熱泵污泥干燥系統(tǒng)原理及流程優(yōu)化，學習了！

  在污泥的干燥技術中，熱干燥是目前很常用的干燥手段。按照對污泥的加熱方式分類，有對流、傳導和輻射干燥三種類型。在對流干燥中，干燥介質和污泥在同一個空間內發(fā)生熱濕傳遞作用，干燥介質將熱量傳遞給污泥使其內部的水分蒸發(fā)擴散，進入到干燥介質中去被帶離污泥。一般情況下需將被降溫加濕的干燥介質排放至設備外，導致能源利用率較低，此外在干燥過程中干燥介質與污泥直接作用，干燥過程中產生的一些有毒有害物質也會隨著尾氣排出，因此要對干燥產生的廢水和尾氣做沒有危害化處理；在傳導干燥中，濕污泥和加熱媒介不直接接觸，加熱媒介（通常為油或蒸汽）可回收利用，但仍需對干燥介質進行后續(xù)的尾氣處理，同時由于是間接傳熱，濕污泥中水分的蒸發(fā)效率和設備的傳熱效率都較低，導致其整體的效率不高。

  熱泵污泥干燥技術作為污泥低溫對流干燥工藝中的一種，可以在保證較高的蒸發(fā)效率和傳熱效率的同時，回收干燥廢氣中的熱量，同時大幅降低污泥干燥過程中的有毒有害物質排放，能夠達到節(jié)能減排的有益效果。

  1  熱泵干燥系統(tǒng)分類

   針對熱泵干燥系統(tǒng)，其按干燥介質的在系統(tǒng)內的循環(huán)工作方式分類，可分為封閉式、半封閉式以及開敞式三種。 

圖1   開敞式熱泵干燥設備原理圖

  其中開敞式系統(tǒng)內的干燥介質在對干燥物料進行除濕之后直接排放至室外大氣內，原理如圖1 所示。一般的處理過程為環(huán)境空氣先經過熱泵的冷凝器進行等濕升溫，干燥介質空氣被加熱后經過風機送至干燥箱內吸濕降溫，然后進入熱泵蒸發(fā)器同制冷劑換熱被冷卻除濕，同時回收這部分空氣的顯熱和潛熱，之后再將其排至環(huán)境大氣內，這種熱泵干燥系統(tǒng)一般適用于室外空氣濕度不大、溫度較高的干熱條件下，同時系統(tǒng)除濕性能、能耗水平受制于外界空氣條件的影響，不利于大規(guī)模使用。

  對于半封閉式系統(tǒng)，其工作原理如圖2 所示，其干燥介質在對干燥物料進行除濕之后部分排放至室外大氣內，同時還需要從室外大氣內重新補充等量的冷空氣至系統(tǒng)內。該系統(tǒng)的處理過程為干燥箱出口的干燥介質空氣一部分直接排放至大氣內，而另一部分旁通進入熱泵蒸發(fā)器，被降溫除濕后同新吸入的環(huán)境空氣進行混合，而后兩部分空氣一同進入熱泵冷凝器被加熱，經風機加壓后進入干燥箱對干燥物料進行除濕干燥，循環(huán)往復。在這種系統(tǒng)構型中，干燥箱出口的干燥介質空氣的旁通率是一個影響系統(tǒng)性能的至關重要的參數，合理的旁通率能夠保證系統(tǒng)較高的處理能力和能效水平。 

圖2  半封閉式熱泵干燥設備原理圖

  對于封閉式熱泵干燥系統(tǒng)，干燥介質在系統(tǒng)內循環(huán)使用，其原理如圖3所示，處理過程為干燥箱出口的干燥介質空氣進入熱泵蒸發(fā)器，被降溫除濕進入熱泵冷凝器被加熱，經風機后進入干燥箱同物料傳遞熱量濕分，循環(huán)往復，此種構型在工作過程中熱損失小，可以很好降低干燥過程中的能耗水平，同時受外界環(huán)境溫度、濕度影響小，地域適應性強，也是目前適用于污泥干燥，使用廣泛的熱泵干燥系統(tǒng)構型。

圖3  封閉式熱泵干燥設備原理圖 

  2 熱泵污泥干燥系統(tǒng)原理

   在熱泵污泥干燥系統(tǒng)中，干燥物料為污泥，干燥介質一般為空氣，本質上熱泵污泥干燥同常規(guī)的污泥熱干燥的作用機理類似，均為通過干燥介質同干燥物料的熱濕交換，使物料中的水分向外蒸發(fā)擴散，從而降低物料的含水率。但在處理吸濕干燥介質的方法上，熱泵干燥同常規(guī)干燥手段有著明顯的不同，常規(guī)的干燥手段一般是直接將含濕量高的干燥介質排放至大氣內，如圖4所示，在這種處理方案中，干燥介質先通過加熱器加熱（一般為蒸汽或者電加熱），然后通過風機進入干燥箱內，通過與被干燥物料進行熱量和濕量的交換，將干燥物料加熱并吸收來自被干燥物料中的濕分，而后定期從干燥室內排出一部分高含濕量的干燥介質，同時還需補充等量的冷介質來維持干燥循環(huán)。這種干燥工藝的偏大弊端就是由于要定期排出高溫高濕的干燥介質，系統(tǒng)的熱損失相當大，其熱損失可達 40%，而且廢氣中往往含有很多有毒有害成分，若不加以處理將會導致嚴重的空氣污染。

圖4 常規(guī)污泥熱干燥設備原理圖

   而熱泵污泥干燥系統(tǒng)利用熱泵循環(huán)，通過熱泵低溫除濕的方法降低廢氣含濕量，同時吸收廢氣中的熱量用于加熱干燥介質，很好的利用了廢氣中的熱量，提高了能量利用效率，同時熱泵污泥干燥溫度較低，干燥過程保護環(huán)境且有保障，其原理如圖5 所示。其主要由熱泵、干燥箱、風機等組成，一般采用閉式空氣循環(huán)，整個系統(tǒng)與外界環(huán)境隔絕，干燥介質為空氣，干熱空氣在風機的作用下進入干燥箱內與污泥接觸，空氣經過降溫加濕變?yōu)闈駸峥諝?，同時將污泥中的水分帶走，再進入回熱器預冷后通過熱泵的蒸發(fā)器冷卻出冷凝水變?yōu)楦衫淇諝?，干冷空氣經過回熱器預熱后進入冷凝器被加熱變?yōu)楦蔁峥諝?，如此完成循環(huán)過程。而熱泵側制冷劑經壓縮機壓縮后，其溫度壓力等參數均升高，經過室外的散熱設備散出部分熱量后進入冷凝器中，同時將熱量散給預熱后的干冷空氣。之后制冷劑再經過節(jié)流閥，節(jié)流過程近似等焓，其變?yōu)榈蜏氐蛪簝上鄳B(tài)，然后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收熱濕空氣的熱量氣化后重新被壓縮機壓縮而完成循環(huán)。

圖5 熱泵污泥干燥設備原理圖

   對應上述處理過程，熱泵污泥干燥系統(tǒng)的能量來源及分配示意如圖6 所示：

圖6 熱泵污泥干燥系統(tǒng)能流圖

   實際上在熱泵污泥干燥系統(tǒng)中，其輸入能源主要為壓縮機消耗的電能，經熱泵循環(huán)熱量在制冷劑與干燥空氣中傳遞，考慮干燥過程中濕污泥吸熱、設備本身的散熱，其余的熱量則需由散熱設備散出系統(tǒng)外。 

  3  熱泵污泥干燥系統(tǒng)技術特點

   利用熱泵對污泥進行干燥處理目前已經得到了特定的應用，結合其工作原理和方式，該系統(tǒng)具有如下的特點： 

   （1） 低能耗。采用閉式熱風循環(huán)與熱泵的熱回收技術，可以很好的降低干燥過程中的能耗水平，同時受外界環(huán)境溫度、濕度影響小，地域適應性強； 

   （2） 低污染。干燥溫度在100°C 以下的低溫干燥條件下可以避免帶臭味的有機物揮發(fā)，同時閉式熱風循環(huán)也可顯著降低系統(tǒng)內循環(huán)空氣的外溢，因此一般可不做尾氣、廢水的處理； 

   （3） 低損失。污泥干燥過程中由于溫度不高，其有機質損失小，利用潛力大； 

   （4） 高保障性。污泥干燥過程中運行環(huán)境溫度不高，在合理控制風速的條件下又可避免揚塵，熱泵污泥干燥系統(tǒng)全部可以滿足污泥干燥的保障要求，從而大大提高系統(tǒng)運行的保障性； 

   （5） 干燥時間較長。由于熱泵出風溫度一般為 65°C~80°C，污泥干燥時間一般長達幾十分鐘至幾個小時，且出料含水率要求較低時可能無法滿足要求；

   （6） 設備容量較小。受制于干燥時間長的因素，一般情況下熱泵污泥干燥設備的單機處理能力不高，大規(guī)模使用不便； 

   （7） 投資成本較高。同傳統(tǒng)熱干燥設備相比，熱泵污泥干燥設備結構復雜，系統(tǒng)組件較多，其初投資相應較高。

  4  熱泵污泥干燥流程優(yōu)化

   由前述分析可知，目前常規(guī)的熱泵污泥干燥系統(tǒng)的流程設計仍有其不合理之處，尚不能充分利用熱泵干燥潛力。本文結合熱泵運行的特點，提出以下可行的優(yōu)化方案： 

   （1） 散熱設備后置熱泵污泥干燥系統(tǒng)：系統(tǒng)運行過程中采用在制冷劑側進行散熱時，可考慮將散熱設備設置在冷凝器后，以便很好的提高送風溫度，從而提高系統(tǒng)的干燥能力，但可能存在所需散熱面積增大的情況，原理圖如圖 7 所示

圖7 散熱設備后置原理圖 

   （2） 蒸發(fā)器前預冷熱泵污泥干燥系統(tǒng)：將系統(tǒng)的散熱設備設置在濕熱空氣經過回熱器后，進入蒸發(fā)器前，在很好的排出設備內多余熱量外還可對循環(huán)空氣進行冷卻，原理圖如圖8 所示

圖8蒸發(fā)器前預冷原理圖 

   （3） 兩級串聯式熱泵污泥干燥系統(tǒng)：采用兩級熱泵串聯，一方面可降低干燥空氣中的含濕量，同時也可適當提高干燥空氣溫度，但在系統(tǒng)運行中存在諸多耦合問題，同時由于蒸發(fā)器與冷凝器之間溫差加大，若想充分冷卻、加熱空氣需要增大設備的換熱面積，原理圖如圖 9 所示

圖9兩級串聯式熱泵污泥干燥系統(tǒng)原理圖

   （4） 多臺熱泵并聯式熱泵污泥干燥系統(tǒng)：考慮采用多臺熱泵并聯運行，多臺熱泵接力冷卻濕熱空氣，同時接力加熱干冷空氣，在充分換熱的同時可以提高設備的處理能力，原理圖如圖 10 所示

圖10 多臺熱泵并聯式熱泵污泥干燥系統(tǒng)原理圖

   在多組熱泵并聯運行過程中，各個熱泵可單獨運行，不存在相互影響的問題，同時可將每個熱泵的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度單獨設置，可以充分冷卻、加熱空氣，提高設備的容量。 

  5  結論

   本文總結梳理了熱泵污泥干燥系統(tǒng)的分類、原理以及技術特點等內容，并在此基礎上對熱泵污泥干燥的系統(tǒng)流程進行了特定的優(yōu)化，得到了以下結論：

   （1） 目前應用于實際生產的熱泵干燥系統(tǒng)按干燥介質的循環(huán)方式分類，主要有封閉式、半封閉式以及開敞式三種類型，其各自適用的范圍不甚相同，適用于污泥干燥的主要為封閉式和半封閉式熱泵干燥系統(tǒng)； 

   （2） 熱泵污泥干燥系統(tǒng)相比于常規(guī)的污泥熱干燥系統(tǒng)具有較大的優(yōu)勢，具有低能耗、低污染、低損失和高保障性的特點，但也存在一些如干燥時間長、設備容量小以及投資費用高等問題； 

   針對常規(guī)的熱泵污泥干燥系統(tǒng)工作過程的流程設計不合理，本節(jié)總結提出了散熱設備后置熱泵污泥干燥系統(tǒng)、蒸發(fā)器前預冷熱泵污泥干燥系統(tǒng)、兩級串聯式熱泵污泥干燥系統(tǒng)以及多臺熱泵并聯式熱泵污泥干燥系統(tǒng)等多種優(yōu)化方案。

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