太阳能-热泵复合污泥干燥系统设计

王依琳 尹鹏宇 王孚懋

（1.潍坊正源路桥工程有限公司，潍坊 261011；2.山东科技大学 机械电子工程学院，青岛 266590）

随着我国经济的快速发展和人口的城镇化聚集，城镇污水产生量与处理量不断上升。据统计，全国范围内已有3 830余座污水处理厂被投入使用，日污水处理能力约为1.6亿m3，污水处理过程产生大量的污泥，含水率超过80%的污泥产量高达5 000万t[1]。污泥处理需满足减量化、稳定化、无害化、资源化的指标要求[2]。目前处理污泥的主要技术手段为机械脱水法，产生的污泥含水率较高，需进一步降低其含水率。干燥法是目前降低含水率的主要技术手段，其中传统干燥方式包括热风干燥、辐射干燥以及真空干燥等[3]。然而，这些干燥方法存在安全性较差、能耗高、投资大以及易污染的问题。

太阳能与热泵低温干燥技术因节能环保等突出优势，在对其流程设计、干燥特性以及干燥设备等方面取得了一定进展。饶宾期等设计了太阳能热泵干燥系统，加入太阳能集热系统可为系统节约10%的能耗[4]。李朋刚通过设计优化热泵干燥系统，发现热泵干燥最佳出风温度为65～75 ℃[5]。曹雷等的研究表明，低温环境度能够有效提升干燥效果，避免干燥过程表面硬壳[6]。

本文针对低温污泥干燥方式，结合干燥设备规范，进行干燥过程热力计算，对污泥干燥系统进行设计计算。通过引入闭式热泵干燥系统与太阳能集热系统对干燥系统进行流程优化，并与传统方案进行环保与经济性的综合分析对比。

1 系统介绍

干燥系统由热泵系统、太阳能集热系统、干燥室以及控制系统组成，系统工作流程如图1所示。太阳能集热系统由平板集热器、风机、除湿冷却器以及管路等组成。

干燥室由保温墙体构成，内部设置多层污泥传送网带，保证污泥稳定在网带上运行不泄露，同时实现污泥与空气的充分接触。控制系统通过检测干燥介质的参数调节输入风量。当太阳辐射高时，增大阀门开度；当天气状况较差时，减小开度，充分发挥太阳能集热系统的集热能力和智能调节功能，以提高系统节能性。系统工作时，外界空气被分别吸入热泵与太阳能集热系统，加热后经进风管进入干燥室。干燥室传送带使热风与污泥充分接触，并带走其中的水分完成干燥过程。干燥完成后的空气通过控制系统智能分配调节，按照进口处风量比例分别返回至各自的系统。

2 干燥过程热力计算

对于某水站，每天产生约3 t含水率为82.3%的污泥。中水回用装置每天产生含水率为88.5%的污泥约1.2 t，干化后污泥含水率应降至35%。

污泥初始平均含水率XW1为84.1%，每秒污泥干燥量m为：

式中：M为每天污泥蒸发量，kg；XW2为污泥目标含水率，%。

干燥室是整个干燥系统的核心部分。合理的干燥室设计与干燥参数选取能够显著提高污泥的干燥效果。设计干燥参数如表1所示，其中干燥风速u为1.5 m·s-1。

表1 干燥室设计参数

2.1 干燥所需功率及空气量

预热过程所需功率Qy为：

式中：cw为污泥比热，kJ·kg-1·K-1；ts为干燥室内空气平均湿球温度，℃；tw为污泥初始温度，℃。

预热过程所需空气量l1为：

式中：Cpa为干燥室内空气平均比热容，kJ·kg-1·K-1；t1、t2分别为干燥室进出口空气温度，℃。

所需功率Qr为：

式中：r为对应干燥室平均湿球温度下水的汽化潜热，kJ·kg-1。

所需空气量l2为：

式中：x1、x2分别为干燥室进出口空气含湿量，kg·kg-1。

空气耗量l为：

所需功率Q为：

计算可得预热过程所需空气量为0.186 kg·s-1，干燥过程所需空气量为9.22 kg·s-1，干燥所需总功率为416.4 kW。

2.2 干燥速率及时长

单位面积上空气质量流速Ga为：

式中：va为干燥室内平均温度下的空气比体积，m3·kg-1。

雷诺数Re为：

式中：Re为干燥气体外掠柱状污泥雷诺数；d为柱状污泥直径，m；ηa为干燥室平均温度下空气动力粘度，Pa·s-1；ρa为干燥室平均温度下空气密度，kg·m-3。

污泥与空气表面传质系数K为：

单位体积下污泥与热风有效接触面积α为：

式中：ε为污泥孔隙率。

传递单元数ξl为：

式中：h为污泥层厚度，m。

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降速干燥最大干燥速率Rc为：

计算得干燥时长与含水量积分关系如图2所示。通过干燥时长积分图，污泥干燥所需时长τ为4 h，污泥平均干燥速率Rdm为3.23 kg·m-2·h-1。

3 系统优化分析

3.1 热泵系统优化

设置回热交换器，干燥完成后的热湿空气经回热交换器预冷后进入蒸发器降温除湿，将热量传递给热泵工质，降温析出的冷凝水经收集后排出。热泵机组的参数如表2所示。

表2 热泵系统设计参数

热泵蒸发器除湿冷负荷ΦL：

式中：ΦL为蒸发器冷负荷，kW；m为每秒水分蒸发量，kg·s-1；hzj为蒸发器进口空气焓值，kJ·kg-1；hzc为蒸发器出口空气焓值，kJ·kg-1。

热泵系统实际制热系数COPH为：

式中：COPH为热泵制热系数；tL为热泵蒸发温度，℃；tH为热泵冷凝温度，℃；η为系统热力完善度。

压缩机功耗P为：

式中：P为压缩机功率，kW。

冷凝器热负荷ΦH为：

计算得热泵实际制热系数COPH为3.8，蒸发器冷负荷与空气在冷凝器中吸热量为316.7 kW，压缩机耗功为109.5 kW，冷凝器热负荷为416.4 kW，冷凝器多余热负荷即为压缩机输入功率，为109.5 kW。

3.2 太阳能集热系统节能分析

集热器参数如表3所示，单集热器集热面积为3.75 m2，集热器数目为24。

表3 集热器参数表

总集热量Pj的计算公式为：

计算得总集热量Pj为45.93 kW，总集热面积Aj为90 m2，太阳能集热系统的干燥风量为5 184 kg·h-1。

热泵系统COPH为3.8，故太阳能集热系统对于热泵系统节能功率Ps为：

计算得Ps为12.09 kW，即为热泵压缩机节能12.09 kW，约占干燥系统总能耗的11.04%。

4 系统设备选型与性能分析

选用10台机组热泵，单个机组功率为11.00 kW，单个蒸发器热负荷为31.70 kW，换热面积为132.4 m2，冷凝器热负荷为41.64 kW，换热面积为178.0 m2。除湿冷却器所需换热面积为192.1 m2，系统总风量为37 080 m3·h-1，采用10台风机，单台风机风量约为3 708 m3·h-1，太阳能干燥系统风量约为4 675 m3·h-1，所需风机数量2台，单个风机功率为2.0 kW，风压为1 514～1 109 Pa。不同干燥方式对比如表4所示。

表4 干燥方式对比

本系统干燥1 kg水节约电量0.4～0.5 kW·h，按每千瓦时0.8元计算，每天节约运行费用838元。初投资约为40万元，约1.5年可回收投资成本。本系统干燥过程更安全，不仅不会产生污染，而且大幅提高了系统经济性，有效改善了传统干燥工艺存在的各种问题。

5 结语

通过对太阳能-热泵复合污泥干燥系统的分析和与传统污泥干燥系统的对比，从投资成本、运行费用、成本回收周期以及干燥效果等方面进行分析。相较于传统污泥干燥，设计的太阳能-热泵复合污泥干燥系统单位能耗除湿量提升明显。随着污泥处理量的增大，节能效果愈加显著，约1.5年可收回投资成本。利用热泵回收除湿冷凝热能够显著提高系统性能与经济性，太阳能集热系统节能达12.64%。