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        用于有機(jī)垃圾烘干的閉環(huán)熱泵除濕系統(tǒng)開發(fā)

        2023-02-01 07:44:48閆高磊
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年2期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        劉 宇,閆高磊,薛 飛

        (上海同祺新能源技術(shù)有限公司,上海 201399)

        隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民消費(fèi)能力的不斷提高,生活垃圾的產(chǎn)生量正快速增加。為實(shí)現(xiàn)生活垃圾減量化、資源化和無害化,積極推進(jìn)生活垃圾源頭減量和資源循環(huán)利用,上海市于2019年7月1日正式實(shí)施《上海市生活垃圾管理?xiàng)l例》,標(biāo)志著垃圾強(qiáng)制分類時(shí)代的開始,具有較強(qiáng)的引領(lǐng)作用[1]。垃圾分類后,有機(jī)垃圾的占比超過50%[2],由于其含水率高和容易腐敗的特點(diǎn),對(duì)收集、轉(zhuǎn)運(yùn)和處置都帶來了極大的挑戰(zhàn)。特別對(duì)于市郊鄉(xiāng)鎮(zhèn)來說,由于人口密度低,收運(yùn)距離遠(yuǎn),最優(yōu)處置方式還是就近就地的分散處理,這是對(duì)集中大型有機(jī)垃圾處置設(shè)施的補(bǔ)充,可以減少垃圾周轉(zhuǎn)運(yùn)輸距離,減輕道路擁擠及污染,促進(jìn)有機(jī)垃圾資源化利用的有效途徑之一[3-4]。

        本文設(shè)計(jì)了一套閉環(huán)熱泵除濕系統(tǒng),以模塊化的形式實(shí)現(xiàn)就近就地烘干有機(jī)垃圾,將其含水率降低到20%后用造粒機(jī)成型,實(shí)現(xiàn)60%~70%的減重,70%~80%的減容[5],使有機(jī)垃圾穩(wěn)定化后,再進(jìn)入到后續(xù)收運(yùn)處置環(huán)節(jié),方便進(jìn)行后續(xù)的回收利用,實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化。

        烘干過程在密閉箱體內(nèi)實(shí)現(xiàn),烘干熱源來自除濕熱泵系統(tǒng),烘干媒介為空氣。經(jīng)過熱泵系統(tǒng)冷凝器加熱的熱空氣穿過鋪設(shè)垃圾的網(wǎng)帶,提供熱量使有機(jī)垃圾中的水分蒸發(fā)進(jìn)入空氣中,排出的濕空氣再經(jīng)過熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器降溫,其中的水蒸氣凝結(jié)為水后排出系統(tǒng),脫水后的空氣再返回?zé)岜孟到y(tǒng)冷凝器加熱,如此循環(huán)往復(fù),將有機(jī)垃圾中的水分以冷凝水的形式排出,實(shí)現(xiàn)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(jī)物的大量揮發(fā),減少惡臭氣體如H2S、NH3的釋放,最大限度保存垃圾中的有機(jī)物,減少揮發(fā)性有機(jī)物及惡臭氣體的釋放,并且在密閉箱體內(nèi)運(yùn)行,基本無異味散發(fā)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(jiǎn)單處理后即可滿足GB/T 31962—2015《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[7]的要求,直接就近排入城鎮(zhèn)下水道。能源形式采用高效節(jié)能的熱泵技術(shù),能耗約為傳統(tǒng)加熱方式的1/3。模塊化、自動(dòng)化的設(shè)計(jì),占地面積小,維護(hù)成本低,是實(shí)現(xiàn)有機(jī)垃圾就地處理的有效方法之一。

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

        整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以烘干機(jī)為主機(jī),前端為濕料進(jìn)料倉,料倉底部為進(jìn)料螺旋。后端為干料成型系統(tǒng),主要包括干料出料刮板輸送機(jī)、造粒機(jī)、干顆粒刮板輸送機(jī)和包裝袋。

        經(jīng)過破碎的有機(jī)垃圾進(jìn)入到濕料倉后,通過料倉底部的數(shù)個(gè)并排的進(jìn)料螺旋,將濕料均勻輸送并敷設(shè)到烘干機(jī)的網(wǎng)帶上。在熱泵除濕系統(tǒng)的作用下,脫除水分后的有機(jī)垃圾由出料刮板輸送機(jī)送入造粒機(jī)擠壓成為顆粒狀后打包存儲(chǔ)。有機(jī)垃圾通過造粒機(jī)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(jī)垃圾經(jīng)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(zhì)密度,顯著降低了后續(xù)處理的難度。

        1.2 烘干機(jī)設(shè)計(jì)

        烘干機(jī)設(shè)計(jì)日處理能力2t。

        烘干機(jī)箱體分為2個(gè)部分,即烘干箱和除濕箱。烘干箱內(nèi)主要包括烘干網(wǎng)帶(上網(wǎng)帶1套、下網(wǎng)帶2套)、循環(huán)風(fēng)機(jī)和除濕風(fēng)機(jī)。高溫干燥的熱風(fēng)從網(wǎng)帶下部穿過網(wǎng)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(jìn)入到空氣中。穿過上下網(wǎng)帶后的熱風(fēng)溫度降低了,濕度顯著升高。除濕箱內(nèi)主要安裝除濕系統(tǒng),高濕的空氣返回到除濕系統(tǒng)中,通過降溫排出水分后,然后加熱,成為高溫干燥的熱風(fēng),再回到烘干箱,與物料接觸,就這樣周而復(fù)始地帶走有機(jī)垃圾中的水分。烘干機(jī)系統(tǒng)原理如圖1所示。

        圖1 烘干機(jī)系統(tǒng)原理圖

        除濕系統(tǒng)由一套熱泵驅(qū)動(dòng),通過壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)工質(zhì)(R134a)在蒸發(fā)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(tǒng),其中一路在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下,直接通過上網(wǎng)帶冷凝器加熱提高溫度后返回烘箱,為上網(wǎng)帶的物料烘干提供熱量;另一路高濕度空氣在除濕風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,首先經(jīng)過水冷換熱器初步降溫,再進(jìn)入回?zé)崞鞲邷貍?cè)和蒸發(fā)器進(jìn)一步減溫,使空氣溫度降低到零點(diǎn)以下,空氣中的水蒸氣凝結(jié)后排出系統(tǒng),再返回到回?zé)崞鞯蜏貍?cè),初步提升溫度后,進(jìn)入到下網(wǎng)帶冷凝器升溫,干燥的熱空氣返回烘箱,為下網(wǎng)帶烘干提供熱量。實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中,根據(jù)上下網(wǎng)帶的烘干負(fù)荷變化情況,通過調(diào)節(jié)上、下網(wǎng)帶冷凝器的工質(zhì)流量來做響應(yīng)。為提高能效,在風(fēng)側(cè)設(shè)置了回?zé)崞?,在工質(zhì)循環(huán)側(cè)設(shè)置了節(jié)能器。

        每臺(tái)烘干機(jī)配置2套獨(dú)立的除濕熱泵系統(tǒng),設(shè)備具體設(shè)計(jì)參數(shù)情況見表1。

        表1 烘干機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)表

        2 運(yùn)行控制

        運(yùn)行控制的主要任務(wù)是根據(jù)除濕系統(tǒng)的烘干能力,在達(dá)到出料含水率的條件下,烘干時(shí)間最短,烘干物料最多。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),需要從以下幾個(gè)方面開展工作。

        2.1 烘干網(wǎng)帶布料

        烘干原理為熱空氣從下往上穿越物料來實(shí)現(xiàn)水分的蒸發(fā),因此確保熱風(fēng)的通過能力直接關(guān)系到烘干的效率。有機(jī)垃圾在進(jìn)料時(shí),含水率很高,有一定的密實(shí)性,為避免對(duì)穿越熱風(fēng)的阻擋,往往需要降低物料的厚度,這同時(shí)會(huì)使烘干設(shè)備的處理能力下降。針對(duì)這個(gè)問題,在物料進(jìn)入烘箱時(shí),通過變頻控制網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī),讓網(wǎng)帶脈沖式啟停,使物料在網(wǎng)帶上的分布呈現(xiàn)波浪形態(tài),熱風(fēng)可以在波谷位置實(shí)現(xiàn)穿透,形成較好空氣物料傳質(zhì)換熱效果。物料在上網(wǎng)帶脫除部分水后,有機(jī)垃圾中的植物纖維會(huì)變得較為蓬松,在進(jìn)入下網(wǎng)帶后,透氣性提高,烘干效果得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

        2.2 進(jìn)出料控制

        烘干機(jī)采用周期性運(yùn)行,即進(jìn)一批料,然后物料在烘干箱內(nèi)分階段在上下網(wǎng)帶停留一段時(shí)間后,再出料。通過控制進(jìn)料螺旋的頻率和運(yùn)行時(shí)間,調(diào)節(jié)上下網(wǎng)帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速,在上網(wǎng)帶鋪滿濕料的同時(shí),把上網(wǎng)帶初步烘干的料轉(zhuǎn)移到下網(wǎng)帶,再將下網(wǎng)帶的干料送出烘箱,通過輸送機(jī)送到造粒機(jī)造粒收集。進(jìn)出料控制涉及到的物料在烘箱內(nèi)上下網(wǎng)帶的停留時(shí)間、進(jìn)出料時(shí)間、網(wǎng)帶電機(jī)的運(yùn)行頻率和啟停時(shí)機(jī)等,需要通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。

        2.3 除濕系統(tǒng)控制

        控制的任務(wù)是在保障熱泵系統(tǒng)可靠運(yùn)行的條件下,盡可能提高運(yùn)行能效。熱泵系統(tǒng)工作在一套相對(duì)密閉的環(huán)境下,外部電力不斷輸入的情況下,熱量會(huì)逐漸積聚,熱風(fēng)溫度不斷提高,工質(zhì)冷凝壓力不斷提高,最終會(huì)超出熱泵正常工作條件,運(yùn)行不可持續(xù)。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(tǒng),同時(shí)降低了熱風(fēng)溫度,提高了除濕效率??刂频姆绞讲捎谜{(diào)節(jié)冷卻水流量來控制熱泵冷凝壓力的方式實(shí)現(xiàn)。

        物料剛進(jìn)入烘箱時(shí),上網(wǎng)帶需要的熱量顯著大于下網(wǎng)帶,通過控制調(diào)節(jié)閥,增大上網(wǎng)帶冷凝器的工質(zhì)流量,加快空氣除濕速率,隨著濕度逐漸下降,再恢復(fù)到正常狀態(tài)。

        進(jìn)入壓縮機(jī)的工質(zhì)過熱度通過蒸發(fā)器前的電子膨脹閥控制來保證。采集壓縮機(jī)入口工質(zhì)溫度和壓力,計(jì)算過熱度后,調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度,使過熱度達(dá)到設(shè)定值,確保壓縮機(jī)穩(wěn)定可靠工作。

        3 運(yùn)行測(cè)試

        為驗(yàn)證設(shè)備性能,開展了3次連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中,對(duì)每次的進(jìn)、出料量稱重,進(jìn)料含水率測(cè)試。用電量為烘干機(jī)本體運(yùn)行數(shù)據(jù),不包含進(jìn)出料輸送設(shè)備及造粒機(jī)。測(cè)試結(jié)果見表2。

        表2 烘干運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)試表

        從表2數(shù)據(jù)看,除濕能耗與設(shè)計(jì)值接近。具體數(shù)值與進(jìn)料含水率關(guān)系密切,進(jìn)料含水率高的情況下,除濕能耗相對(duì)更低。

        對(duì)除濕過程排放的冷凝水進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見表3。

        表3 冷凝水水質(zhì)分析

        冷凝水主要來源于水蒸氣的冷凝,因此水質(zhì)目測(cè)清澈。垃圾中部分低沸點(diǎn)的可揮發(fā)酸性有機(jī)物也一并冷凝出來,這體現(xiàn)在了生化需氧量、化學(xué)需氧量、氨氮和pH指標(biāo)上。其余指標(biāo)與GB/T 31962—2015《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》A級(jí)對(duì)比,均顯著低于該標(biāo)準(zhǔn)。冷凝水水質(zhì)生化性很好,經(jīng)過簡(jiǎn)單處理即可滿足有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。也可以進(jìn)一步探索其在液態(tài)肥施用方面的可行性。

        4 結(jié)論

        有機(jī)垃圾就地處置是解決市郊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)有機(jī)垃圾問題的最優(yōu)途徑,可以減少垃圾周轉(zhuǎn)運(yùn)輸距離,減輕道路擁擠及污染,促進(jìn)有機(jī)垃圾資源化利用。然而,由于設(shè)施靠近居民,對(duì)設(shè)備的環(huán)保性能、自動(dòng)化程度等方面也相應(yīng)提出了更高的要求。針對(duì)有機(jī)垃圾具有含水率高、容易腐敗和不易儲(chǔ)存的特性以及就地處置的相關(guān)需求,本文開發(fā)了閉環(huán)熱泵除濕系統(tǒng),并進(jìn)行了連續(xù)運(yùn)行測(cè)試,主要可以得出如下結(jié)論:①設(shè)備除濕性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,具備投入實(shí)際應(yīng)用的條件;②低溫條件下的烘干,排出的冷凝水經(jīng)過測(cè)試的確也顯示出其污染程度低的優(yōu)點(diǎn),易于處理,容易達(dá)標(biāo)排放,與傳統(tǒng)厭氧工藝比較,具有顯著優(yōu)勢(shì);③低溫烘干降低了工藝過程散發(fā)臭氣的惡臭程度和產(chǎn)生量,加上密閉烘箱的隔絕作用,大幅度阻止了臭氣的對(duì)外擴(kuò)散,對(duì)設(shè)備周邊環(huán)境質(zhì)量影響很??;④烘干后的有機(jī)垃圾含水率低,基本穩(wěn)定,方便存儲(chǔ)和運(yùn)輸,為后續(xù)資源化回收利用創(chuàng)造了條件;⑤利用能源技術(shù)采用烘干的方式處理有機(jī)垃圾,為垃圾處置行業(yè)提供了一條全新的思路;⑥可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行,提高能源利用效率,降低除濕能源消耗,更進(jìn)一步降低有機(jī)垃圾的處置成本。

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