散热泵(热泵污泥干燥系统原理及流程优化)

Posted 2023-05-27

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散热泵(热泵污泥干燥系统原理及流程优化)

在污泥的干燥技术中，热干燥是目前最常用的干燥手段。按照对污泥的加热方式分类，有对流、传导和辐射干燥三种类型。在对流干燥中，干燥介质和污泥在同一个空间内发生热湿传递作用，干燥介质将热量传递给污泥使其内部的水分蒸发扩散，进入到干燥介质中去被带离污泥。一般情况下需将被降温加湿的干燥介质排放至设备外，导致能源利用率较低，此外在干燥过程中干燥介质与污泥直接作用，干燥过程中产生的一些有毒有害物质也会随着尾气排出，因此要对干燥产生的废水和尾气做无害化处理；在传导干燥中，湿污泥和加热媒介不直接接触，加热媒介（通常为油或蒸汽）可回收利用，但仍需对干燥介质进行后续的尾气处理，同时由于是间接传热，湿污泥中水分的蒸发效率和设备的传热效率都较低，导致其整体的效率不高。

热泵污泥干燥技术作为污泥低温对流干燥工艺中的一种，可以在保证较高的蒸发效率和传热效率的同时，回收干燥废气中的热量，同时大幅降低污泥干燥过程中的有毒有害物质排放，能够达到节能减排的有益效果。

1 热泵干燥系统分类

针对热泵干燥系统，其按干燥介质的在系统内的循环工作方式分类，可分为封闭式、半封闭式以及开敞式三种。

图1 开敞式热泵干燥设备原理图

其中开敞式系统内的干燥介质在对干燥物料进行除湿之后直接排放至室外大气内，原理如图1 所示。一般的处理过程为环境空气先经过热泵的冷凝器进行等湿升温，干燥介质空气被加热后经过风机送至干燥箱内吸湿降温，然后进入热泵蒸发器同制冷剂换热被冷却除湿，同时回收这部分空气的显热和潜热，之后再将其排至环境大气内，这种热泵干燥系统一般适用于室外空气湿度不大、温度较高的干热条件下，同时系统除湿性能、能耗水平受制于外界空气条件的影响，不利于大规模使用。对于半封闭式系统，其工作原理如图2 所示，其干燥介质在对干燥物料进行除湿之后部分排放至室外大气内，同时还需要从室外大气内重新补充等量的冷空气至系统内。该系统的处理过程为干燥箱出口的干燥介质空气一部分直接排放至大气内，而另一部分旁通进入热泵蒸发器，被降温除湿后同新吸入的环境空气进行混合，而后两部分空气一同进入热泵冷凝器被加热，经风机加压后进入干燥箱对干燥物料进行除湿干燥，循环往复。在这种系统构型中，干燥箱出口的干燥介质空气的旁通率是一个影响系统性能的至关重要的参数，合理的旁通率能够保证系统较高的处理能力和能效水平。

图2 半封闭式热泵干燥设备原理图

对于封闭式热泵干燥系统，干燥介质在系统内循环使用，其原理如图3 所示，处理过程为干燥箱出口的干燥介质空气进入热泵蒸发器，被降温除湿进入热泵冷凝器被加热，经风机后进入干燥箱同物料传递热量湿分，循环往复，此种构型在工作过程中热损失小，可以有效降低干燥过程中的能耗水平，同时受外界环境温度、湿度影响小，地域适应性强，也是目前适用于污泥干燥，使用最为广泛的热泵干燥系统构型。

图3 封闭式热泵干燥设备原理图

2 热泵污泥干燥系统原理

在热泵污泥干燥系统中，干燥物料为污泥，干燥介质一般为空气，本质上热泵污泥干燥同常规的污泥热干燥的作用机理类似，均为通过干燥介质同干燥物料的热湿交换，使物料中的水分向外蒸发扩散，从而降低物料的含水率。但在处理吸湿干燥介质的方法上，热泵干燥同常规干燥手段有着明显的不同，常规的干燥手段一般是直接将含湿量高的干燥介质排放至大气内，如图4 所示，在这种处理方案中，干燥介质先通过加热器加热（一般为蒸汽或者电加热），然后通过风机进入干燥箱内，通过与被干燥物料进行热量和湿量的交换，将干燥物料加热并吸收来自被干燥物料中的湿分，而后定期从干燥室内排出一部分高含湿量的干燥介质，同时还需补充等量的冷介质来维持干燥循环。这种干燥工艺的最大弊端就是由于要定期排出高温高湿的干燥介质，系统的热损失相当大，其热损失可达 40%，而且废气中往往含有很多有毒有害成分，若不加以处理将会导致严重的空气污染。

图4 常规污泥热干燥设备原理图

而热泵污泥干燥系统利用热泵循环，通过热泵低温除湿的方法降低废气含湿量，同时吸收废气中的热量用于加热干燥介质，有效利用了废气中的热量，提高了能量利用效率，同时热泵污泥干燥温度较低，干燥过程环保安全，其原理如图5 所示。其主要由热泵、干燥箱、风机等组成，一般采用闭式空气循环，整个系统与外界环境隔绝，干燥介质为空气，干热空气在风机的作用下进入干燥箱内与污泥接触，空气经过降温加湿变为湿热空气，同时将污泥中的水分带走，再进入回热器预冷后通过热泵的蒸发器冷却去湿析出冷凝水变为干冷空气，干冷空气经过回热器预热后进入冷凝器被加热变为干热空气，如此完成循环过程。而热泵侧制冷剂经压缩机压缩后，其温度压力等参数均升高，经过室外的散热设备散出部分热量后进入冷凝器中，同时将热量散给预热后的干冷空气。之后制冷剂再经过节流阀，节流过程近似等焓，其变为低温低压两相态，然后进入蒸发器，在蒸发器中吸收热湿空气的热量气化后重新被压缩机压缩而完成循环。

图5 热泵污泥干燥设备原理图

对应上述处理过程，热泵污泥干燥系统的能量来源及分配示意如图6 所示：

图6 热泵污泥干燥系统能流图

实际上在热泵污泥干燥系统中，其输入能源主要为压缩机消耗的电能，经热泵循环热量在制冷剂与干燥空气中传递，考虑干燥过程中湿污泥吸热、设备本身的散热，其余的热量则需由散热设备散出系统外。

3 热泵污泥干燥系统技术特点

利用热泵对污泥进行干燥处理目前已经得到了一定的应用，结合其工作原理和方式，该系统具有如下的特点：（1）低能耗。采用闭式热风循环与热泵的热回收技术，可以有效降低干燥过程中的能耗水平，同时受外界环境温度、湿度影响小，地域适应性强；（2）低污染。干燥温度在 100°C 以下的低温干燥条件下可以避免带臭味的有机物挥发，同时闭式热风循环也可显著降低系统内循环空气的外溢，因此一般可不做尾气、废水的处理；（3）低损失。污泥干燥过程中由于温度不高，其有机质损失小，利用潜力大；（4）高安全性。污泥干燥过程中运行环境温度不高，在合理控制风速的条件下又可避免扬尘，热泵污泥干燥系统完全可以满足污泥干燥的安全要求，从而大大提高系统运行的安全性；（5）干燥时间较长。由于热泵出风温度一般为 65°C~80°C，污泥干燥时间一般长达几十分钟至几个小时，且出料含水率要求较低时可能无法满足要求；（6）设备容量较小。受制于干燥时间长的因素，一般情况下热泵污泥干燥设备的单机处理能力不高，大规模使用不便；（7）投资成本较高。同传统热干燥设备相比，热泵污泥干燥设备结构复杂，系统组件较多，其初投资相应较高。

4 热泵污泥干燥流程优化

由前述分析可知，目前常规的热泵污泥干燥系统的流程设计仍有其不合理之处，尚不能充分利用热泵干燥潜力。本文结合热泵运行的特点，提出以下可行的优化方案：（1）散热设备后置热泵污泥干燥系统：系统运行过程中采用在制冷剂侧进行散热时，可考虑将散热设备设置在冷凝器后，以便有效提高送风温度，从而提高系统的干燥能力，但可能存在所需散热面积增大的情况，原理图如图 7 所示

图7 散热设备后置原理图

（2）蒸发器前预冷热泵污泥干燥系统：将系统的散热设备设置在湿热空气经过回热器后，进入蒸发器前，在有效排出设备内多余热量外还可对循环空气进行冷却去湿，原理图如图8 所示

图8 蒸发器前预冷原理图

（3）两级串联式热泵污泥干燥系统：采用两级热泵串联，一方面可降低干燥空气中的含湿量，同时也可适当提高干燥空气温度，但在系统运行中存在诸多耦合问题，同时由于蒸发器与冷凝器之间温差加大，若想充分冷却、加热空气需要增大设备的换热面积，原理图如图 9 所示

图9 两级串联式热泵污泥干燥系统原理图

（4）多台热泵并联式热泵污泥干燥系统：考虑采用多台热泵并联运行，多台热泵接力冷却湿热空气，同时接力加热干冷空气，在充分换热的同时可以提高设备的处理能力，原理图如图 10 所示

图10 多台热泵并联式热泵污泥干燥系统原理图

在多组热泵并联运行过程中，各个热泵可单独运行，不存在相互影响的问题，同时可将每个热泵的蒸发温度和冷凝温度单独设置，可以充分冷却、加热空气，提高设备的容量。

5 结论

本文总结梳理了热泵污泥干燥系统的分类、原理以及技术特点等内容，并在此基础上对热泵污泥干燥的系统流程进行了一定的优化，得到了以下结论：（1）目前应用于实际生产的热泵干燥系统按干燥介质的循环方式分类，主要有封闭式、半封闭式以及开敞式三种类型，其各自适用的范围不甚相同，适用于污泥干燥的主要为封闭式和半封闭式热泵干燥系统；（2）热泵污泥干燥系统相比于常规的污泥热干燥系统具有较大的优势，具有低能耗、低污染、低损失和高安全性的特点，但也存在一些如干燥时间长、设备容量小以及投资费用高等问题；针对常规的热泵污泥干燥系统工作过程的流程设计不合理，本节总结提出了散热设备后置热泵污泥干燥系统、蒸发器前预冷热泵污泥干燥系统、两级串联式热泵污泥干燥系统以及多台热泵并联式热泵污泥干燥系统等多种优化方案。