劉劭博　康致博　周秀霞　王磊　勞燕雯　梁智勇

摘要：本文利用污泥熱泵真空干化減量系統(tǒng)對(duì)初始含水率為51.50%、51.79%、53.00%的3份工業(yè)污泥進(jìn)行干化實(shí)驗(yàn)，熱泵冷凝器端回水溫度分別設(shè)定為80℃、75℃、70℃，依次記錄為工況A、工況B、工況C。在工況A、B、C下，熱泵COP平均值分別為3.93、4.14、4.69，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而增大，干化減量系統(tǒng)能夠穩(wěn)定為污泥干燥持續(xù)提供熱量;熱泵12h耗功分別為21.7kW·h、18.1kW·h、15.6kW·h，熱泵能量回收率分別為18.06%、33.26%、48.91%，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而增大;當(dāng)在A、B、C工況下干燥污泥6h時(shí)，30kg污泥分別干燥出水10.53kg、9.63kg、8.87kg，單位能耗分別為1.60kW·h/kg、1.49kW·h/kg、1.46kW·h/kg，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而降低。

關(guān)鍵詞：污泥;熱泵;真空;干化

引言

目前，主流的污泥干化技術(shù)是熱泵熱風(fēng)式干化，通過(guò)熱泵加熱空氣對(duì)污泥進(jìn)行干燥，具有能耗低、干燥效果好的優(yōu)勢(shì)，在近年來(lái)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是由于干燥過(guò)程溫度較高，污泥中可燃性有機(jī)氣體大量揮發(fā)，有機(jī)氣體與干化過(guò)程產(chǎn)生的粉塵混合后形成危險(xiǎn)性極高的易燃易爆粉塵氣體，使得干燥過(guò)程存在爆炸隱患，安全性無(wú)法保證;另一方面，干燥形成的粉塵會(huì)造成熱泵裝置的蒸發(fā)器和冷凝器臟堵，換熱器表面污垢使得傳熱效率大幅降低，并嚴(yán)重腐蝕換熱器翅片，干化設(shè)備使用耐久性很差。

真空干化技術(shù)與熱風(fēng)干化相比有多方面優(yōu)勢(shì)，真空干化過(guò)程干化溫度低，有機(jī)氣體揮發(fā)量顯著減少，真空干化過(guò)程在密閉、無(wú)氧環(huán)境進(jìn)行，不存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。然而，傳統(tǒng)真空干化裝置需要配備大功率真空抽氣系統(tǒng)，設(shè)備投資高、運(yùn)行能耗高，不適用于低值污泥的干化。

本文針對(duì)熱泵熱風(fēng)干化的固有缺陷，將熱泵干化與真空干化進(jìn)行耦合集成，形成污泥熱泵真空干化減量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)污泥干化過(guò)程低能耗安全運(yùn)行，對(duì)污泥處理行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用污泥為有機(jī)成分含量較低的工業(yè)污泥，任取3份工業(yè)污泥，記錄每份工業(yè)污泥的質(zhì)量之后，放置于托盤中。將托盤放在鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行105℃加熱，干燥3h，稱取每份工業(yè)污泥的質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。將托盤繼續(xù)放入干燥箱中干燥10min，取出再次稱重，直至每次質(zhì)量變化小于0.01g為止，此時(shí)認(rèn)為污泥已絕干。污泥初始含水率為絕干污泥失去的水分總質(zhì)量與污泥初始質(zhì)量之比。經(jīng)過(guò)測(cè)試計(jì)算，3份工業(yè)污泥初始含水率分別為51.50%、51.79%、53.00%。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，污泥熱泵真空干化減量系統(tǒng)主要由熱泵干燥單元、蒸汽冷凝單元及數(shù)據(jù)采集單元組成。熱泵干燥單元主要包括：熱泵、干燥罐、熱水箱、與熱泵冷凝器相連接的熱水管及與熱泵蒸發(fā)器相連接的冷水管;蒸汽冷凝單元主要包括：蒸汽管道、冷水箱、葉輪、電動(dòng)機(jī)、真空泵;數(shù)據(jù)采集單元主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、5個(gè)溫度傳感器、1個(gè)壓力傳感器及1臺(tái)計(jì)算機(jī)。污泥經(jīng)過(guò)機(jī)械破碎后送入干燥罐，經(jīng)熱泵加熱后，濕污泥當(dāng)中的大部分水分低溫蒸發(fā)形成水蒸汽，水蒸汽流向蒸汽冷凝單元當(dāng)中的冷水箱，在真空環(huán)境下冷凝成水，同時(shí)熱泵蒸發(fā)器吸收水蒸汽的冷凝熱，在熱泵驅(qū)動(dòng)下將熱量傳遞到干燥罐，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)污泥干化過(guò)程低能耗安全運(yùn)行。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

本項(xiàng)目通過(guò)氣體流量計(jì)，測(cè)試流經(jīng)連接干燥罐、冷水箱的蒸汽管道中水蒸汽的量，獲取污泥含水率的變化情況，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行12h，實(shí)驗(yàn)具體操作流程如下：

（a）：把30kg污泥均勻地置于干燥罐中;

（b）：?jiǎn)?dòng)真空泵，當(dāng)真空度達(dá)到0.095MPa時(shí)，關(guān)閉真空泵;

（c）：開啟熱泵，在熱泵溫度控制器調(diào)節(jié)熱泵冷凝器端回水溫度;

（d）：開啟熱水泵及冷水泵;

（e）：開啟蒸汽冷凝單元，運(yùn)行電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)葉輪;

（f）：記錄水蒸汽質(zhì)量，記錄熱泵及干化減量系統(tǒng)整體耗電量。

本文對(duì)初始含水率為51.50%、51.79%、53.00%的3份工業(yè)污泥進(jìn)行干化實(shí)驗(yàn)，每次取30kg污泥，熱泵冷凝器端回水溫度分別設(shè)定為80℃、75℃、70℃，依次記錄為工況A、工況B、工況C，每次干化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行12h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熱泵COP結(jié)果分析

根據(jù)測(cè)試所得熱泵冷凝器端的進(jìn)出口溫度和流量，可計(jì)算出冷凝器釋放的熱量。根據(jù)冷凝器釋放的熱量及測(cè)試獲取的熱泵功率，可計(jì)算出熱泵COP。

在工況A、B、C下，計(jì)算得出熱泵COP的范圍分別為3.32～4.96、3.58～4.46、4.16～5.30，熱泵COP平均值分別為3.93、4.14、4.69，熱泵COP隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而增大。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，該污泥熱泵真空干化減量系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?yàn)槲勰喔稍锍掷m(xù)提供熱量。

2.2 能量回收率結(jié)果分析

水蒸汽在干燥罐中被干燥出后，在壓力差的作用下，進(jìn)入蒸汽冷凝單元當(dāng)中的冷水箱冷凝，熱泵通過(guò)蒸發(fā)器端與蒸汽冷凝單元連接，通過(guò)水循環(huán)的方式回收冷凝熱。能量回收率是單位時(shí)間內(nèi)熱泵蒸發(fā)器端通過(guò)水循環(huán)的方式從蒸汽冷凝單元中回收的部分熱量與熱泵單位時(shí)間內(nèi)的能耗之比。根據(jù)測(cè)試所得的蒸發(fā)器端進(jìn)出口溫度和流量，可計(jì)算出蒸發(fā)器回收的熱量。根據(jù)蒸發(fā)器回收的熱量及測(cè)試獲取的熱泵電耗，可計(jì)算出熱泵能量回收率。

在工況A、B、C下，熱泵12h耗功分別為21.7kW·h、18.1kW·h、15.6kW·h，由熱泵蒸發(fā)器端水流量和平均溫差可得熱泵蒸發(fā)器端回收的熱量分別為14112kJ、21672kJ、27468kJ，熱泵能量回收率分別為18.06%、33.26%、48.91%，熱泵能量回收率隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而增大。

2.3 單位能耗結(jié)果分析

系統(tǒng)單位能耗為工況下系統(tǒng)總能耗與脫水量之比，本干化減量系統(tǒng)耗電的設(shè)備有熱泵、熱水泵、冷水泵及驅(qū)動(dòng)葉輪的電動(dòng)機(jī)。干燥過(guò)程中干燥速率逐漸降低，干燥過(guò)程進(jìn)行到中后期，干燥出的水量越來(lái)越少，本文取干燥6h時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行單位能耗分析。

當(dāng)干燥進(jìn)行6h時(shí)，污泥和耗電量具體數(shù)據(jù)如表2所示，A、B、C工況下，30kg污泥分別干燥出水10.53kg、9.63kg、8.87kg，單位能耗分別為1.60kW·h/kg、1.49kW·h/kg、1.46kW·h/kg，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而降低。

3.結(jié)論

本文利用污泥熱泵真空干化減量系統(tǒng)分別對(duì)初始含水率為51.50%、51.79%、53.00%的3份工業(yè)污泥進(jìn)行干化實(shí)驗(yàn)，熱泵冷凝器端回水溫度分別設(shè)定為80℃、75℃、70℃，依次記錄為工況A、工況B、工況C。

（1）在工況A、B、C下，熱泵COP的范圍分別為3.32～4.96、3.58～4.46、4.16～5.30，平均值分別為3.93、4.14、4.69，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而增大，干化減量系統(tǒng)能夠穩(wěn)定為污泥干燥持續(xù)提供熱量。

（2）在工況A、B、C下，熱泵12h耗功分別為21.7kW·h、18.1kW·h、15.6kW·h，熱泵蒸發(fā)器端回收的熱量分別為14112kJ、21672kJ、27468kJ，熱泵能量回收率分別為18.06%、33.26%、48.91%，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而增大。

（3）當(dāng)在A、B、C工況下干燥污泥6h時(shí)，30kg污泥分別干燥出水10.53kg、9.63kg、8.87kg，單位能耗分別為1.60kW·h/kg、1.49kW·h/kg、1.46kW·h/kg，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而降低。

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