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熱泵技術幹化汙泥的設備_不鏽鋼網帶應用行業案例

1 前言

  將熱泵作爲熱源進行幹燥、幹化和脫水等作業,是上世紀八十年代發展起來的新型幹燥技術。目前,該技術已應用于各個領域,如在木材、化工産品、食品幹燥、蔬菜脫水和汙泥糞便幹化等方面,都取得了良好的效果。針對汙泥和糞便幹化問題,熱泵幹化技術具有運行費用低和對環境無任何汙染的兩大優勢。早在上個世紀八十年代初日本已取得成功的運用。

2 熱泵幹燥原理

  熱泵幹燥設備由熱泵的熱力循環系統和熱風幹燥循環系統組成。熱泵循環系統爲熱風幹燥系統提供熱源和降低熱風濕度。熱風幹燥系統,通過循環熱風與物料直接接觸,提供蒸發水份熱量,帶走物料中的水份。
  所謂“熱泵”,是耗用一定的機械功,吸取環境或廢棄物中低品位熱能,將其提高成爲可利用的熱能的一種節能裝置。正如“水泵”一樣,耗用一定機械功,將水從低水位提高到所需的水位。
  熱泵系統由壓縮機、冷凝器、節流裝置和蒸發器組成,如圖一所示。系統內運行的工質,在蒸發器中吸取幹燥室排出濕熱空氣中的熱量,從低壓液態工質蒸發成低壓蒸汽,經壓縮機增壓成爲高溫高壓的蒸汽;在冷凝器中,高溫高壓的工質蒸汽放出熱量加熱進入幹燥室的空氣,而工質本身則從氣體冷凝成高壓液體;通過節流裝置,液體工質産生阻塞效應,降低了壓力和溫度,成爲低壓低溫液體,再度進入蒸發器中吸收濕熱氣體的熱量,如此反複循環將低溫熱量輸送到高溫介質中去,形成熱泵循環。
  從熱風幹燥循環系統來看,其熱風流程如圖二所示。幹燥室排出氣體,是含水份較高的濕熱氣體,其狀態如圖三h-d圖上的點a,其相對濕度在ψ=70~80%左右,通過熱泵的蒸發器時,由于蒸發器表面溫度低于空氣露點溫度,不僅降低了空氣的溫度並且在蒸發器表面將水汽冷凝下來,以液體水的狀態排出系統外。氣體離開蒸發器變成低溫而濕潤,如圖三上點b其相對濕度一般在ψ=95-97%。脫濕後的氣體在熱泵冷凝器中得到等濕加熱,提高了氣體溫度,同時也降低了相對濕度,如圖三C點成爲幹熱氣體進入幹燥室。在幹燥室中,幹熱氣體與被幹燥物料直接接觸,提供物料幹化的熱量,同時也帶走了水份。空氣在幹燥室內爲等焓增濕降溫過程,在離開幹燥室時又回複到圖三的a點。從圖三上可見每公斤氣體通過一個循環可以脫除水份△d=da-dc。

  從上述熱泵幹燥原理來看,與一般幹燥工藝差別是沒有濕熱氣體排放,通過二個密閉循環系統,物料中的水份最終以液態水排除。采用該原理幹化汙泥有二大優點:
  (1)節約能源:在熱泵幹燥中。不排放濕熱氣體而將其顯熱和潛熱全部進行了回收,只耗用了一定的機械功。一般衡量熱泵熱回收能力常用熱泵性能系數來表征,即

           COP=冷凝器提供熱量/壓縮機的功耗=QC/W0

  在汙泥設備幹燥中COP=4.0~5.0,既熱泵提供的熱量是電耗熱量的4~5倍。
  衡量幹燥設備耗能另一重要指標熱泵比脫水率WPE

           WPE=脫水量/熱泵能耗=kg(水)/kw.H(電)

  在目前設備中熱泵WPE=5.0~6.0。即每度電可脫水5~6公斤。
  (2)不汙染環境:由于熱泵幹化汙泥在封閉的環境中進行,在幹化過程中産生的一切有臭有害氣體可以做到不外泄,對周圍環境可以減少到最低的汙染,有利在居民點附近進行幹化操作。

3 熱泵幹化汙泥裝置簡介

  我所科技人员自八十年代以来,对熱泵幹燥技术进行了系统的研究与开发。采用了高温热力性能良好的工质R142b和独特的热风循环系统(专利号:ZL  97222358.4)开发了系列的高温熱泵除湿机。该机组的幹化温度在50~85℃范围内均可工作,至今已有500~600台(套)设备投入运行,尤其在木材幹燥方面取得了优异成效;如上海的优质木制品一半以上,均用我所设备进行幹燥处理。出口名牌木制品,几乎悉数采用我所设备进行幹燥加工。2000年获得了《国家重点新产品》称号,自1997年以来我所被评为《上海市高新技术企业》。
  而與熱泵幹燥機組相匹配的幹燥室有連續幹燥和間歇幹燥兩種方式。一般物料比較粗大,幹燥周期較長或物料不形成批量的多用間歇幹燥,即物料是采用間歇載入和卸出的。如木材、農副産品、藥材、工藝品多用此方式。

  對于汙泥幹化周期相對短,批量又較大,成型後物料細小而顆粒度又較均一故宜采用連續進料和出料的連續式幹燥方式。我所研制的一台汙泥幹化連續式熱泵幹燥裝置的樣機,工作原理如圖四所示,其外形參見照片1。熱泵幹燥機仍沿用我所卓有成效,成熟的機組。幹燥室內裝有傳送速度可調的不鏽鋼網帶的傳送帶組。爲了幹化工藝過程全部在封閉環境中進行,在幹燥室內配置了兩套成型機。

  經過發酵後含水量爲60~65%的粉狀汙泥通過封閉輸送筒,進入幹燥室內,爲了易于幹化,防止幹化後汙泥飛揚,經過初步成型,傾在不鏽鋼網帶上,傳送帶按設定速度帶著物料轉運,經數層傳送帶來回運送使汙泥幹化到含水率40%左右再進行第二次成型成顆粒肥料,再經數次傳送帶來回運送幹化,最後達到含水率20%成品的顆粒肥料(參見照片2)送出幹燥室,再通過封閉傳送機構送到包裝車間,盛袋裝出。

  從熱泵幹燥機組送出的熱風,經循環風機向網帶(傳送帶)垂向送風,穿過數層盛載汙泥不鏽鋼網帶時,吸收物料水份返回到熱泵中除濕,這種幹燥方式亦稱熱泵穿流幹燥。采用這種方式也曾對未經發酵含水率80%的排水汙泥,成功地幹化到60%含水率。當然在幹化過程中成型比較困難,但這也爲進一步擴大處理汙泥的範圍創造了條件。
輸送帶(不鏽鋼網帶分類):網帶,不鏽鋼網帶,金屬網帶,長城網帶,乙型網帶,輸送網帶,人字型網帶,馬蹄網帶,曲軸網帶,凯时平台在线地址,串杆網帶等

4 熱泵技術幹化汙泥的特點

  經過熱泵幹燥裝置的研制試驗與分析,熱泵幹燥汙泥具有以下優點:
  (1)能耗費用低
  熱泵幹化汙泥裝置在運行中能回收濕熱空氣的顯熱和潛熱,能量得到充分而合理利用,是一種公認的高效節能設備。按目前上海地區的能源價格計算,熱泵運行的能源費用,是用煤氣和燃油作熱源進行供熱幹燥的一半左右(詳見經濟分析)。
  (2)不汙染環境
  由于熱泵幹化汙泥的全過程是在封閉系統中進行,不需向周圍環境排濕,同時也會排出有害、有臭味的氣體。若將進出料系統全部封閉在管道中,會使整個操作保持清潔環境。幹化後的汙泥已成爲無臭顆粒肥料。幹燥汙泥後打開幹燥室清理時,也無明顯臭味溢出。這與其他幹燥方法相比,是一個獨特的優點。
  (3)汙泥幹化質量好
  熱泵幹燥裝置中的幹燥介質是在封閉的空間循環;不受外界氣候條件的影響,一年四季均在同一條件下平穩運行,所以幹燥質量穩定。汙泥是城市排水經過絮凝劑沈澱出來的膠狀固體微團,成分結構複雜,親水力較強。熱泵幹化溫度不僅可在50~85℃調節,而且可以控制幹燥室的濕度,滿足有機汙泥幹化的理想條件,不會造成汙泥微團外壁結殼,造成難以脫水的現象。試驗證明,幹燥成品的含水率均勻,又能保持顆粒肥料中的有機成分。另外,由于循環是在封閉的空間內進行,不受外界氣候條件的影響,一年四季均在同一條件下運行,幹燥質量很穩定。
  (4)易形成現代化的産業
  目前研制的日處理一噸汙泥熱泵幹化裝置的樣機,在寬1.5米、高2.3米、長3.5米的封閉空間內已含了熱源、幹燥室、鼓風設備和控制等設備,非常緊湊。若擴大到日處理五噸汙泥的設備,其體積不會超過B×H×L=2米×3米×5米。其占地面積非常有限。此外,本裝置可以組合式運行。如需日處理20噸汙泥量,則可以使4台機組緊密並列運行,總的占地面積很小,當然,在日處理量有波動時還可以調整運行台數。由于熱泵幹燥操作爲單一的電能,自動化程度高,非常適宜配套在現代化城市應用。

5 熱泵幹燥能耗的經濟性

  熱泵是用電力驅動的裝置,一般誤認爲耗電成本高,不易被接受。現分別就采用煤、燃油、煤氣和熱泵作爲供熱源的幹燥裝置,進行經濟性比較,對各種熱源的熱值和價格作如下設定:
  (1)煤熱值:6700大卡/公斤,價格:0.35元/公斤。
  (2)煤氣熱值:3500大卡/M3,价格: 0.8元/M3
  (3)燃油熱值:10800大卡/kg,價格:2.4元/kg。
  (4)电热值:860大卡/kWh,平均电价:0.45 元/kWh。
  (白天0.6元/kWh,夜間0.3元/kWh)
  若以處理一噸含水率60%汙泥幹化成含水率20%的顆粒肥料爲例,提供相等的幹化熱量,其能耗成本計算結果如下表所示:

幹燥熱源

能源轉換效率

幹燥效率

處理一噸汙泥成本

ηT=0.7

η=0.9

25元

煤氣

ηT=0.85

η=0.9

89元

燃油

ηT=0.8

η=0.9

93元

熱泵

Cop=4.0

η=0.96

41元

  由上表可见,各种热源的幹燥装置,除煤外,采用熱泵幹燥,比燃油、煤氣成本均低。但使用煤的实际成本,比上表所列要高,因为除幹燥设备外,还需要投资庞大的锅炉房、锅炉设备和支付繁杂的管理费用,如增加环保设施、管理操作人员、煤的堆场,煤和渣的运输等。

6 小結

  将污泥幹化成颗粒肥料,采用熱泵除湿幹燥装置与其他供热方式的幹燥装置比较,其优缺点如下表所示:

不同热源幹燥

能耗成本比例

操作簡易性

環境汙染

幹燥质量控制

熱泵

1

0.61

較複雜

較重

不易穩定

煤氣

2.17

一般

較輕

較好

燃油

2.27

一般

較輕

較好

  因此,随着环保要求提高,特别是人口密度较高的城市里,采用熱泵来幹化污泥具有独特的优势。

 
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