空气源热泵干化应用于污泥减量化研究初探

何志锋+安平林+袁博威+牛涛+梁华杰+李根峰

摘 要：长期以来，污泥减量化是污泥处理处置的关键难点之一。传统的深度脱水方式不仅减量化程度低、需要添加矿物而且最终只能去填埋处置，受土地资源影响未来不可持续；而热干化处理处理污泥往往成本较高而难以在污水厂应用推广。本文从探讨空气源热泵基本原理及应用于污泥干化的可行性，比较其他减量化技术在预期效果、投资运行费用及安全环境方面的优劣，并对其技术应用的研究方向提出一些建议和思考。

关键词：空气源热泵；污泥减量化；污泥干化；脱水污泥

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.061

0 引言

污泥处置方式有填埋、土地利用、干化焚烧和协同焚烧[1，2]。填埋法仍是我国污泥的现阶段主要的处置方式[3，4，5]，目前市场份额占比约65%，技术成熟，但填埋场库容有限；在土地资源紧张地区被作为一种应急手段，未来不可持续。污泥土地利用首先要对污泥进行稳定化处理，与土地利用对应的处理工艺包括好氧堆肥、厌氧消化（含热水解）的处理技术，目前在华北地区应用较多，市场份额约占15%。污泥焚烧（包括污泥掺烧）是最彻底的一种处置方式，目前市场份额约占11%，而在日本和德国污泥焚烧规模占比约68%和52%。但由于国内污泥热值低，相当于日本和德国1/3～1/2，焚燒必须对污泥进行干化[6]。但是利用热干化往往需要配套蒸汽和周边余热资源，利用外部热源导致干化价格较高，项目直接运行成本较高。实践表明，污泥减水减量化是打通污泥资源的关键前提，当前污泥处置遭遇瓶颈与污泥减量化不足、传统技术装备相对落后密切相关，亟需技术升级和突破。本文从污泥减量化角度出发，探讨空气源热泵应用于污泥减量化的可行性。

1 简介

空气源热泵干化是一种新型的干燥技术，目前主要应用于木材、烟草、食品等行业的物料干化。空气源热泵干化利用逆卡诺原理[7，8]，回收空气中水份凝结的潜热以对循环空气再加热的一种装置。空气源热泵干化系统中主要存在两个循环，详见附图1。其一是制冷循环，制冷循环是指内部的制冷剂经过压缩机压缩做功后转变为高温高压气体，在冷凝器内放热后进入蒸发器，在蒸发器内吸收干燥箱体内的水蒸气热量进入下一个循环；其二是湿空气循环，进入干燥箱内的干热空气经过与物料直接接触后，吸收物料中的水分降低温度，在蒸发器内与制冷剂间接接触，温度降低从而去处湿空气中的水分，最后与冷凝器间接接触吸收热量提高温度，再次进入干燥箱体内。

空气源热泵干燥系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀、循环风机和干燥室等组成，见图1。

空气源热泵污泥干化可直接应用于污水处理厂常规脱水设备（离心、带式等）后，可通过污泥泵或螺旋输送机等设备将污泥送入切条成型机，形成φ5mm左右的面条状，最终污泥在热泵干化设备内一次干化成型，干化后含水率可降低至20～30%，干化停留时间约2～3h，其工艺流程简图如下。

2 特征与结构

如图1所采用的空气源热泵干化系统是一种封闭式一体化系统，湿空气和制冷剂在各自的风道和管路内循环利用。污泥通过切条或破碎后送入干燥箱体内，干燥箱体内布置2～3层网带输送机，污泥经过切条机进入干燥箱体内，被均匀的摊铺在网带机上，随着网带机传动然后落入下层网带，最终通过排泥口排出。干燥箱体保温处理防止热量散失，可视为绝热等焓过程。干热空气通过风机被引入至网带机下部，热风温度约65～70℃，经过穿流数层网带后，与物料接触，温度降低至50～55℃。污泥中水分蒸发过程伴随少量H2S、NH3等臭性气体析出，但由于空气在干燥箱体内不断循环，在源头避免了产生的臭气污染问题。

制冷剂在热泵系统中，包括蒸发、冷凝、节流和压缩过程，其中蒸发过程和冷凝过程不断为空气吸收和释放热量，低温低压的制冷剂气体通过压缩机压缩成高温高压的气体。节流过程为冷凝器出来的中温高压的制冷剂液体，经过节流装置的节流，变成了低温低压制冷剂液体。应用于污泥干化的热泵系统，所选用的蒸发器和冷凝器为管翅片换热器，一般为铜铝结构，换热效果好；所选用的压缩机有螺杆式和涡旋式。目前常用的制冷剂有R22、R134a、R407c等，不同的制冷剂与采用的压缩机型式、热力循环效率、制冷工况、对材料的腐蚀性、与润滑油的相溶性、以及经济性、安全性等关系密切。

3 可行性分析

污泥减量化技术方法主要有改性压榨法、热干化法等，其中热干化法主要有间接热干化法。本文以10t/d规模（含水率80%的污泥干化）为例，从处理效果、投资运行费用、环境卫生等方面对照比较。

3.1 处理效果

从上表可以看出，三种减量化技术工艺原理差别较大，改性压榨法减量化效果较差，由于增加40～50%/DS的调理剂，实际减量约在40～50%左右，且自动化程度相对较低。热干化技术通常需要配套热源，干化后物料粒径呈不规则状。而空气源热泵由于经过污泥切条成型，最终污泥出料较为均匀。

3.2 投资运行费用

注：1、蒸汽成本按230元/t计，电价费用为0.65元/kwh，改性药剂价格按市场价估算；

2、本表计算的减水量指热干化和空气源热泵干化干化至20%，改性脱水技术60%。

从上表可以看出，通过热干化法和空气源热泵都能获得较高的脱水量，减量化程度较高，改性压榨法由于固化剂等药剂用量较多，实际减水量约为40%；改性压榨和热干化技术主要药剂消耗和能源消耗占主要成本费用的80%左右，空气源热泵干化仅消耗电能。从吨泥费用计算来看，由于能源价格较高，热干化法成本费用最高，其次为空气源热泵技术和改性压榨技术；但由于空气源热泵减水量大，实际蒸发吨水成本最低。系统设备投资方面，热干化法和空气源热泵设备投入相差不大，较高于改性压榨技术。

3.3 环境卫生

空气源热泵由于采用封闭式循环运行，对外无直接气体排放，相比热干化法对环境的影响较小，产生的粉尘、臭气及废水的量较少。由于采用低温干化，污泥干化过程中产生的挥发性有机物较少，污泥的热值保存较好，便于最终焚烧或其他资源化处置。

4 小结

（1）综合对照不同减量化技术的减量化效果、投资运行成本与环境卫生方面的因素，空气源热泵应用于污泥干化有较明显的优势。

（2）首先是减量化效果明显，可直接干化至含水率20～40%，减量化程度高，干化后污泥呈条状或柱状，便于外运，可有效防止转运过程中的“跑冒滴漏”，提高污水厂出泥标准。

（3）其次，相比其他脱水减量技术，空气源热泵干化技术在吨水的蒸发成本费用上甚至优于，投资费用与热干化费用相当，具有经济性优势。

（4）在安全环境卫生方面，由于空气源热泵工艺气体循环利用，封闭式运行，与污泥物料接触的温度较低（70℃以下），综合环境影响较小。

（5）空气源热泵污泥干化设备可直接在污水处理厂配套建设，避免了脱水污泥的二次转运，对于提高污水处理厂出泥标准及污泥资源化处置有重要价值。

5 展望与建议

（1）空气源热泵应用于脱水污泥干化还处于起步阶段，与污泥干化相匹配的空气源热泵还需要进一步的理论研究和实践检验。

（2）空气源热泵利用逆卡诺循环效率的原理，能效高于其他形式干化；但热泵系统内制冷量大于制热量，制冷剂蒸发温度偏高，这对系统的稳定性有一定的负面影响。因此，系统内部热量再平衡与利用以及专用的压缩机选型还需要进一步的研究。

（3）寻求环境友好、热力性质稳定、系统性能良好的高温制冷剂，是目前空气源热泵干化研究的一个重要内容。

（4）污泥在干化过程中产生的少量粉尘和腐蚀性气体对换热器的产生污堵和腐蚀，需要进一步研究防尘和防腐措施。

（5）目前国产空气源热泵污泥干化设备还较为落后，需要进行针对性的產品研发和产业化政策支持。

参考文献：

[1]戴晓虎.我国城镇污泥处理处置现状及思考[J].给水排水 ，2012（02）：215.

[2]朱南文，高廷耀，周增炎.我国城市污水厂污泥处置途径的选择[J]. 上海环境科学，1998（11）.

[3]吕斌，王弘宇，杨小俊.污泥脱水性能调理技术研究进展[J].山西建筑，2009（09）.

[4]荀锐，王伟，乔玮，尹可清.城市污泥处理现状与强化脱水的水热减量化技术[J].环境卫生工程，2008（02）.

[5]高健磊，闫怡新，吴建平，万耀强.城市污水处理厂污泥脱水性能研究[J].环境科学与技术，2008（02）.

[6]郝先鹏.污泥热干化技术的研究进展[J].四川化工，2015（05）

[7]张振涛，杨鲁伟，董艳华，吕君，戴群特，朱斌祥.用于污泥热泵干化的带式干燥机热力分析[J].流体机械，2010（12）.

[8]徐国富.用于污泥干燥的热泵试验研究[J].能源工程，2009（01）.

作者简介：何志锋（1982-），男，硕士研究生，主要研究方向为城市污泥处理处置研究。