太陽能-熱泵復合污泥干燥系統設計

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展和人口的城鎮化聚集，城鎮污水產生量與處理量不斷上升。據統計，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能環保等突出優勢，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，加入太陽能集熱系統可為系統節約10%的能耗[4]。李朋剛通過設計優化熱泵干燥系統，發現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，結合干燥設備規范，進行干燥過程熱力計算，對污泥干燥系統進行設計計算。通過引入閉式熱泵干燥系統與太陽能集熱系統對干燥系統進行流程優化，并與傳統方案進行環保與經濟性的綜合分析對比。

1 系統介紹

干燥系統由熱泵系統、太陽能集熱系統、干燥室以及控制系統組成，系統工作流程如圖1所示。太陽能集熱系統由平板集熱器、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，保證污泥穩定在網帶上運行不泄露，同時實現污泥與空氣的充分接觸。控制系統通過檢測干燥介質的參數調節輸入風量。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，充分發揮太陽能集熱系統的集熱能力和智能調節功能，以提高系統節能性。系統工作時，外界空氣被分別吸入熱泵與太陽能集熱系統，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智能分配調節，按照進口處風量比例分別返回至各自的系統。

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為每天污泥蒸發量，kg；XW2為污泥目標含水率，%。

干燥室是整個干燥系統的核心部分。合理的干燥室設計與干燥參數選取能夠顯著提高污泥的干燥效果。設計干燥參數如表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

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Re為：

式中：Re為干燥氣體外掠柱狀污泥雷諾數；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。

污泥與空氣表面傳質系數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 系統優化分析

3.1 熱泵系統優化

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。熱泵機組的參數如表2所示。

表2 熱泵系統設計參數

熱泵蒸發器除濕冷負荷ΦL：

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

熱泵系統實際制熱系數COPH為：

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

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COPH為3.8，蒸發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 太陽能集熱系統節能分析

集熱器參數如表3所示，單集熱器集熱面積為3.75 m2，集熱器數目為24。

表3 集熱器參數表

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，太陽能集熱系統的干燥風量為5 184 kg·h-1。

熱泵系統COPH為3.8，故太陽能集熱系統對于熱泵系統節能功率Ps為：

計算得Ps為12.09 kW，即為熱泵壓縮機節能12.09 kW，約占干燥系統總能耗的11.04%。

4 系統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，太陽能干燥系統風量約為4 675 m3·h-1，所需風機數量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

本系統干燥1 kg水節約電量0.4～0.5 kW·h，按每千瓦時0.8元計算，每天節約運行費用838元。初投資約為40萬元，約1.5年可回收投資成本。本系統干燥過程更安全，不僅不會產生污染，而且大幅提高了系統經濟性，有效改善了傳統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的分析和與傳統污泥干燥系統的對比，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。相較于傳統污泥干燥，設計的太陽能-熱泵復合污泥干燥系統單位能耗除濕量提升明顯。隨著污泥處理量的增大，節能效果愈加顯著，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性能與經濟性，太陽能集熱系統節能達12.64%。