用于有機垃圾烘干的閉環熱泵除濕系統開發

劉 宇，閆高磊，薛 飛

（上海同祺新能源技術有限公司，上海 201399）

隨著經濟的高速發展和人民消費能力的不斷提高，生活垃圾的產生量正快速增加。為實現生活垃圾減量化、資源化和無害化，積極推進生活垃圾源頭減量和資源循環利用，上海市于2019年7月1日正式實施《上海市生活垃圾管理條例》，標志著垃圾強制分類時代的開始，具有較強的引領作用[1]。垃圾分類后，有機垃圾的占比超過50%[2]，由于其含水率高和容易腐敗的特點，對收集、轉運和處置都帶來了極大的挑戰。特別對于市郊鄉鎮來說，由于人口密度低，收運距離遠，最優處置方式還是就近就地的分散處理，這是對集中大型有機垃圾處置設施的補充，可以減少垃圾周轉運輸距離，減輕道路擁擠及污染，促進有機垃圾資源化利用的有效途徑之一[3-4]。

本文設計了一套閉環熱泵除濕系統，以模塊化的形式實現就近就地烘干有機垃圾，將其含水率降低到20%后用造粒機成型，實現60%~70%的減重，70%~80%的減容[5]，使有機垃圾穩定化后，再進入到后續收運處置環節，方便進行后續的回收利用，實現廢棄物的資源化。

烘干過程在密閉箱體內實現，烘干熱源來自除濕熱泵系統，烘干媒介為空氣。經過熱泵系統冷凝器加熱的熱空氣穿過鋪設垃圾的網帶，提供熱量使有機垃圾中的水分蒸發進入空氣中，排出的濕空氣再經過熱泵系統蒸發器降溫，其中的水蒸氣凝結為水后排出系統，脫水后的空氣再返回熱泵系統冷凝器加熱，如此循環往復，將有機垃圾中的水分以冷凝水的形式排出，實現濕垃圾的烘干。

烘干熱空氣的溫度控制在65℃以下，有效避免了有機物的大量揮發，減少惡臭氣體如H2S、NH3的釋放，最大限度保存垃圾中的有機物，減少揮發性有機物及惡臭氣體的釋放，并且在密閉箱體內運行，基本無異味散發出來[6]。排出冷凝水，色澤透明，污染程度低，可生化性能良好，通過簡單處理后即可滿足GB/T 31962—2015《污水排入城鎮下水道水質標準》[7]的要求，直接就近排入城鎮下水道。能源形式采用高效節能的熱泵技術，能耗約為傳統加熱方式的1/3。模塊化、自動化的設計，占地面積小，維護成本低，是實現有機垃圾就地處理的有效方法之一。

1 系統設計

1.1 系統構成

整個系統設計以烘干機為主機，前端為濕料進料倉，料倉底部為進料螺旋。后端為干料成型系統，主要包括干料出料刮板輸送機、造粒機、干顆粒刮板輸送機和包裝袋。

經過破碎的有機垃圾進入到濕料倉后，通過料倉底部的數個并排的進料螺旋，將濕料均勻輸送并敷設到烘干機的網帶上。在熱泵除濕系統的作用下，脫除水分后的有機垃圾由出料刮板輸送機送入造粒機擠壓成為顆粒狀后打包存儲。有機垃圾通過造粒機壓縮后，體積大大減小，且含水率很低，便于下一步處理或者使用。

有機垃圾經過處理后，含水率從70%~80%，減少到約20%，克服了容易腐敗的問題，重量減少約60%~70%，體積減少約70%~80%，大幅度提高了生物質密度，顯著降低了后續處理的難度。

1.2 烘干機設計

烘干機設計日處理能力2t。

烘干機箱體分為2個部分，即烘干箱和除濕箱。烘干箱內主要包括烘干網帶（上網帶1套、下網帶2套）、循環風機和除濕風機。高溫干燥的熱風從網帶下部穿過網帶及其上面均勻分布的物料，在溫差和空氣流速的作用下，物料中的水分以水蒸氣的形式進入到空氣中。穿過上下網帶后的熱風溫度降低了，濕度顯著升高。除濕箱內主要安裝除濕系統，高濕的空氣返回到除濕系統中，通過降溫排出水分后，然后加熱，成為高溫干燥的熱風，再回到烘干箱，與物料接觸，就這樣周而復始地帶走有機垃圾中的水分。烘干機系統原理如圖1所示。

圖1 烘干機系統原理圖

除濕系統由一套熱泵驅動，通過壓縮機驅動工質（R134a）在蒸發器吸熱，在冷凝器放熱。離開烘干箱的高濕度空氣分為兩路回到除濕系統，其中一路在循環風機的作用下，直接通過上網帶冷凝器加熱提高溫度后返回烘箱，為上網帶的物料烘干提供熱量；另一路高濕度空氣在除濕風機的驅動下，首先經過水冷換熱器初步降溫，再進入回熱器高溫側和蒸發器進一步減溫，使空氣溫度降低到零點以下，空氣中的水蒸氣凝結后排出系統，再返回到回熱器低溫側，初步提升溫度后，進入到下網帶冷凝器升溫，干燥的熱空氣返回烘箱，為下網帶烘干提供熱量。實際運行當中，根據上下網帶的烘干負荷變化情況，通過調節上、下網帶冷凝器的工質流量來做響應。為提高能效，在風側設置了回熱器，在工質循環側設置了節能器。

每臺烘干機配置2套獨立的除濕熱泵系統，設備具體設計參數情況見表1。

表1 烘干機主要設計參數表

2 運行控制

運行控制的主要任務是根據除濕系統的烘干能力，在達到出料含水率的條件下，烘干時間最短，烘干物料最多。為實現這個目標，需要從以下幾個方面開展工作。

2.1 烘干網帶布料

烘干原理為熱空氣從下往上穿越物料來實現水分的蒸發，因此確保熱風的通過能力直接關系到烘干的效率。有機垃圾在進料時，含水率很高，有一定的密實性，為避免對穿越熱風的阻擋，往往需要降低物料的厚度，這同時會使烘干設備的處理能力下降。針對這個問題，在物料進入烘箱時，通過變頻控制網帶驅動電機，讓網帶脈沖式啟停，使物料在網帶上的分布呈現波浪形態，熱風可以在波谷位置實現穿透，形成較好空氣物料傳質換熱效果。物料在上網帶脫除部分水后，有機垃圾中的植物纖維會變得較為蓬松，在進入下網帶后，透氣性提高，烘干效果得到進一步加強。

2.2 進出料控制

烘干機采用周期性運行，即進一批料，然后物料在烘干箱內分階段在上下網帶停留一段時間后，再出料。通過控制進料螺旋的頻率和運行時間，調節上下網帶的驅動電機轉速，在上網帶鋪滿濕料的同時，把上網帶初步烘干的料轉移到下網帶，再將下網帶的干料送出烘箱，通過輸送機送到造粒機造粒收集。進出料控制涉及到的物料在烘箱內上下網帶的停留時間、進出料時間、網帶電機的運行頻率和啟停時機等，需要通過現場測試得到優化后的數據進行設定。

2.3 除濕系統控制

控制的任務是在保障熱泵系統可靠運行的條件下，盡可能提高運行能效。熱泵系統工作在一套相對密閉的環境下，外部電力不斷輸入的情況下，熱量會逐漸積聚，熱風溫度不斷提高，工質冷凝壓力不斷提高，最終會超出熱泵正常工作條件，運行不可持續。因此需要通過水冷換熱器將多余的熱量通過外部冷卻水帶出系統，同時降低了熱風溫度，提高了除濕效率。控制的方式采用調節冷卻水流量來控制熱泵冷凝壓力的方式實現。

物料剛進入烘箱時，上網帶需要的熱量顯著大于下網帶，通過控制調節閥，增大上網帶冷凝器的工質流量，加快空氣除濕速率，隨著濕度逐漸下降，再恢復到正常狀態。

進入壓縮機的工質過熱度通過蒸發器前的電子膨脹閥控制來保證。采集壓縮機入口工質溫度和壓力，計算過熱度后，調節電子膨脹閥開度，使過熱度達到設定值，確保壓縮機穩定可靠工作。

3 運行測試

為驗證設備性能，開展了3次連續運行試驗。試驗過程中，對每次的進、出料量稱重，進料含水率測試。用電量為烘干機本體運行數據，不包含進出料輸送設備及造粒機。測試結果見表2。

表2 烘干運行數據測試表

從表2數據看，除濕能耗與設計值接近。具體數值與進料含水率關系密切，進料含水率高的情況下，除濕能耗相對更低。

對除濕過程排放的冷凝水進行了測試，測試結果見表3。

表3 冷凝水水質分析

冷凝水主要來源于水蒸氣的冷凝，因此水質目測清澈。垃圾中部分低沸點的可揮發酸性有機物也一并冷凝出來，這體現在了生化需氧量、化學需氧量、氨氮和pH指標上。其余指標與GB/T 31962—2015《污水排入城鎮下水道水質標準》A級對比，均顯著低于該標準。冷凝水水質生化性很好，經過簡單處理即可滿足有關排放標準。也可以進一步探索其在液態肥施用方面的可行性。

4 結論

有機垃圾就地處置是解決市郊、鄉鎮有機垃圾問題的最優途徑，可以減少垃圾周轉運輸距離，減輕道路擁擠及污染，促進有機垃圾資源化利用。然而，由于設施靠近居民，對設備的環保性能、自動化程度等方面也相應提出了更高的要求。針對有機垃圾具有含水率高、容易腐敗和不易儲存的特性以及就地處置的相關需求，本文開發了閉環熱泵除濕系統，并進行了連續運行測試，主要可以得出如下結論：①設備除濕性能達到了設計要求，具備投入實際應用的條件；②低溫條件下的烘干，排出的冷凝水經過測試的確也顯示出其污染程度低的優點，易于處理，容易達標排放，與傳統厭氧工藝比較，具有顯著優勢；③低溫烘干降低了工藝過程散發臭氣的惡臭程度和產生量，加上密閉烘箱的隔絕作用，大幅度阻止了臭氣的對外擴散，對設備周邊環境質量影響很小；④烘干后的有機垃圾含水率低，基本穩定，方便存儲和運輸，為后續資源化回收利用創造了條件；⑤利用能源技術采用烘干的方式處理有機垃圾，為垃圾處置行業提供了一條全新的思路；⑥可通過優化設計和運行，提高能源利用效率，降低除濕能源消耗，更進一步降低有機垃圾的處置成本。