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。