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(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的城鎮(zhèn)化聚集，城鎮(zhèn)污水產(chǎn)生量與處理量不斷上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)范圍內(nèi)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(guò)程產(chǎn)生大量的污泥，含水率超過(guò)80%的污泥產(chǎn)量高達(dá)5 000萬(wàn)t[1]。污泥處理需滿足減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化的指標(biāo)要求[2]。目前處理污泥的主要技術(shù)手段為機(jī)械脫水法，產(chǎn)生的污泥含水率較高，需進(jìn)一步降低其含水率。干燥法是目前降低含水率的主要技術(shù)手段，其中傳統(tǒng)干燥方式包括熱風(fēng)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(wèn)題。

太陽(yáng)能與熱泵低溫干燥技術(shù)因節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)勢(shì)，在對(duì)其流程設(shè)計(jì)、干燥特性以及干燥設(shè)備等方面取得了一定進(jìn)展。饒賓期等設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)，加入太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)可為系統(tǒng)節(jié)約10%的能耗[4]。李朋剛通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化熱泵干燥系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)熱泵干燥最佳出風(fēng)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(guò)程表面硬殼[6]。

本文針對(duì)低溫污泥干燥方式，結(jié)合干燥設(shè)備規(guī)范，進(jìn)行干燥過(guò)程熱力計(jì)算，對(duì)污泥干燥系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。通過(guò)引入閉式熱泵干燥系統(tǒng)與太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)對(duì)干燥系統(tǒng)進(jìn)行流程優(yōu)化，并與傳統(tǒng)方案進(jìn)行環(huán)保與經(jīng)濟(jì)性的綜合分析對(duì)比。

1 系統(tǒng)介紹

干燥系統(tǒng)由熱泵系統(tǒng)、太陽(yáng)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(yáng)能集熱系統(tǒng)由平板集熱器、風(fēng)機(jī)、除濕冷卻器以及管路等組成。

干燥室由保溫墻體構(gòu)成，內(nèi)部設(shè)置多層污泥傳送網(wǎng)帶，保證污泥穩(wěn)定在網(wǎng)帶上運(yùn)行不泄露，同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥與空氣的充分接觸?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)檢測(cè)干燥介質(zhì)的參數(shù)調(diào)節(jié)輸入風(fēng)量。當(dāng)太陽(yáng)輻射高時(shí)，增大閥門開度；當(dāng)天氣狀況較差時(shí)，減小開度，充分發(fā)揮太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的集熱能力和智能調(diào)節(jié)功能，以提高系統(tǒng)節(jié)能性。系統(tǒng)工作時(shí)，外界空氣被分別吸入熱泵與太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，加熱后經(jīng)進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入干燥室。干燥室傳送帶使熱風(fēng)與污泥充分接觸，并帶走其中的水分完成干燥過(guò)程。干燥完成后的空氣通過(guò)控制系統(tǒng)智能分配調(diào)節(jié)，按照進(jìn)口處風(fēng)量比例分別返回至各自的系統(tǒng)。

2 干燥過(guò)程熱力計(jì)算

對(duì)于某水站，每天產(chǎn)生約3 t含水率為82.3%的污泥。中水回用裝置每天產(chǎn)生含水率為88.5%的污泥約1.2 t，干化后污泥含水率應(yīng)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(biāo)含水率，%。

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

表1 干燥室設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 干燥所需功率及空氣量

預(yù)熱過(guò)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(nèi)空氣平均濕球溫度，℃；tw為污泥初始溫度，℃。

預(yù)熱過(guò)程所需空氣量l1為：

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

所需功率Qr為：

式中：r為對(duì)應(yīng)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(jìn)出口空氣含濕量，kg·kg-1。

空氣耗量l為：

所需功率Q為：

計(jì)算可得預(yù)熱過(guò)程所需空氣量為0.186 kg·s-1，干燥過(guò)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(shí)長(zhǎng)

單位面積上空氣質(zhì)量流速Ga為：

式中：va為干燥室內(nèi)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(dòng)力粘度，Pa·s-1；ρa(bǔ)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|(zhì)系數(shù)K為：

單位體積下污泥與熱風(fēng)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。

個(gè)性推送：教師根據(jù)每個(gè)學(xué)生不同的課堂學(xué)習(xí)表現(xiàn)情況和知識(shí)掌握程度，發(fā)布個(gè)性化和差異化的課后作業(yè)，推送學(xué)習(xí)資源和拓展任務(wù)。例如圖7展示的是課程教學(xué)案例和拓展課件示例。

降速干燥最大干燥速率Rc為：

計(jì)算得干燥時(shí)長(zhǎng)與含水量積分關(guān)系如圖2所示。通過(guò)干燥時(shí)長(zhǎng)積分圖，污泥干燥所需時(shí)長(zhǎng)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(shè)置回?zé)峤粨Q器，干燥完成后的熱濕空氣經(jīng)回?zé)峤粨Q器預(yù)冷后進(jìn)入蒸發(fā)器降溫除濕，將熱量傳遞給熱泵工質(zhì)，降溫析出的冷凝水經(jīng)收集后排出。熱泵機(jī)組的參數(shù)如表2所示。

表2 熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

熱泵蒸發(fā)器除濕冷負(fù)荷ΦL：

式中：ΦL為蒸發(fā)器冷負(fù)荷，kW；m為每秒水分蒸發(fā)量，kg·s-1；hzj為蒸發(fā)器進(jìn)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(shí)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(jī)功耗P為：

式中：P為壓縮機(jī)功率，kW。

冷凝器熱負(fù)荷ΦH為：

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

3.2 太陽(yáng)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(jì)算公式為：

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

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

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

4 系統(tǒng)設(shè)備選型與性能分析

選用10臺(tái)機(jī)組熱泵，單個(gè)機(jī)組功率為11.00 kW，單個(gè)蒸發(fā)器熱負(fù)荷為31.70 kW，換熱面積為132.4 m2，冷凝器熱負(fù)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(fēng)量為37 080 m3·h-1，采用10臺(tái)風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量約為3 708 m3·h-1，太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)風(fēng)量約為4 675 m3·h-1，所需風(fēng)機(jī)數(shù)量2臺(tái)，單個(gè)風(fēng)機(jī)功率為2.0 kW，風(fēng)壓為1 514～1 109 Pa。不同干燥方式對(duì)比如表4所示。

表4 干燥方式對(duì)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(shí)0.8元計(jì)算，每天節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用838元。初投資約為40萬(wàn)元，約1.5年可回收投資成本。本系統(tǒng)干燥過(guò)程更安全，不僅不會(huì)產(chǎn)生污染，而且大幅提高了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，有效改善了傳統(tǒng)干燥工藝存在的各種問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能-熱泵復(fù)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(duì)比，從投資成本、運(yùn)行費(fèi)用、成本回收周期以及干燥效果等方面進(jìn)行分析。相較于傳統(tǒng)污泥干燥，設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能-熱泵復(fù)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(jīng)濟(jì)性，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)節(jié)能達(dá)12.64%。