污泥干化是污泥處理、處置和資源化利用的前提，已在我國(guó)得到越來(lái)越多的工程化應(yīng)用。傳統(tǒng)的污泥熱干化技術(shù)設(shè)備投資大、能耗高、運(yùn)行費(fèi)用高，熱能成本一般占干化系統(tǒng)運(yùn)行成本的80%以上。熱泵污泥干化是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，干化溫度低于100℃，干化過(guò)程可將循環(huán)空氣中的水蒸汽凝結(jié)，釋放出潛熱，經(jīng)冷凝器的循環(huán)空氣將熱量回收利用。該系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，具有顯著的節(jié)能效益，正在逐步得到推廣應(yīng)用。根據(jù)驅(qū)動(dòng)能源形式的不同，熱泵干化技術(shù)可分為壓縮式和吸收式兩類(lèi)，壓縮式熱泵干化系統(tǒng)主要以電能為動(dòng)力，適用范圍較廣，而吸收式熱泵干化系統(tǒng)主要以高溫蒸汽、燃?xì)獾葹閯?dòng)力，一般適用于余熱資源豐富區(qū)域的大中型項(xiàng)目，因此并未得到大規(guī)模應(yīng)用。燃煤電廠中汽輪機(jī)抽氣溫度、壓力仍保持較高水平，冷凝熱量大，可作為吸收式熱泵系統(tǒng)的熱源。將吸收式熱泵系統(tǒng)應(yīng)用在污泥低溫干化工藝中，對(duì)于節(jié)能降耗、降低污泥低溫干化工藝中的碳排放具有重要意義。
以某燃煤電廠附近污泥低溫干化項(xiàng)目為研究對(duì)象，闡明了吸收式熱泵在污泥低溫干化工藝中的應(yīng)用情況，探討了系統(tǒng)的熱平衡模型，對(duì)該項(xiàng)目各環(huán)節(jié)能量分布、性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了計(jì)算和比較，可為國(guó)內(nèi)其他類(lèi)似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供理論及工程依據(jù)。
1、項(xiàng)目概況
根據(jù)某污水處理廠污泥低溫干化項(xiàng)目處置規(guī)模的要求，污泥處理量為100t/d，經(jīng)前端帶式壓濾機(jī)脫水后污泥含水率降至80%；繼續(xù)輸送至污泥低溫烘房進(jìn)行干化，干化至25%含水率后，外運(yùn)至附近燃煤電廠焚燒處置。
污泥干化前、后對(duì)比見(jiàn)圖1。
燃煤電廠可以提供較穩(wěn)定的蒸汽。根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況，污泥低溫干化過(guò)程中各階段物料量如表1所示。
2、系統(tǒng)工藝原理
吸收式熱泵污泥低溫干化系統(tǒng)主要包括污泥輸運(yùn)、污泥干化、熱泵供能、冷卻水降溫四個(gè)工藝環(huán)節(jié)，系統(tǒng)工藝原理如圖2所示。
濃縮污泥由輸送系統(tǒng)送至帶式壓濾機(jī)進(jìn)行機(jī)械脫水，含水率降至80%，機(jī)械脫水后濕污泥進(jìn)入烘房與高溫低濕空氣進(jìn)行熱濕交換，達(dá)到干化要求的污泥排出烘房，通過(guò)輸送系統(tǒng)送至電廠與煤進(jìn)行摻燒。
吸收式熱泵系統(tǒng)在蒸汽驅(qū)動(dòng)下，循環(huán)工質(zhì)對(duì)溴化鋰-水溶液不斷完成發(fā)生—冷凝—節(jié)流—蒸發(fā)—吸收—發(fā)生的熱力學(xué)循環(huán)。在此過(guò)程中，熱循環(huán)水先后進(jìn)入吸收器和冷凝器吸熱升溫，后流入加熱器加熱循環(huán)風(fēng)，溫度降低后又流回吸收器，冷循環(huán)水流入冷卻器對(duì)循環(huán)風(fēng)進(jìn)行降溫除濕處理后，分為兩股流入蒸發(fā)器和板式換熱器，兩股冷循環(huán)水降溫后匯合又流回冷卻器冷卻循環(huán)風(fēng)，多余的熱量由冷卻水經(jīng)冷卻塔排出。通過(guò)中間介質(zhì)熱循環(huán)水和冷循環(huán)水作用，循環(huán)風(fēng)在加熱器和冷卻器中反復(fù)被加熱和降溫除濕，將濕污泥中的水分帶出，從而使污泥干化。另外，在主風(fēng)道循環(huán)基礎(chǔ)上，新增旁通循環(huán)風(fēng)道，旁通循環(huán)風(fēng)與主循環(huán)風(fēng)匯流后形成大風(fēng)量回風(fēng)環(huán)境，避免成型污泥從第一層網(wǎng)帶掉落至第二層網(wǎng)帶時(shí)相互擠壓變形黏連成團(tuán)，提高后續(xù)脫水效率，同時(shí)利用回?zé)崞鬟M(jìn)行熱量回收，既降低了循環(huán)風(fēng)進(jìn)冷卻器的入口溫度，又提高了循環(huán)風(fēng)進(jìn)加熱器的溫度，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)節(jié)能的目的。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)，得到吸收式熱泵系統(tǒng)的部分運(yùn)行參數(shù)如表2所示。
3、系統(tǒng)熱平衡
3.1 熱平衡模型
根據(jù)能量守恒定律，結(jié)合吸收式熱泵污泥低溫干化原理和現(xiàn)場(chǎng)工藝運(yùn)行情況，對(duì)該系統(tǒng)熱平衡模型進(jìn)行探討。輸入系統(tǒng)的熱量包括蒸汽熱量Qz1、濕污泥熱量Qn1和循環(huán)風(fēng)機(jī)散熱Qf，輸出系統(tǒng)的熱量包括蒸汽冷凝水熱量Qz2、干污泥熱量Qn2、冷卻器冷凝水熱量Qc1、回?zé)崞骼淠疅崃?/span>Qc2、冷卻塔帶走熱量Qc3、烘房散熱Qs1。
系統(tǒng)熱平衡如圖3所示。
對(duì)于吸收式熱泵污泥低溫干化系統(tǒng)，其能量平衡關(guān)系為：
式中：mz1為飽和蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s；mz2為蒸汽凝水的質(zhì)量流量，kg/s，mz1=mz2；hz1為飽和蒸汽焓，kJ/kg；hz2為冷凝水焓，kJ/kg。
Qn1、Qn2計(jì)算公式如下：
式中：mn1、mn2分別為污泥干化前、后的質(zhì)量流量，kg/s；tn1、tn1分別為污泥干化前、后溫度，℃；wn1、wn2分別為干化前、后污泥含水率，%；cn1、cn2分別為污泥干化前、后的比熱容，kJ/（kg·℃）。
不同含水率污泥的比熱容cn計(jì)算如下：
式中：cdr為絕干污泥的比熱容，取常溫條件下比熱容值1.3kJ/（kg·℃）；wn為污泥含水率，%。
Qf計(jì)算公式為：
式中：Pf為風(fēng)機(jī)全壓，Pa，取1.5kPa；ηm為風(fēng)機(jī)機(jī)械效率，取0.98；ηf為風(fēng)機(jī)內(nèi)效率，取0.8；Vf為系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量，m3/h。
式中：Mf為循環(huán)風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量，kg/h；ρ為循環(huán)風(fēng)密度，kg/m3，可查空氣密度表得到。
式中：mw為系統(tǒng)脫水量，kg/s；dn1和dn2分別為進(jìn)、出循環(huán)風(fēng)含濕量，kg/kg干。
Qc1和Qc2計(jì)算公式為：
式中：mc1、mc2分別為冷凝器、回?zé)崞骼淠馁|(zhì)量流量，kg/s；tc1、tc2分別為冷凝器、回?zé)崞骼淠臏囟�，℃�?/span>cw為水的比熱容，取4.187kJ/（kg·℃）。
將污泥中水分冷凝，冷卻器需提供冷量（Qr）為：
式中：rw為水的汽化潛熱，取2250kJ/kg。
Qc3計(jì)算公式如下：
式中：Qc31為部分冷凝水析出所需冷負(fù)荷，kW；Qs2為系統(tǒng)余熱，kW。
式中：Qe為蒸發(fā)器承擔(dān)的冷負(fù)荷，本項(xiàng)目中占蒸汽輸入熱量的55%。
式中：Qz為飽和蒸汽釋放給系統(tǒng)中的熱量，即Qz1與Qz2的差，kW。
Qs1計(jì)算公式為：
式中：S為烘房外表面積，m2，在本項(xiàng)目中，污泥低溫烘房尺寸為31.5m×4.1m×3.3m；q為烘房單位面積熱損失，取50W/m2。
Qs2由能量平衡關(guān)系式得到。
3.2 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
根據(jù)熱平衡模型，計(jì)算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的制熱系數(shù)、單位能耗除水量、標(biāo)煤消耗量和CO2排放量，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。
①制熱系數(shù)COP
COP是用來(lái)衡量熱泵系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，表示熱泵輸入熱負(fù)荷與制熱量的比值，計(jì)算公式如下：
式中：Qre為熱泵制熱量，即Qz與Qe之和，kW；Qg為輸入系統(tǒng)的總熱負(fù)荷，kW。
②單位能耗除水量SWER
SWER定義為干化過(guò)程中除去的總水分質(zhì)量與能耗之比，該指標(biāo)反映了熱泵污泥干化系統(tǒng)的綜合性能。
③標(biāo)煤消耗量與CO2排放量
吸收式熱泵污泥低溫干化系統(tǒng)的能耗主要包括蒸汽熱能消耗和循環(huán)風(fēng)機(jī)電耗。根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》（GB/T2589—2020），熱力折標(biāo)煤系數(shù)取0.03412kg標(biāo)煤/MJ，電力折標(biāo)煤系數(shù)取0.404kg標(biāo)煤（/kW·h），消耗1kg標(biāo)準(zhǔn)煤排放的CO2為2.493kg。
4、污泥低溫干化系統(tǒng)運(yùn)行分析
4.1 運(yùn)行工藝分析
根據(jù)實(shí)際運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)合熱平衡模型，繪出本項(xiàng)目中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)運(yùn)行工藝參數(shù)（見(jiàn)圖4）。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行除水量和進(jìn)回風(fēng)參數(shù)，測(cè)試分析得到系統(tǒng)主循環(huán)風(fēng)量為232346m3/h，旁通循環(huán)風(fēng)量為180000m3/h。循環(huán)風(fēng)通過(guò)回?zé)崞鳒亟禐?/span>10℃，析出冷凝水0.382m3/h；而后循環(huán)風(fēng)進(jìn)入冷卻器中降溫除濕，析出冷凝水2.84m3/h。通過(guò)系統(tǒng)熱平衡模型得到加熱器所需制熱量、蒸發(fā)器提供冷量和冷卻塔散熱量分別為2217.2、739.1、1434.5kW。各部分循環(huán)水量可由各部分所需冷熱量與進(jìn)回水溫差計(jì)算得到，分別為142.3、129.7、246.7m3/h。
根據(jù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算得到各環(huán)節(jié)能量分布，如圖5所示。
從圖5可知，輸入系統(tǒng)的熱量主要為蒸汽，占總輸入熱量的93.1%，濕污泥熱量與循環(huán)風(fēng)機(jī)熱量比重較小，分別為5.1%和1.8%。輸出系統(tǒng)的熱量主要為冷卻塔帶走的熱量和蒸汽凝水的熱量，分別占系統(tǒng)總輸出熱量的69.8%和21.2%。污泥干化過(guò)程中冷凝水在冷卻器和回?zé)崞鞅砻嫖龀觯鋮s器表面析出冷凝水量是回?zé)崞鞯?/span>7.4倍，二者帶出系統(tǒng)的熱量分別占5.6%和0.9%。干污泥帶出熱量與烘房散熱損失比重較小。
4.2 系統(tǒng)性能分析
將本項(xiàng)目中吸收式熱泵帶式干化技術(shù)與傳統(tǒng)的蒸汽圓盤(pán)式干化技術(shù)（蒸汽加熱器壁，器壁將熱量傳遞給濕污泥）和蒸汽輔助熱風(fēng)帶式干化技術(shù)（蒸汽通過(guò)盤(pán)管加熱空氣，空氣與濕污泥熱濕交換）對(duì)比，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目調(diào)研及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，得到3種不同蒸汽污泥干化技術(shù)的性能參數(shù)，結(jié)果如表3所示。
由表3可知，吸收式熱泵帶式干化技術(shù)的干化溫度較低，且通過(guò)熱泵蒸發(fā)器進(jìn)行熱量回收，在除水量一定時(shí)，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的蒸汽耗量也較小，分別為蒸汽圓盤(pán)式干化的61.2%和蒸汽輔助熱風(fēng)帶式干化的56.8%。3種蒸汽污泥干化技術(shù)除消耗蒸汽外，還需消耗部分電能，將二者統(tǒng)一為標(biāo)煤消耗量，得到系統(tǒng)的單位能耗除水量（SWER）由大到小為：吸收式熱泵帶式干化>蒸汽圓盤(pán)式干化>蒸汽輔助熱風(fēng)帶式干化，吸收式熱泵帶式干化技術(shù)的SWER可達(dá)10.9kg水/kg標(biāo)煤，分別為其余兩種蒸汽干化技術(shù)的1.23倍和1.44倍，吸收式熱泵帶式干化技術(shù)的綜合性能更高。在相同除水量要求下，3種蒸汽干化技術(shù)消耗標(biāo)煤量和CO2排放量由大到小為：蒸汽輔助熱風(fēng)帶式干化>蒸汽圓盤(pán)式干化>吸收式熱泵帶式干化，吸收式熱泵帶式干化技術(shù)的標(biāo)煤消耗量和CO2排放量分別較其余兩種蒸汽干化技術(shù)低18.6%和30.5%，環(huán)保效益顯著。
4.3 主要設(shè)備費(fèi)及處理成本分析
根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格并參考實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上述3種蒸汽污泥干化技術(shù)的主要設(shè)備費(fèi)和運(yùn)行成本進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。
由于吸收式熱泵機(jī)組價(jià)格較高，該技術(shù)的主要設(shè)備投資也最大，分別較其余兩種蒸汽干化技術(shù)高16.8%和23.4%。3種干化系統(tǒng)運(yùn)行成本主要包括蒸汽費(fèi)、電費(fèi)和人工費(fèi)，運(yùn)行成本由小到大的順序是：吸收式熱泵帶式干化<蒸汽圓盤(pán)式干化<蒸汽輔助熱風(fēng)帶式干化，吸收式熱泵帶式干化技術(shù)運(yùn)行費(fèi)用為153.3元/t，分別較其余兩種蒸汽干化技術(shù)低21.7%和31.3%。該項(xiàng)目實(shí)施后，污泥含水率由80%降至17.66%，污泥處置量由100t/d降至22.66t/d，污泥減重率可達(dá)77.34%，處理費(fèi)用由30000元/d降至22128元/d，節(jié)約了26.3%，具有較明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
5、結(jié)論
①與傳統(tǒng)的蒸汽圓盤(pán)式熱干化技術(shù)和蒸汽輔助熱風(fēng)帶式干化技術(shù)相比，采用吸收式熱泵結(jié)合的蒸汽污泥低溫干化工藝可進(jìn)行能量回收，系統(tǒng)的單位能耗除水量可達(dá)10.9kg水/kg標(biāo)煤，分別為兩種傳統(tǒng)蒸汽干化技術(shù)的1.23倍和1.44倍。在除水量一定時(shí)，系統(tǒng)的標(biāo)煤消耗量和CO2排放量較兩種傳統(tǒng)的蒸汽污泥干化技術(shù)分別低18.6%和30.5%，環(huán)保效益顯著。
②本項(xiàng)目實(shí)施后，單位污泥干化成本為153.3元/t，較兩種傳統(tǒng)的蒸汽污泥干化技術(shù)分別低21.7%和31.3%，污泥減重率達(dá)77.34%，處理費(fèi)用節(jié)約26.3%，經(jīng)濟(jì)效益明顯，達(dá)到了污泥穩(wěn)定化、減量化、無(wú)害化和資源化的處置目標(biāo)。
③吸收式熱泵污泥低溫干化工藝的主要能耗為蒸汽，蒸汽價(jià)格是影響運(yùn)行成本的主要因素。該項(xiàng)目的實(shí)施和運(yùn)行對(duì)可提供低價(jià)蒸汽（垃圾焚燒發(fā)電廠或燃煤電廠等）的大型污泥干化項(xiàng)目設(shè)計(jì)與建設(shè)具有指導(dǎo)意義。（來(lái)源：河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣東吉康環(huán)境系統(tǒng)科技有限公司，廣東省固體廢棄物資源化與重金屬污染控制工程技術(shù)研究中心廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院）
