空氣源熱泵干化應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鍵難點之一。傳統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；而熱干化處理處理污泥往往成本較高而難以在污水廠應用推廣。本文從探討空氣源熱泵基本原理及應用于污泥干化的可行性，比較其他減量化技術在預期效果、投資運行費用及安全環境方面的優劣，并對其技術應用的研究方向提出一些建議和思考。

關鍵詞：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、干化焚燒和協同焚燒[1，2]。填埋法仍是我國污泥的現階段主要的處置方式[3，4，5]，目前市場份額占比約65%，技術成熟，但填埋場庫容有限；在土地資源緊張地區被作為一種應急手段，未來不可持續。污泥土地利用首先要對污泥進行穩定化處理，與土地利用對應的處理工藝包括好氧堆肥、厭氧消化（含熱水解）的處理技術，目前在華北地區應用較多，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模占比約68%和52%。但由于國內污泥熱值低，相當于日本和德國1/3～1/2，焚燒必須對污泥進行干化[6]。但是利用熱干化往往需要配套蒸汽和周邊余熱資源，利用外部熱源導致干化價格較高，項目直接運行成本較高。實踐表明，污泥減水減量化是打通污泥資源的關鍵前提，當前污泥處置遭遇瓶頸與污泥減量化不足、傳統技術裝備相對落后密切相關，亟需技術升級和突破。本文從污泥減量化角度出發，探討空氣源熱泵應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，目前主要應用于木材、煙草、食品等行業的物料干化。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的潛熱以對循環空氣再加熱的一種裝置。空氣源熱泵干化系統中主要存在兩個循環，詳見附圖1。其一是制冷循環，制冷循環是指內部的制冷劑經過壓縮機壓縮做功后轉變為高溫高壓氣體，在冷凝器內放熱后進入蒸發器，在蒸發器內吸收干燥箱體內的水蒸氣熱量進入下一個循環；其二是濕空氣循環，進入干燥箱內的干熱空氣經過與物料直接接觸后，吸收物料中的水分降低溫度，在蒸發器內與制冷劑間接接觸，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，再次進入干燥箱體內。

空氣源熱泵干燥系統由蒸發器、壓縮機、冷凝器、膨脹閥、循環風機和干燥室等組成，見圖1。

空氣源熱泵污泥干化可直接應用于污水處理廠常規脫水設備（離心、帶式等）后，可通過污泥泵或螺旋輸送機等設備將污泥送入切條成型機，形成φ5mm左右的面條狀，最終污泥在熱泵干化設備內一次干化成型，干化后含水率可降低至20～30%，干化停留時間約2～3h，其工藝流程簡圖如下。

2 特征與結構

如圖1所采用的空氣源熱泵干化系統是一種封閉式一體化系統，濕空氣和制冷劑在各自的風道和管路內循環利用。污泥通過切條或破碎后送入干燥箱體內，干燥箱體內布置2～3層網帶輸送機，污泥經過切條機進入干燥箱體內，被均勻的攤鋪在網帶機上，隨著網帶機傳動然后落入下層網帶，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。干熱空氣通過風機被引入至網帶機下部，熱風溫度約65～70℃，經過穿流數層網帶后，與物料接觸，溫度降低至50～55℃。污泥中水分蒸發過程伴隨少量H2S、NH3等臭性氣體析出，但由于空氣在干燥箱體內不斷循環，在源頭避免了產生的臭氣污染問題。

制冷劑在熱泵系統中，包括蒸發、冷凝、節流和壓縮過程，其中蒸發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壓縮成高溫高壓的氣體。節流過程為冷凝器出來的中溫高壓的制冷劑液體，經過節流裝置的節流，變成了低溫低壓制冷劑液體。應用于污泥干化的熱泵系統，所選用的蒸發器和冷凝器為管翅片換熱器，一般為銅鋁結構，換熱效果好；所選用的壓縮機有螺桿式和渦旋式。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型式、熱力循環效率、制冷工況、對材料的腐蝕性、與潤滑油的相溶性、以及經濟性、安全性等關系密切。

3 可行性分析

污泥減量化技術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規模（含水率80%的污泥干化）為例，從處理效果、投資運行費用、環境衛生等方面對照比較。

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的調理劑，實際減量約在40～50%左右，且自動化程度相對較低。熱干化技術通常需要配套熱源，干化后物料粒徑呈不規則狀。而空氣源熱泵由于經過污泥切條成型，最終污泥出料較為均勻。

3.2 投資運行費用

注：1、蒸汽成本按230元/t計，電價費用為0.65元/kwh，改性藥劑價格按市場價估算；

2、本表計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，實際減水量約為40%；改性壓榨和熱干化技術主要藥劑消耗和能源消耗占主要成本費用的80%左右，空氣源熱泵干化僅消耗電能。從噸泥費用計算來看，由于能源價格較高，熱干化法成本費用最高，其次為空氣源熱泵技術和改性壓榨技術；但由于空氣源熱泵減水量大，實際蒸發噸水成本最低。系統設備投資方面，熱干化法和空氣源熱泵設備投入相差不大，較高于改性壓榨技術。

3.3 環境衛生

空氣源熱泵由于采用封閉式循環運行，對外無直接氣體排放，相比熱干化法對環境的影響較小，產生的粉塵、臭氣及廢水的量較少。由于采用低溫干化，污泥干化過程中產生的揮發性有機物較少，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

（1）綜合對照不同減量化技術的減量化效果、投資運行成本與環境衛生方面的因素，空氣源熱泵應用于污泥干化有較明顯的優勢。

（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，可有效防止轉運過程中的“跑冒滴漏”，提高污水廠出泥標準。

（3）其次，相比其他脫水減量技術，空氣源熱泵干化技術在噸水的蒸發成本費用上甚至優于，投資費用與熱干化費用相當，具有經濟性優勢。

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

（5）空氣源熱泵污泥干化設備可直接在污水處理廠配套建設，避免了脫水污泥的二次轉運，對于提高污水處理廠出泥標準及污泥資源化處置有重要價值。

5 展望與建議

（1）空氣源熱泵應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一步的理論研究和實踐檢驗。

（2）空氣源熱泵利用逆卡諾循環效率的原理，能效高于其他形式干化；但熱泵系統內制冷量大于制熱量，制冷劑蒸發溫度偏高，這對系統的穩定性有一定的負面影響。因此，系統內部熱量再平衡與利用以及專用的壓縮機選型還需要進一步的研究。

（3）尋求環境友好、熱力性質穩定、系統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重要內容。

（4）污泥在干化過程中產生的少量粉塵和腐蝕性氣體對換熱器的產生污堵和腐蝕，需要進一步研究防塵和防腐措施。

（5）目前國產空氣源熱泵污泥干化設備還較為落后，需要進行針對性的產品研發和產業化政策支持。

參考文獻：

[1]戴曉虎.我國城鎮污泥處理處置現狀及思考[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]. 上海環境科學，1998（11）.

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[6]郝先鵬.污泥熱干化技術的研究進展[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熱力分析[J].流體機械，2010（12）.

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

作者簡介：何志鋒（1982-），男，碩士研究生，主要研究方向為城市污泥處理處置研究。