空氣源熱泵干化應(yīng)用于污泥減量化研究初探

何志鋒+安平林+袁博威+牛濤+梁華杰+李根峰

摘 要：長期以來，污泥減量化是污泥處理處置的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的深度脫水方式不僅減量化程度低、需要添加礦物而且最終只能去填埋處置，受土地資源影響未來不可持續(xù)；而熱干化處理處理污泥往往成本較高而難以在污水廠應(yīng)用推廣。本文從探討空氣源熱泵基本原理及應(yīng)用于污泥干化的可行性，比較其他減量化技術(shù)在預(yù)期效果、投資運(yùn)行費(fèi)用及安全環(huán)境方面的優(yōu)劣，并對其技術(shù)應(yīng)用的研究方向提出一些建議和思考。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；污泥減量化；污泥干化；脫水污泥

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.061

0 引言

污泥處置方式有填埋、土地利用、干化焚燒和協(xié)同焚燒[1，2]。填埋法仍是我國污泥的現(xiàn)階段主要的處置方式[3，4，5]，目前市場份額占比約65%，技術(shù)成熟，但填埋場庫容有限；在土地資源緊張地區(qū)被作為一種應(yīng)急手段，未來不可持續(xù)。污泥土地利用首先要對污泥進(jìn)行穩(wěn)定化處理，與土地利用對應(yīng)的處理工藝包括好氧堆肥、厭氧消化（含熱水解）的處理技術(shù)，目前在華北地區(qū)應(yīng)用較多，市場份額約占15%。污泥焚燒（包括污泥摻燒）是最徹底的一種處置方式，目前市場份額約占11%，而在日本和德國污泥焚燒規(guī)模占比約68%和52%。但由于國內(nèi)污泥熱值低，相當(dāng)于日本和德國1/3～1/2，焚燒必須對污泥進(jìn)行干化[6]。但是利用熱干化往往需要配套蒸汽和周邊余熱資源，利用外部熱源導(dǎo)致干化價(jià)格較高，項(xiàng)目直接運(yùn)行成本較高。實(shí)踐表明，污泥減水減量化是打通污泥資源的關(guān)鍵前提，當(dāng)前污泥處置遭遇瓶頸與污泥減量化不足、傳統(tǒng)技術(shù)裝備相對落后密切相關(guān)，亟需技術(shù)升級和突破。本文從污泥減量化角度出發(fā)，探討空氣源熱泵應(yīng)用于污泥減量化的可行性。

1 簡介

空氣源熱泵干化是一種新型的干燥技術(shù)，目前主要應(yīng)用于木材、煙草、食品等行業(yè)的物料干化。空氣源熱泵干化利用逆卡諾原理[7，8]，回收空氣中水份凝結(jié)的潛熱以對循環(huán)空氣再加熱的一種裝置?？諝庠礋岜酶苫到y(tǒng)中主要存在兩個(gè)循環(huán)，詳見附圖1。其一是制冷循環(huán)，制冷循環(huán)是指內(nèi)部的制冷劑經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮做功后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，在冷凝器內(nèi)放熱后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸收干燥箱體內(nèi)的水蒸氣熱量進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)；其二是濕空氣循環(huán)，進(jìn)入干燥箱內(nèi)的干熱空氣經(jīng)過與物料直接接觸后，吸收物料中的水分降低溫度，在蒸發(fā)器內(nèi)與制冷劑間接接觸，溫度降低從而去處濕空氣中的水分，最后與冷凝器間接接觸吸收熱量提高溫度，再次進(jìn)入干燥箱體內(nèi)。

空氣源熱泵干燥系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、循環(huán)風(fēng)機(jī)和干燥室等組成，見圖1。

空氣源熱泵污泥干化可直接應(yīng)用于污水處理廠常規(guī)脫水設(shè)備（離心、帶式等）后，可通過污泥泵或螺旋輸送機(jī)等設(shè)備將污泥送入切條成型機(jī)，形成φ5mm左右的面條狀，最終污泥在熱泵干化設(shè)備內(nèi)一次干化成型，干化后含水率可降低至20～30%，干化停留時(shí)間約2～3h，其工藝流程簡圖如下。

2 特征與結(jié)構(gòu)

如圖1所采用的空氣源熱泵干化系統(tǒng)是一種封閉式一體化系統(tǒng)，濕空氣和制冷劑在各自的風(fēng)道和管路內(nèi)循環(huán)利用。污泥通過切條或破碎后送入干燥箱體內(nèi)，干燥箱體內(nèi)布置2～3層網(wǎng)帶輸送機(jī)，污泥經(jīng)過切條機(jī)進(jìn)入干燥箱體內(nèi)，被均勻的攤鋪在網(wǎng)帶機(jī)上，隨著網(wǎng)帶機(jī)傳動然后落入下層網(wǎng)帶，最終通過排泥口排出。干燥箱體保溫處理防止熱量散失，可視為絕熱等焓過程。干熱空氣通過風(fēng)機(jī)被引入至網(wǎng)帶機(jī)下部，熱風(fēng)溫度約65～70℃，經(jīng)過穿流數(shù)層網(wǎng)帶后，與物料接觸，溫度降低至50～55℃。污泥中水分蒸發(fā)過程伴隨少量H2S、NH3等臭性氣體析出，但由于空氣在干燥箱體內(nèi)不斷循環(huán)，在源頭避免了產(chǎn)生的臭氣污染問題。

制冷劑在熱泵系統(tǒng)中，包括蒸發(fā)、冷凝、節(jié)流和壓縮過程，其中蒸發(fā)過程和冷凝過程不斷為空氣吸收和釋放熱量，低溫低壓的制冷劑氣體通過壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的氣體。節(jié)流過程為冷凝器出來的中溫高壓的制冷劑液體，經(jīng)過節(jié)流裝置的節(jié)流，變成了低溫低壓制冷劑液體。應(yīng)用于污泥干化的熱泵系統(tǒng)，所選用的蒸發(fā)器和冷凝器為管翅片換熱器，一般為銅鋁結(jié)構(gòu)，換熱效果好；所選用的壓縮機(jī)有螺桿式和渦旋式。目前常用的制冷劑有R22、R134a、R407c等，不同的制冷劑與采用的壓縮機(jī)型式、熱力循環(huán)效率、制冷工況、對材料的腐蝕性、與潤滑油的相溶性、以及經(jīng)濟(jì)性、安全性等關(guān)系密切。

3 可行性分析

污泥減量化技術(shù)方法主要有改性壓榨法、熱干化法等，其中熱干化法主要有間接熱干化法。本文以10t/d規(guī)模（含水率80%的污泥干化）為例，從處理效果、投資運(yùn)行費(fèi)用、環(huán)境衛(wèi)生等方面對照比較。

3.1 處理效果

從上表可以看出，三種減量化技術(shù)工藝原理差別較大，改性壓榨法減量化效果較差，由于增加40～50%/DS的調(diào)理劑，實(shí)際減量約在40～50%左右，且自動化程度相對較低。熱干化技術(shù)通常需要配套熱源，干化后物料粒徑呈不規(guī)則狀。而空氣源熱泵由于經(jīng)過污泥切條成型，最終污泥出料較為均勻。

3.2 投資運(yùn)行費(fèi)用

注：1、蒸汽成本按230元/t計(jì)，電價(jià)費(fèi)用為0.65元/kwh，改性藥劑價(jià)格按市場價(jià)估算；

2、本表計(jì)算的減水量指熱干化和空氣源熱泵干化干化至20%，改性脫水技術(shù)60%。

從上表可以看出，通過熱干化法和空氣源熱泵都能獲得較高的脫水量，減量化程度較高，改性壓榨法由于固化劑等藥劑用量較多，實(shí)際減水量約為40%；改性壓榨和熱干化技術(shù)主要藥劑消耗和能源消耗占主要成本費(fèi)用的80%左右，空氣源熱泵干化僅消耗電能。從噸泥費(fèi)用計(jì)算來看，由于能源價(jià)格較高，熱干化法成本費(fèi)用最高，其次為空氣源熱泵技術(shù)和改性壓榨技術(shù)；但由于空氣源熱泵減水量大，實(shí)際蒸發(fā)噸水成本最低。系統(tǒng)設(shè)備投資方面，熱干化法和空氣源熱泵設(shè)備投入相差不大，較高于改性壓榨技術(shù)。

3.3 環(huán)境衛(wèi)生

空氣源熱泵由于采用封閉式循環(huán)運(yùn)行，對外無直接氣體排放，相比熱干化法對環(huán)境的影響較小，產(chǎn)生的粉塵、臭氣及廢水的量較少。由于采用低溫干化，污泥干化過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物較少，污泥的熱值保存較好，便于最終焚燒或其他資源化處置。

4 小結(jié)

（1）綜合對照不同減量化技術(shù)的減量化效果、投資運(yùn)行成本與環(huán)境衛(wèi)生方面的因素，空氣源熱泵應(yīng)用于污泥干化有較明顯的優(yōu)勢。

（2）首先是減量化效果明顯，可直接干化至含水率20～40%，減量化程度高，干化后污泥呈條狀或柱狀，便于外運(yùn)，可有效防止轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的“跑冒滴漏”，提高污水廠出泥標(biāo)準(zhǔn)。

（3）其次，相比其他脫水減量技術(shù)，空氣源熱泵干化技術(shù)在噸水的蒸發(fā)成本費(fèi)用上甚至優(yōu)于，投資費(fèi)用與熱干化費(fèi)用相當(dāng)，具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

（4）在安全環(huán)境衛(wèi)生方面，由于空氣源熱泵工藝氣體循環(huán)利用，封閉式運(yùn)行，與污泥物料接觸的溫度較低（70℃以下），綜合環(huán)境影響較小。

（5）空氣源熱泵污泥干化設(shè)備可直接在污水處理廠配套建設(shè)，避免了脫水污泥的二次轉(zhuǎn)運(yùn)，對于提高污水處理廠出泥標(biāo)準(zhǔn)及污泥資源化處置有重要價(jià)值。

5 展望與建議

（1）空氣源熱泵應(yīng)用于脫水污泥干化還處于起步階段，與污泥干化相匹配的空氣源熱泵還需要進(jìn)一步的理論研究和實(shí)踐檢驗(yàn)。

（2）空氣源熱泵利用逆卡諾循環(huán)效率的原理，能效高于其他形式干化；但熱泵系統(tǒng)內(nèi)制冷量大于制熱量，制冷劑蒸發(fā)溫度偏高，這對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定的負(fù)面影響。因此，系統(tǒng)內(nèi)部熱量再平衡與利用以及專用的壓縮機(jī)選型還需要進(jìn)一步的研究。

（3）尋求環(huán)境友好、熱力性質(zhì)穩(wěn)定、系統(tǒng)性能良好的高溫制冷劑，是目前空氣源熱泵干化研究的一個(gè)重要內(nèi)容。

（4）污泥在干化過程中產(chǎn)生的少量粉塵和腐蝕性氣體對換熱器的產(chǎn)生污堵和腐蝕，需要進(jìn)一步研究防塵和防腐措施。

（5）目前國產(chǎn)空氣源熱泵污泥干化設(shè)備還較為落后，需要進(jìn)行針對性的產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化政策支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴曉虎.我國城鎮(zhèn)污泥處理處置現(xiàn)狀及思考[J].給水排水 ，2012（02）：215.

[2]朱南文，高廷耀，周增炎.我國城市污水廠污泥處置途徑的選擇[J]. 上海環(huán)境科學(xué)，1998（11）.

[3]呂斌，王弘宇，楊小俊.污泥脫水性能調(diào)理技術(shù)研究進(jìn)展[J].山西建筑，2009（09）.

[4]荀銳，王偉，喬瑋，尹可清.城市污泥處理現(xiàn)狀與強(qiáng)化脫水的水熱減量化技術(shù)[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2008（02）.

[5]高健磊，閆怡新，吳建平，萬耀強(qiáng).城市污水處理廠污泥脫水性能研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008（02）.

[6]郝先鵬.污泥熱干化技術(shù)的研究進(jìn)展[J].四川化工，2015（05）

[7]張振濤，楊魯偉，董艷華，呂君，戴群特，朱斌祥.用于污泥熱泵干化的帶式干燥機(jī)熱力分析[J].流體機(jī)械，2010（12）.

[8]徐國富.用于污泥干燥的熱泵試驗(yàn)研究[J].能源工程，2009（01）.

作者簡介：何志鋒（1982-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槌鞘形勰嗵幚硖幹醚芯俊?