太陽能-熱泵復合污泥干燥系統(tǒng)設計

王依琳 尹鵬宇 王孚懋

（1.濰坊正源路橋工程有限公司，濰坊 261011；2.山東科技大學 機械電子工程學院，青島 266590）

隨著我國經濟的快速發(fā)展和人口的城鎮(zhèn)化聚集，城鎮(zhèn)污水產生量與處理量不斷上升。據統(tǒng)計，全國范圍內已有3 830余座污水處理廠被投入使用，日污水處理能力約為1.6億m3，污水處理過程產生大量的污泥，含水率超過80%的污泥產量高達5 000萬t[1]。污泥處理需滿足減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化的指標要求[2]。目前處理污泥的主要技術手段為機械脫水法，產生的污泥含水率較高，需進一步降低其含水率。干燥法是目前降低含水率的主要技術手段，其中傳統(tǒng)干燥方式包括熱風干燥、輻射干燥以及真空干燥等[3]。然而，這些干燥方法存在安全性較差、能耗高、投資大以及易污染的問題。

太陽能與熱泵低溫干燥技術因節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)勢，在對其流程設計、干燥特性以及干燥設備等方面取得了一定進展。饒賓期等設計了太陽能熱泵干燥系統(tǒng)，加入太陽能集熱系統(tǒng)可為系統(tǒng)節(jié)約10%的能耗[4]。李朋剛通過設計優(yōu)化熱泵干燥系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)熱泵干燥最佳出風溫度為65～75 ℃[5]。曹雷等的研究表明，低溫環(huán)境度能夠有效提升干燥效果，避免干燥過程表面硬殼[6]。

本文針對低溫污泥干燥方式，結合干燥設備規(guī)范，進行干燥過程熱力計算，對污泥干燥系統(tǒng)進行設計計算。通過引入閉式熱泵干燥系統(tǒng)與太陽能集熱系統(tǒng)對干燥系統(tǒng)進行流程優(yōu)化，并與傳統(tǒng)方案進行環(huán)保與經濟性的綜合分析對比。

1 系統(tǒng)介紹

干燥系統(tǒng)由熱泵系統(tǒng)、太陽能集熱系統(tǒng)、干燥室以及控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)工作流程如圖1所示。太陽能集熱系統(tǒng)由平板集熱器、風機、除濕冷卻器以及管路等組成。

干燥室由保溫墻體構成，內部設置多層污泥傳送網帶，保證污泥穩(wěn)定在網帶上運行不泄露，同時實現(xiàn)污泥與空氣的充分接觸?？刂葡到y(tǒng)通過檢測干燥介質的參數(shù)調節(jié)輸入風量。當太陽輻射高時，增大閥門開度；當天氣狀況較差時，減小開度，充分發(fā)揮太陽能集熱系統(tǒng)的集熱能力和智能調節(jié)功能，以提高系統(tǒng)節(jié)能性。系統(tǒng)工作時，外界空氣被分別吸入熱泵與太陽能集熱系統(tǒng)，加熱后經進風管進入干燥室。干燥室傳送帶使熱風與污泥充分接觸，并帶走其中的水分完成干燥過程。干燥完成后的空氣通過控制系統(tǒng)智能分配調節(jié)，按照進口處風量比例分別返回至各自的系統(tǒng)。

2 干燥過程熱力計算

對于某水站，每天產生約3 t含水率為82.3%的污泥。中水回用裝置每天產生含水率為88.5%的污泥約1.2 t，干化后污泥含水率應降至35%。

污泥初始平均含水率XW1為84.1%，每秒污泥干燥量m為：

式中：M為每天污泥蒸發(fā)量，kg；XW2為污泥目標含水率，%。

干燥室是整個干燥系統(tǒng)的核心部分。合理的干燥室設計與干燥參數(shù)選取能夠顯著提高污泥的干燥效果。設計干燥參數(shù)如表1所示，其中干燥風速u為1.5 m·s-1。

表1 干燥室設計參數(shù)

2.1 干燥所需功率及空氣量

預熱過程所需功率Qy為：

式中：cw為污泥比熱，kJ·kg-1·K-1；ts為干燥室內空氣平均濕球溫度，℃；tw為污泥初始溫度，℃。

預熱過程所需空氣量l1為：

式中：Cpa為干燥室內空氣平均比熱容，kJ·kg-1·K-1；t1、t2分別為干燥室進出口空氣溫度，℃。

所需功率Qr為：

式中：r為對應干燥室平均濕球溫度下水的汽化潛熱，kJ·kg-1。

所需空氣量l2為：

式中：x1、x2分別為干燥室進出口空氣含濕量，kg·kg-1。

空氣耗量l為：

所需功率Q為：

計算可得預熱過程所需空氣量為0.186 kg·s-1，干燥過程所需空氣量為9.22 kg·s-1，干燥所需總功率為416.4 kW。

2.2 干燥速率及時長

單位面積上空氣質量流速Ga為：

式中：va為干燥室內平均溫度下的空氣比體積，m3·kg-1。

雷諾數(shù)Re為：

式中：Re為干燥氣體外掠柱狀污泥雷諾數(shù)；d為柱狀污泥直徑，m；ηa為干燥室平均溫度下空氣動力粘度，Pa·s-1；ρa為干燥室平均溫度下空氣密度，kg·m-3。

污泥與空氣表面?zhèn)髻|系數(shù)K為：

單位體積下污泥與熱風有效接觸面積α為：

式中：ε為污泥孔隙率。

傳遞單元數(shù)ξl為：

式中：h為污泥層厚度，m。

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降速干燥最大干燥速率Rc為：

計算得干燥時長與含水量積分關系如圖2所示。通過干燥時長積分圖，污泥干燥所需時長τ為4 h，污泥平均干燥速率Rdm為3.23 kg·m-2·h-1。

3 系統(tǒng)優(yōu)化分析

3.1 熱泵系統(tǒng)優(yōu)化

設置回熱交換器，干燥完成后的熱濕空氣經回熱交換器預冷后進入蒸發(fā)器降溫除濕，將熱量傳遞給熱泵工質，降溫析出的冷凝水經收集后排出。熱泵機組的參數(shù)如表2所示。

表2 熱泵系統(tǒng)設計參數(shù)

熱泵蒸發(fā)器除濕冷負荷ΦL：

式中：ΦL為蒸發(fā)器冷負荷，kW；m為每秒水分蒸發(fā)量，kg·s-1；hzj為蒸發(fā)器進口空氣焓值，kJ·kg-1；hzc為蒸發(fā)器出口空氣焓值，kJ·kg-1。

熱泵系統(tǒng)實際制熱系數(shù)COPH為：

式中：COPH為熱泵制熱系數(shù)；tL為熱泵蒸發(fā)溫度，℃；tH為熱泵冷凝溫度，℃；η為系統(tǒng)熱力完善度。

壓縮機功耗P為：

式中：P為壓縮機功率，kW。

冷凝器熱負荷ΦH為：

計算得熱泵實際制熱系數(shù)COPH為3.8，蒸發(fā)器冷負荷與空氣在冷凝器中吸熱量為316.7 kW，壓縮機耗功為109.5 kW，冷凝器熱負荷為416.4 kW，冷凝器多余熱負荷即為壓縮機輸入功率，為109.5 kW。

3.2 太陽能集熱系統(tǒng)節(jié)能分析

集熱器參數(shù)如表3所示，單集熱器集熱面積為3.75 m2，集熱器數(shù)目為24。

表3 集熱器參數(shù)表

總集熱量Pj的計算公式為：

計算得總集熱量Pj為45.93 kW，總集熱面積Aj為90 m2，太陽能集熱系統(tǒng)的干燥風量為5 184 kg·h-1。

熱泵系統(tǒng)COPH為3.8，故太陽能集熱系統(tǒng)對于熱泵系統(tǒng)節(jié)能功率Ps為：

計算得Ps為12.09 kW，即為熱泵壓縮機節(jié)能12.09 kW，約占干燥系統(tǒng)總能耗的11.04%。

4 系統(tǒng)設備選型與性能分析

選用10臺機組熱泵，單個機組功率為11.00 kW，單個蒸發(fā)器熱負荷為31.70 kW，換熱面積為132.4 m2，冷凝器熱負荷為41.64 kW，換熱面積為178.0 m2。除濕冷卻器所需換熱面積為192.1 m2，系統(tǒng)總風量為37 080 m3·h-1，采用10臺風機，單臺風機風量約為3 708 m3·h-1，太陽能干燥系統(tǒng)風量約為4 675 m3·h-1，所需風機數(shù)量2臺，單個風機功率為2.0 kW，風壓為1 514～1 109 Pa。不同干燥方式對比如表4所示。

表4 干燥方式對比

本系統(tǒng)干燥1 kg水節(jié)約電量0.4～0.5 kW·h，按每千瓦時0.8元計算，每天節(jié)約運行費用838元。初投資約為40萬元，約1.5年可回收投資成本。本系統(tǒng)干燥過程更安全，不僅不會產生污染，而且大幅提高了系統(tǒng)經濟性，有效改善了傳統(tǒng)干燥工藝存在的各種問題。

5 結語

通過對太陽能-熱泵復合污泥干燥系統(tǒng)的分析和與傳統(tǒng)污泥干燥系統(tǒng)的對比，從投資成本、運行費用、成本回收周期以及干燥效果等方面進行分析。相較于傳統(tǒng)污泥干燥，設計的太陽能-熱泵復合污泥干燥系統(tǒng)單位能耗除濕量提升明顯。隨著污泥處理量的增大，節(jié)能效果愈加顯著，約1.5年可收回投資成本。利用熱泵回收除濕冷凝熱能夠顯著提高系統(tǒng)性能與經濟性，太陽能集熱系統(tǒng)節(jié)能達12.64%。