，打开真空泵24和2#阀门45。将干燥箱内的空气抽走，形成低压。
③热导干燥
当干燥箱内压力小于等于100pa时，将四通阀26从状态1切换至状态2，压缩机21、2#阀门42、四通阀26(状态2)、第一换热器15、第二膨胀阀23、第二换热器31、四通阀(状态2)、4#阀门44和压缩机21依次连接形成工质回路，组成热导热泵系统。工质经过压缩机加压加热后在第一换热器15上冷凝，释放的热量被污泥吸收，为冰气化为水蒸气提供能量。随后工质经过第二膨胀阀23卸压后成为过冷低压工质，通过第二换热器31回收畜热装置中的热量成为常温低压工质，进行下一个循环。
在干燥箱中，污泥吸收热量后，冰气化为水蒸气，经过真空泵抽出，排出系统，同时保持干燥箱内的压强小于等于100pa。当冷冻干燥结束后，关闭真空泵24和5#阀门45，打开6#阀门46，外界空气被吸入干燥箱，使内部压力恢复至常压。关闭所有设备和阀门，调整四通阀至初始状态(状态1)。
④热对流深度干燥：经过冷冻干燥后的污泥，如果需要进一步干燥，可以参照①的方式继续进行热对流干燥。由于污泥经过冷冻干燥后，内部具有一定孔隙结构，热空气易于进入污泥内部，将残留的水分带走。
(2)多干燥箱并联干燥系统
多个干燥箱共用一套热泵系统时，所有干燥箱的1#阀门41与2#阀门42之间的管路并联为一根主管与压缩机21出口连接，将4#阀门44与7#阀门47之间的管路并联为一根主管与压缩机入口连接。所有畜热装置用过管路和循环泵并联，并以8#阀门48～13#阀门413和循环泵27控制畜热溶液的流动。
干燥运行时由1#阀门41、2#阀门42和四通阀26的切换来实现各干燥箱的独立运行。运行方法同(1)单干燥箱干燥系统。
实施例1
进料污泥的含水率为65％～80％，干燥要求：干燥后污泥含水率20～40％：首先进行①热对流干燥，当污泥含水率降低至60％时，进行②冷冻干燥。
实施例2
进料污泥为消化污泥，含水率为65％～80％，有机物含量低，干燥要求：干燥后污泥含水率20％以下：首先进行③热导干燥，当污泥含水率降低至60％时，进行②冷冻干燥，当污泥含水率低于30％，再次进行③热导干燥。
实施例3
进料污泥的含水率为50％～60％，干燥要求：干燥后污泥含水率20～40％，只进行②冷冻干燥。
实施例4
进料污泥的含水率为50％～60％，干燥要求：干燥后污泥含水率20％以下，先进行②冷冻干燥，当污泥含水率低于30％，再进行①热对流干燥。
实施例5
高含水率(80％)，高有机物的污泥，如二沉池污泥，干燥要求：含水率25％，第一步干燥选用热对流干燥，干燥至70％时，进行第二步冷冻干燥，干燥至40％时，进行第三步热导干燥，最终干燥至25％。
实施例6
由于污泥的三阶段干燥时间并不是完全相同，通常冷冻干燥的时间会比较长，热对流干燥和热导干燥的时间短，因此污泥在干燥箱中停留时间不相等。此外，污水厂连续运行过程中，污泥压滤间歇工作，一天压滤2～3次污泥。
本发明的干燥箱既可以冷冻干燥，又可以热导或热对流干燥，因此可将多个干燥箱并联使用，实现续批式污泥干燥，将污泥干燥装置的利用率最大化。
现以3个干燥箱共用一套热泵系统为例，结果如表1所示，从左至右分别为干燥箱1，干燥箱2，干燥箱3。污泥干燥方案为：热对流干燥阶段2h，冷冻干燥阶段4h，深度干燥阶段2h，具体流程见下表。a，b，c，d来表示热对流干燥阶段、冻干燥阶、深度干燥阶段和闲置，字母后括号内数字表示污泥批次。
表1
此实施例的干燥方案和仅作为一个例子，实际应用应根据实验获得最佳干燥时间，以此确定干燥流程。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明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发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。