熱泵技術干化污泥的設備_不銹鋼網帶應用行業案例
1 前言
將熱泵作為熱源進行干燥、干化和脫水等作業，是上世紀八十年代發展起來的新型干燥技術。目前，該技術已應用于各個領域，如在木材、化工產品、食品干燥、蔬菜脫水和污泥糞便干化等方面，都取得了良好的效果。針對污泥和糞便干化問題，熱泵干化技術具有運行費用低和對環境無任何污染的兩大優勢。早在上個世紀八十年代初日本已取得成功的運用。
2 熱泵干燥原理
熱泵干燥設備由熱泵的熱力循環系統和熱風干燥循環系統組成。熱泵循環系統為熱風干燥系統提供熱源和降低熱風濕度。熱風干燥系統，通過循環熱風與物料直接接觸，提供蒸發水份熱量，帶走物料中的水份。
所謂“熱泵”，是耗用一定的機械功，吸取環境或廢棄物中低品位熱能，將其提高成為可利用的熱能的一種節能裝置。正如“水泵”一樣，耗用一定機械功，將水從低水位提高到所需的水位。
熱泵系統由壓縮機、冷凝器、節流裝置和蒸發器組成，如圖一所示。系統內運行的工質，在蒸發器中吸取干燥室排出濕熱空氣中的熱量，從低壓液態工質蒸發成低壓蒸汽，經壓縮機增壓成為高溫高壓的蒸汽；在冷凝器中，高溫高壓的工質蒸汽放出熱量加熱進入干燥室的空氣，而工質本身則從氣體冷凝成高壓液體；通過節流裝置，液體工質產生阻塞效應，降低了壓力和溫度，成為低壓低溫液體，再度進入蒸發器中吸收濕熱氣體的熱量，如此反復循環將低溫熱量輸送到高溫介質中去，形成熱泵循環。
從熱風干燥循環系統來看，其熱風流程如圖二所示。干燥室排出氣體，是含水份較高的濕熱氣體，其狀態如圖三h-d圖上的點a，其相對濕度在ψ＝70～80%左右，通過熱泵的蒸發器時，由于蒸發器表面溫度低于空氣露點溫度，不僅降低了空氣的溫度并且在蒸發器表面將水汽冷凝下來，以液體水的狀態排出系統外。氣體離開蒸發器變成低溫而濕潤，如圖三上點b其相對濕度一般在ψ=95-97%。脫濕后的氣體在熱泵冷凝器中得到等濕加熱，提高了氣體溫度，同時也降低了相對濕度，如圖三C點成為干熱氣體進入干燥室。在干燥室中，干熱氣體與被干燥物料直接接觸，提供物料干化的熱量，同時也帶走了水份。空氣在干燥室內為等焓增濕降溫過程，在離開干燥室時又回復到圖三的a點。從圖三上可見每公斤氣體通過一個循環可以脫除水份△d＝da－dc。
從上述熱泵干燥原理來看，與一般干燥工藝差別是沒有濕熱氣體排放，通過二個密閉循環系統，物料中的水份最終以液態水排除。采用該原理干化污泥有二大優點：
（1）節約能源：在熱泵干燥中。不排放濕熱氣體而將其顯熱和潛熱全部進行了回收，只耗用了一定的機械功。一般衡量熱泵熱回收能力常用熱泵性能系數來表征，即
COP=冷凝器提供熱量／壓縮機的功耗＝QC/W0
在污泥設備干燥中COP＝4.0～5.0，既熱泵提供的熱量是電耗熱量的4～5倍。
衡量干燥設備耗能另一重要指標熱泵比脫水率WPE
WPE=脫水量/熱泵能耗=kg(水)/kw.H(電）
在目前設備中熱泵WPE＝5.0～6.0。即每度電可脫水5～6公斤。
（2）不污染環境：由于熱泵干化污泥在封閉的環境中進行，在干化過程中產生的一切有臭有害氣體可以做到不外泄，對周圍環境可以減少到最低的污染，有利在居民點附近進行干化操作。
3 熱泵干化污泥裝置簡介
我所科技人員自八十年代以來，對熱泵干燥技術進行了系統的研究與開發。采用了高溫熱力性能良好的工質R142b和獨特的熱風循環系統（專利號：ZL 97222358.4）開發了系列的高溫熱泵除濕機。該機組的干化溫度在50～85℃范圍內均可工作，至今已有500～600臺（套）設備投入運行，尤其在木材干燥方面取得了優異成效；如上海的優質木制品一半以上，均用我所設備進行干燥處理。出口名牌木制品，幾乎悉數采用我所設備進行干燥加工。2000年獲得了《國家重點新產品》稱號，自1997年以來我所被評為《上海市高新技術企業》。
而與熱泵干燥機組相匹配的干燥室有連續干燥和間歇干燥兩種方式。一般物料比較粗大，干燥周期較長或物料不形成批量的多用間歇干燥，即物料是采用間歇載入和卸出的。如木材、農副產品、藥材、工藝品多用此方式。
對于污泥干化周期相對短，批量又較大，成型后物料細小而顆粒度又較均一故宜采用連續進料和出料的連續式干燥方式。我所研制的一臺污泥干化連續式熱泵干燥裝置的樣機，工作原理如圖四所示，其外形參見照片1。熱泵干燥機仍沿用我所卓有成效，成熟的機組。干燥室內裝有傳送速度可調的不銹鋼網帶的傳送帶組。為了干化工藝過程全部在封閉環境中進行，在干燥室內配置了兩套成型機。
經過發酵后含水量為60～65%的粉狀污泥通過封閉輸送筒，進入干燥室內，為了易于干化，防止干化后污泥飛揚，經過初步成型，傾在不銹鋼網帶上，傳送帶按設定速度帶著物料轉運，經數層傳送帶來回運送使污泥干化到含水率40%左右再進行第二次成型成顆粒肥料，再經數次傳送帶來回運送干化，最后達到含水率20%成品的顆粒肥料（參見照片2）送出干燥室，再通過封閉傳送機構送到包裝車間，盛袋裝出。
從熱泵干燥機組送出的熱風，經循環風機向網帶（傳送帶）垂向送風，穿過數層盛載污泥不銹鋼網帶時，吸收物料水份返回到熱泵中除濕，這種干燥方式亦稱熱泵穿流干燥。采用這種方式也曾對未經發酵含水率80%的排水污泥，成功地干化到60%含水率。當然在干化過程中成型比較困難，但這也為進一步擴大處理污泥的范圍創造了條件。
輸送帶(不銹鋼網帶分類)：網帶,不銹鋼網帶,金屬網帶,長城網帶,乙型網帶,輸送網帶,人字型網帶,馬蹄網帶,曲軸網帶,鏈條網帶,串桿網帶等
4 熱泵技術干化污泥的特點
經過熱泵干燥裝置的研制試驗與分析，熱泵干燥污泥具有以下優點：
（1）能耗費用低
熱泵干化污泥裝置在運行中能回收濕熱空氣的顯熱和潛熱，能量得到充分而合理利用，是一種公認的高效節能設備。按目前上海地區的能源價格計算，熱泵運行的能源費用，是用煤氣和燃油作熱源進行供熱干燥的一半左右（詳見經濟分析）。
（2）不污染環境
由于熱泵干化污泥的全過程是在封閉系統中進行，不需向周圍環境排濕，同時也會排出有害、有臭味的氣體。若將進出料系統全部封閉在管道中，會使整個操作保持清潔環境。干化后的污泥已成為無臭顆粒肥料。干燥污泥后打開干燥室清理時，也無明顯臭味溢出。這與其他干燥方法相比，是一個獨特的優點。
（3）污泥干化質量好
熱泵干燥裝置中的干燥介質是在封閉的空間循環；不受外界氣候條件的影響，一年四季均在同一條件下平穩運行，所以干燥質量穩定。污泥是城市排水經過絮凝劑沉淀出來的膠狀固體微團，成分結構復雜，親水力較強。熱泵干化溫度不僅可在50～85℃調節，而且可以控制干燥室的濕度，滿足有機污泥干化的理想條件，不會造成污泥微團外壁結殼，造成難以脫水的現象。試驗證明，干燥成品的含水率均勻，又能保持顆粒肥料中的有機成分。另外，由于循環是在封閉的空間內進行，不受外界氣候條件的影響，一年四季均在同一條件下運行，干燥質量很穩定。
（4）易形成現代化的產業
目前研制的日處理一噸污泥熱泵干化裝置的樣機，在寬1.5米、高2.3米、長3.5米的封閉空間內已含了熱源、干燥室、鼓風設備和控制等設備，非常緊湊。若擴大到日處理五噸污泥的設備，其體積不會超過B×H×L=2米×3米×5米。其占地面積非常有限。此外，本裝置可以組合式運行。如需日處理20噸污泥量，則可以使4臺機組緊密并列運行，總的占地面積很小，當然，在日處理量有波動時還可以調整運行臺數。由于熱泵干燥操作為單一的電能，自動化程度高，非常適宜配套在現代化城市應用。
5 熱泵干燥能耗的經濟性
熱泵是用電力驅動的裝置，一般誤認為耗電成本高，不易被接受。現分別就采用煤、燃油、煤氣和熱泵作為供熱源的干燥裝置，進行經濟性比較，對各種熱源的熱值和價格作如下設定：
（1）煤熱值：6700大卡／公斤，價格：0.35元／公斤。
（2）煤氣熱值：3500大卡／M3，價格： 0.8元／M3。
（3）燃油熱值：10800大卡／kg，價格：2.4元／kg。
（4）電熱值：860大卡／kWh，平均電價：0.45 元／kWh。
（白天0.6元／kWh，夜間0.3元／kWh）
若以處理一噸含水率60%污泥干化成含水率20％的顆粒肥料為例，提供相等的干化熱量，其能耗成本計算結果如下表所示：
干燥熱源
能源轉換效率
干燥效率
處理一噸污泥成本
煤
ηT＝0.7
η干＝0.9
25元
煤氣
ηT＝0.85
η干＝0.9
89元
燃油
ηT＝0.8
η干＝0.9
93元
熱泵
Cop＝4.0
η干＝0.96
41元
由上表可見，各種熱源的干燥裝置，除煤外，采用熱泵干燥，比燃油、煤氣成本均低。但使用煤的實際成本，比上表所列要高，因為除干燥設備外，還需要投資龐大的鍋爐房、鍋爐設備和支付繁雜的管理費用，如增加環保設施、管理操作人員、煤的堆場，煤和渣的運輸等。
6 小結
將污泥干化成顆粒肥料，采用熱泵除濕干燥裝置與其他供熱方式的干燥裝置比較，其優缺點如下表所示：
不同熱源干燥
能耗成本比例
操作簡易性
環境污染
干燥質量控制
熱泵
1
易
無
好
煤
0.61
較復雜
較重
不易穩定
煤氣
2.17
一般
較輕
較好
燃油
2.27
一般
較輕
較好
因此，隨著環保要求提高，特別是人口密度較高的城市里，采用熱泵來干化污泥具有獨特的優勢。
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