污泥熱泵真空干化減量系統實驗研究

劉劭博　康致博　周秀霞　王磊　勞燕雯　梁智勇

摘要：本文利用污泥熱泵真空干化減量系統對初始含水率為51.50%、51.79%、53.00%的3份工業污泥進行干化實驗，熱泵冷凝器端回水溫度分別設定為80℃、75℃、70℃，依次記錄為工況A、工況B、工況C。在工況A、B、C下，熱泵COP平均值分別為3.93、4.14、4.69，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而增大，干化減量系統能夠穩定為污泥干燥持續提供熱量;熱泵12h耗功分別為21.7kW·h、18.1kW·h、15.6kW·h，熱泵能量回收率分別為18.06%、33.26%、48.91%，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而增大;當在A、B、C工況下干燥污泥6h時，30kg污泥分別干燥出水10.53kg、9.63kg、8.87kg，單位能耗分別為1.60kW·h/kg、1.49kW·h/kg、1.46kW·h/kg，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而降低。

關鍵詞：污泥;熱泵;真空;干化

引言

目前，主流的污泥干化技術是熱泵熱風式干化，通過熱泵加熱空氣對污泥進行干燥，具有能耗低、干燥效果好的優勢，在近年來得到越來越廣泛的應用。但是由于干燥過程溫度較高，污泥中可燃性有機氣體大量揮發，有機氣體與干化過程產生的粉塵混合后形成危險性極高的易燃易爆粉塵氣體，使得干燥過程存在爆炸隱患，安全性無法保證;另一方面，干燥形成的粉塵會造成熱泵裝置的蒸發器和冷凝器臟堵，換熱器表面污垢使得傳熱效率大幅降低，并嚴重腐蝕換熱器翅片，干化設備使用耐久性很差。

真空干化技術與熱風干化相比有多方面優勢，真空干化過程干化溫度低，有機氣體揮發量顯著減少，真空干化過程在密閉、無氧環境進行，不存在爆炸風險。然而，傳統真空干化裝置需要配備大功率真空抽氣系統，設備投資高、運行能耗高，不適用于低值污泥的干化。

本文針對熱泵熱風干化的固有缺陷，將熱泵干化與真空干化進行耦合集成，形成污泥熱泵真空干化減量系統，實現污泥干化過程低能耗安全運行，對污泥處理行業的發展具有重要意義。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗用污泥為有機成分含量較低的工業污泥，任取3份工業污泥，記錄每份工業污泥的質量之后，放置于托盤中。將托盤放在鼓風干燥箱中進行105℃加熱，干燥3h，稱取每份工業污泥的質量，記錄數據。將托盤繼續放入干燥箱中干燥10min，取出再次稱重，直至每次質量變化小于0.01g為止，此時認為污泥已絕干。污泥初始含水率為絕干污泥失去的水分總質量與污泥初始質量之比。經過測試計算，3份工業污泥初始含水率分別為51.50%、51.79%、53.00%。

1.2 實驗裝置

如圖1所示，污泥熱泵真空干化減量系統主要由熱泵干燥單元、蒸汽冷凝單元及數據采集單元組成。熱泵干燥單元主要包括：熱泵、干燥罐、熱水箱、與熱泵冷凝器相連接的熱水管及與熱泵蒸發器相連接的冷水管;蒸汽冷凝單元主要包括：蒸汽管道、冷水箱、葉輪、電動機、真空泵;數據采集單元主要包括：數據采集模塊、5個溫度傳感器、1個壓力傳感器及1臺計算機。污泥經過機械破碎后送入干燥罐，經熱泵加熱后，濕污泥當中的大部分水分低溫蒸發形成水蒸汽，水蒸汽流向蒸汽冷凝單元當中的冷水箱，在真空環境下冷凝成水，同時熱泵蒸發器吸收水蒸汽的冷凝熱，在熱泵驅動下將熱量傳遞到干燥罐，如此循環實現污泥干化過程低能耗安全運行。

1.3 實驗流程

本項目通過氣體流量計，測試流經連接干燥罐、冷水箱的蒸汽管道中水蒸汽的量，獲取污泥含水率的變化情況，實驗共進行12h，實驗具體操作流程如下：

（a）：把30kg污泥均勻地置于干燥罐中;

（b）：啟動真空泵，當真空度達到0.095MPa時，關閉真空泵;

（c）：開啟熱泵，在熱泵溫度控制器調節熱泵冷凝器端回水溫度;

（d）：開啟熱水泵及冷水泵;

（e）：開啟蒸汽冷凝單元，運行電動機驅動葉輪;

（f）：記錄水蒸汽質量，記錄熱泵及干化減量系統整體耗電量。

本文對初始含水率為51.50%、51.79%、53.00%的3份工業污泥進行干化實驗，每次取30kg污泥，熱泵冷凝器端回水溫度分別設定為80℃、75℃、70℃，依次記錄為工況A、工況B、工況C，每次干化實驗進行12h。

2 實驗結果分析

2.1 熱泵COP結果分析

根據測試所得熱泵冷凝器端的進出口溫度和流量，可計算出冷凝器釋放的熱量。根據冷凝器釋放的熱量及測試獲取的熱泵功率，可計算出熱泵COP。

在工況A、B、C下，計算得出熱泵COP的范圍分別為3.32～4.96、3.58～4.46、4.16～5.30，熱泵COP平均值分別為3.93、4.14、4.69，熱泵COP隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而增大。在整個實驗期間，該污泥熱泵真空干化減量系統運行穩定，能夠為污泥干燥持續提供熱量。

2.2 能量回收率結果分析

水蒸汽在干燥罐中被干燥出后，在壓力差的作用下，進入蒸汽冷凝單元當中的冷水箱冷凝，熱泵通過蒸發器端與蒸汽冷凝單元連接，通過水循環的方式回收冷凝熱。能量回收率是單位時間內熱泵蒸發器端通過水循環的方式從蒸汽冷凝單元中回收的部分熱量與熱泵單位時間內的能耗之比。根據測試所得的蒸發器端進出口溫度和流量，可計算出蒸發器回收的熱量。根據蒸發器回收的熱量及測試獲取的熱泵電耗，可計算出熱泵能量回收率。

在工況A、B、C下，熱泵12h耗功分別為21.7kW·h、18.1kW·h、15.6kW·h，由熱泵蒸發器端水流量和平均溫差可得熱泵蒸發器端回收的熱量分別為14112kJ、21672kJ、27468kJ，熱泵能量回收率分別為18.06%、33.26%、48.91%，熱泵能量回收率隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而增大。

2.3 單位能耗結果分析

系統單位能耗為工況下系統總能耗與脫水量之比，本干化減量系統耗電的設備有熱泵、熱水泵、冷水泵及驅動葉輪的電動機。干燥過程中干燥速率逐漸降低，干燥過程進行到中后期，干燥出的水量越來越少，本文取干燥6h時數據進行單位能耗分析。

當干燥進行6h時，污泥和耗電量具體數據如表2所示，A、B、C工況下，30kg污泥分別干燥出水10.53kg、9.63kg、8.87kg，單位能耗分別為1.60kW·h/kg、1.49kW·h/kg、1.46kW·h/kg，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而降低。

3.結論

本文利用污泥熱泵真空干化減量系統分別對初始含水率為51.50%、51.79%、53.00%的3份工業污泥進行干化實驗，熱泵冷凝器端回水溫度分別設定為80℃、75℃、70℃，依次記錄為工況A、工況B、工況C。

（1）在工況A、B、C下，熱泵COP的范圍分別為3.32～4.96、3.58～4.46、4.16～5.30，平均值分別為3.93、4.14、4.69，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而增大，干化減量系統能夠穩定為污泥干燥持續提供熱量。

（2）在工況A、B、C下，熱泵12h耗功分別為21.7kW·h、18.1kW·h、15.6kW·h，熱泵蒸發器端回收的熱量分別為14112kJ、21672kJ、27468kJ，熱泵能量回收率分別為18.06%、33.26%、48.91%，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而增大。

（3）當在A、B、C工況下干燥污泥6h時，30kg污泥分別干燥出水10.53kg、9.63kg、8.87kg，單位能耗分別為1.60kW·h/kg、1.49kW·h/kg、1.46kW·h/kg，隨熱泵冷凝器端回水溫度下降而降低。

參考文獻

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