热泵技术干化污泥的设备

吴季培 　陈显余
（上海桑菱环境能源研究所）

1 前言

　　将热泵作为热源进行干燥、干化和脱水等作业，是上世纪八十年代发展起来的新型干燥技术。目前，该技术已应用于各个领域，如在木材、化工产品、食品干燥、蔬菜脱水和污泥粪便干化等方面，都取得了良好的效果。针对污泥和粪便干化问题，热泵干化技术具有运行费用低和对环境无任何污染的两大优势。早在上个世纪八十年代初日本已取得成功的运用。

2　热泵干燥原理

　　热泵干燥设备由热泵的热力循环系统和热风干燥循环系统组成。热泵循环系统为热风干燥系统提供热源和降低热风湿度。热风干燥系统，通过循环热风与物料直接接触，提供蒸发水份热量，带走物料中的水份。
　　所谓“热泵”，是耗用一定的机械功，吸取环境或废弃物中低品位热能，将其提高成为可利用的热能的一种节能装置。正如“水泵”一样，耗用一定机械功，将水从低水位提高到所需的水位。
　　热泵系统由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器组成，如图一所示。系统内运行的工质，在蒸发器中吸取干燥室排出湿热空气中的热量，从低压液态工质蒸发成低压蒸汽，经压缩机增压成为高温高压的蒸汽；在冷凝器中，高温高压的工质蒸汽放出热量加热进入干燥室的空气，而工质本身则从气体冷凝成高压液体；通过节流装置，液体工质产生阻塞效应，降低了压力和温度，成为低压低温液体，再度进入蒸发器中吸收湿热气体的热量，如此反复循环将低温热量输送到高温介质中去，形成热泵循环。
　　从热风干燥循环系统来看，其热风流程如图二所示。干燥室排出气体，是含水份较高的湿热气体，其状态如图三h-d图上的点a，其相对湿度在ψ＝70～80%左右，通过热泵的蒸发器时，由于蒸发器表面温度低于空气露点温度，不仅降低了空气的温度并且在蒸发器表面将水汽冷凝下来，以液体水的状态排出系统外。气体离开蒸发器变成低温而湿润，如图三上点b其相对湿度一般在ψ=95-97%。脱湿后的气体在热泵冷凝器中得到等湿加热，提高了气体温度，同时也降低了相对湿度，如图三C点成为干热气体进入干燥室。在干燥室中，干热气体与被干燥物料直接接触，提供物料干化的热量，同时也带走了水份。空气在干燥室内为等焓增湿降温过程，在离开干燥室时又回复到图三的a点。从图三上可见每公斤气体通过一个循环可以脱除水份△d＝da－dc。

　　从上述热泵干燥原理来看，与一般干燥工艺差别是没有湿热气体排放，通过二个密闭循环系统，物料中的水份最终以液态水排除。采用该原理干化污泥有二大优点：
　　（1）节约能源：在热泵干燥中。不排放湿热气体而将其显热和潜热全部进行了回收，只耗用了一定的机械功。一般衡量热泵热回收能力常用热泵性能系数来表征，即

　　　　　　　　　　　COP=冷凝器提供热量／压缩机的功耗＝QC/W0

　　在污泥设备干燥中COP＝4.0～5.0，既热泵提供的热量是电耗热量的4～5倍。
　　衡量干燥设备耗能另一重要指标热泵比脱水率WPE

　　　　　　　　　　　WPE=脱水量/热泵能耗=kg(水)/kw.H(电）

　　在目前设备中热泵WPE＝5.0～6.0。即每度电可脱水5～6公斤。
　　（2）不污染环境：由于热泵干化污泥在封闭的环境中进行，在干化过程中产生的一切有臭有害气体可以做到不外泄，对周围环境可以减少到最低的污染，有利在居民点附近进行干化操作。

3　热泵干化污泥装置简介

　　我所科技人员自八十年代以来，对热泵干燥技术进行了系统的研究与开发。采用了高温热力性能良好的工质R142b和独特的热风循环系统（专利号：ZL 97222358.4）开发了系列的高温热泵除湿机。该机组的干化温度在50～85℃范围内均可工作，至今已有500～600台（套）设备投入运行，尤其在木材干燥方面取得了优异成效；如上海的优质木制品一半以上，均用我所设备进行干燥处理。出口名牌木制品，几乎悉数采用我所设备进行干燥加工。2000年获得了《国家重点新产品》称号，自1997年以来我所被评为《上海市高新技术企业》。
　　而与热泵干燥机组相匹配的干燥室有连续干燥和间歇干燥两种方式。一般物料比较粗大，干燥周期较长或物料不形成批量的多用间歇干燥，即物料是采用间歇载入和卸出的。如木材、农副产品、药材、工艺品多用此方式。

　　对于污泥干化周期相对短，批量又较大，成型后物料细小而颗粒度又较均一故宜采用连续进料和出料的连续式干燥方式。我所研制的一台污泥干化连续式热泵干燥装置的样机，工作原理如图四所示，其外形参见照片1。热泵干燥机仍沿用我所卓有成效，成熟的机组。干燥室内装有传送速度可调的不锈钢网带的传送带组。为了干化工艺过程全部在封闭环境中进行，在干燥室内配置了两套成型机。

　　经过发酵后含水量为60～65%的粉状污泥通过封闭输送筒，进入干燥室内，为了易于干化，防止干化后污泥飞扬，经过初步成型，倾在传送带上，传送带按设定速度带着物料转运，经数层传送带来回运送使污泥干化到含水率40%左右再进行第二次成型成颗粒肥料，再经数次传送带来回运送干化，最后达到含水率20%成品的颗粒肥料（参见照片2）送出干燥室，再通过封闭传送机构送到包装车间，盛袋装出。

　　从热泵干燥机组送出的热风，经循环风机向传送带垂向送风，穿过数层盛载污泥不锈钢网带时，吸收物料水份返回到热泵中除湿，这种干燥方式亦称热泵穿流干燥。采用这种方式也曾对未经发酵含水率80%的排水污泥，成功地干化到60%含水率。当然在干化过程中成型比较困难，但这也为进一步扩大处理污泥的范围创造了条件。

4　热泵技术干化污泥的特点

　　经过热泵干燥装置的研制试验与分析，热泵干燥污泥具有以下优点：
　　（1）能耗费用低
　　热泵干化污泥装置在运行中能回收湿热空气的显热和潜热，能量得到充分而合理利用，是一种公认的高效节能设备。按目前上海地区的能源价格计算，热泵运行的能源费用，是用煤气和燃油作热源进行供热干燥的一半左右（详见经济分析）。
　　（2）不污染环境
　　由于热泵干化污泥的全过程是在封闭系统中进行，不需向周围环境排湿，同时也会排出有害、有臭味的气体。若将进出料系统全部封闭在管道中，会使整个操作保持清洁环境。干化后的污泥已成为无臭颗粒肥料。干燥污泥后打开干燥室清理时，也无明显臭味溢出。这与其他干燥方法相比，是一个独特的优点。
　　（3）污泥干化质量好
　　热泵干燥装置中的干燥介质是在封闭的空间循环；不受外界气候条件的影响，一年四季均在同一条件下平稳运行，所以干燥质量稳定。污泥是城市排水经过絮凝剂沉淀出来的胶状固体微团，成分结构复杂，亲水力较强。热泵干化温度不仅可在50～85℃调节，而且可以控制干燥室的湿度，满足有机污泥干化的理想条件，不会造成污泥微团外壁结壳，造成难以脱水的现象。试验证明，干燥成品的含水率均匀，又能保持颗粒肥料中的有机成分。另外，由于循环是在封闭的空间内进行，不受外界气候条件的影响，一年四季均在同一条件下运行，干燥质量很稳定。
　　（4）易形成现代化的产业
　　目前研制的日处理一吨污泥热泵干化装置的样机，在宽1.5米、高2.3米、长3.5米的封闭空间内已含了热源、干燥室、鼓风设备和控制等设备，非常紧凑。若扩大到日处理五吨污泥的设备，其体积不会超过B×H×L=2米×3米×5米。其占地面积非常有限。此外，本装置可以组合式运行。如需日处理20吨污泥量，则可以使4台机组紧密并列运行，总的占地面积很小，当然，在日处理量有波动时还可以调整运行台数。由于热泵干燥操作为单一的电能，自动化程度高，非常适宜配套在现代化城市应用。

5　热泵干燥能耗的经济性

　　热泵是用电力驱动的装置，一般误认为耗电成本高，不易被接受。现分别就采用煤、燃油、煤气和热泵作为供热源的干燥装置，进行经济性比较，对各种热源的热值和价格作如下设定：
　　（1）煤热值：6700大卡／公斤，价格：0.35元／公斤。
　　（2）煤气热值：3500大卡／M³，价格： 0.8元／M³。
　　（3）燃油热值：10800大卡／kg，价格：2.4元／kg。
　　（4）电热值：860大卡／kWh，平均电价：0.45 元／kWh。
　　（白天0.6元／kWh，夜间0.3元／kWh）
　　若以处理一吨含水率60%污泥干化成含水率20％的颗粒肥料为例，提供相等的干化热量，其能耗成本计算结果如下表所示：

干燥热源

能源转换效率

干燥效率

处理一吨污泥成本

煤

η_T＝0.7

η_干＝0.9

25元

煤气

η_T＝0.85

η_干＝0.9

89元

燃油

η_T＝0.8

η_干＝0.9

93元

热泵

Cop＝4.0

η_干＝0.96

41元

　　由上表可见，各种热源的干燥装置，除煤外，采用热泵干燥，比燃油、煤气成本均低。但使用煤的实际成本，比上表所列要高，因为除干燥设备外，还需要投资庞大的锅炉房、锅炉设备和支付繁杂的管理费用，如增加环保设施、管理操作人员、煤的堆场，煤和渣的运输等。

6　小结

　　将污泥干化成颗粒肥料，采用热泵除湿干燥装置与其他供热方式的干燥装置比较，其优缺点如下表所示：

不同热源干燥

能耗成本比例

操作简易性

环境污染

干燥质量控制

热泵

1

易

无

好

煤

0.61

较复杂

较重

不易稳定

煤气

2.17

一般

较轻

较好

燃油

2.27

一般

较轻

较好

　　因此，随着环保要求提高，特别是人口密度较高的城市里，采用热泵来干化污泥具有独特的优势。