裴鋒初，張立奎

(深圳市天得一環(huán)境科技有限公司，廣東 深圳 518000)

熱泵-循環(huán)風(fēng)工藝干化污泥是將待干化污泥與熱泵機組相互聯(lián)系起來，循環(huán)風(fēng)成為其中間媒介，進(jìn)行熱量和水汽的傳遞。系統(tǒng)運行時，循環(huán)風(fēng)先在熱泵機組冷凝器中被加熱，再進(jìn)入污泥干化機加熱污泥，使之升溫脫濕。之后再進(jìn)熱泵機組蒸發(fā)器換熱，循環(huán)風(fēng)在污泥干化機中所得的水汽在這里被冷卻、冷凝除去。在這些過程中，熱泵機組中的循環(huán)工質(zhì)，交替地進(jìn)行冷凝、蒸發(fā)相變化，其相變潛熱-冷凝潛熱、汽化潛熱，經(jīng)換熱器傳遞給循環(huán)風(fēng)，反復(fù)利用，周而復(fù)始，所以該工藝在能量利用上充分、完全，因此，節(jié)能是其最大優(yōu)點。然而生產(chǎn)裝備廠家過于虛夸:寫出1 kWh可從污泥中汽化4.2 kg水，還提出零排放密閉式干化模式，值得商榷。

本文將從傳熱、傳質(zhì)(汽化)過程出發(fā)，對該工藝過程進(jìn)行了詳細(xì)計算和剖析，為廣大環(huán)保工程技術(shù)人員了解和掌握這一工藝過程的計算、正確算出系統(tǒng)的能耗提供參考。

1 熱泵-循環(huán)風(fēng)工藝流程

工藝流程圖1由2大部分組成：一是熱泵機組中的循環(huán)工質(zhì)的冷、熱循環(huán)；另一是循環(huán)風(fēng)的在熱泵機組和污泥干化機中進(jìn)行的增濕-脫濕循環(huán)。圖1的左側(cè)主要為熱泵機組中循環(huán)工質(zhì)蒸汽被壓縮機壓縮，經(jīng)冷卻、冷凝變?yōu)橐合?，放出相變潛熱加熱循環(huán)風(fēng)過程。受熱的循環(huán)風(fēng)再去圖1的右側(cè)直接接觸加熱污泥。圖1中左側(cè)繪制的熱泵工質(zhì)循環(huán)，為最常見的回?zé)嵫h(huán)。變?yōu)橐合嘌h(huán)工質(zhì)，入膨脹閥節(jié)流減壓進(jìn)入蒸發(fā)器，因壓力降低氣化為氣相蒸汽，進(jìn)入左側(cè)回?zé)崞鳎c熱泵循環(huán)工質(zhì)凝液換熱，使之溫度降低。循環(huán)風(fēng)進(jìn)熱泵蒸發(fā)器經(jīng)冷卻、冷凝，濕度增加至飽和，所含的水蒸氣冷凝成水排出。除濕后的循環(huán)風(fēng)先進(jìn)右側(cè)顯熱換熱器與出污泥干化機的回風(fēng)換熱再進(jìn)熱泵冷凝器。這樣，既降低了循環(huán)風(fēng)進(jìn)熱泵蒸發(fā)器入口溫度，將所含的水汽更有效地冷卻、冷凝脫濕，又提高了循環(huán)風(fēng)進(jìn)熱泵冷凝器入口溫度，以提升其進(jìn)污泥干化機的溫度。如此循環(huán)，于是熱泵機組循環(huán)工質(zhì)的冷凝、汽化相變潛熱被循環(huán)風(fēng)充分、反復(fù)的利用，從而實現(xiàn)了最大程度節(jié)能目的。

為防止循環(huán)風(fēng)在干化機內(nèi)或流出管中流動時因溫度降低出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，循環(huán)風(fēng)出污泥干化機必須保持高于其露點的溫度，為除去這部分熱量，圖1右側(cè)設(shè)置了顯熱換熱器，使之溫度降低再進(jìn)熱泵蒸發(fā)器。圖1左側(cè)表冷器是靠涼水塔循環(huán)水冷卻，調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)出冷凝器加熱溫度，除去熱泵裝置壓縮蒸汽冷凝時放出的、加熱循環(huán)風(fēng)后剩余的熱量。

熱泵-循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)能耗主要為熱泵機組壓縮機功耗和循環(huán)風(fēng)風(fēng)機的功耗；其次還有污泥切割機、污泥干化機傳送帶的功耗及表冷器循環(huán)冷卻水的水泵和涼水塔上方的軸流風(fēng)機能耗等，后面這些是次要的。

2 污泥干化系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計算

循環(huán)風(fēng)在污泥干化機中干化過程既有熱量交換，又有質(zhì)量交換：循環(huán)風(fēng)將顯熱量傳給污泥，污泥受熱后將所含水分汽化，攜帶著潛熱返回到循環(huán)風(fēng)中，因此是個熱和質(zhì)的同時傳遞過程。為了計算方便，工程上是以絕干空氣和絕干物料(以下稱干空氣和干物料)為基準(zhǔn)進(jìn)行的，因為干空氣、干物料在干化過程中質(zhì)量流量始終不變。

進(jìn)出熱泵冷凝器、污泥干化機循環(huán)風(fēng)的空氣狀態(tài)參數(shù)，如圖2所示。

2.1 循環(huán)風(fēng)空氣工況點相關(guān)參數(shù)計算

循環(huán)風(fēng)空氣為濕空氣，在污泥干化傳熱計算中，涉及到一些濕空氣性質(zhì)參數(shù)，為此必須先了解其相關(guān)的性質(zhì)參數(shù)，為簡便起見，以下稱濕空氣為空氣，稱循環(huán)風(fēng)濕空氣為循環(huán)風(fēng)。圖2中0、1、2各點，為循環(huán)風(fēng)進(jìn)、出熱泵冷凝器、污泥干化機各工況點。

1) 濕含量(或稱濕度)。

為每kg質(zhì)量干空氣中所含的水蒸氣的質(zhì)量，用H表示，kg·kg-1。H0、H1、H2分別為工況點0、1、2循環(huán)風(fēng)濕含量，可從式(1)計算[1-2]：

(1)

式中：ps為t℃飽和水蒸氣壓，kPa，由飽和蒸氣壓表查出；φ為相對濕度，為空氣中水蒸氣分壓與同溫度飽和蒸氣壓之比，無量綱，其值越小，循環(huán)風(fēng)吸濕能力越強。

2) 焓。

循環(huán)風(fēng)的焓為1 kg干空氣的焓與其中所帶的水蒸氣的焓之和，用I表之，kJ·kg-1。

I=(1.01+1.88H)t+2 500H

(2)

圖2中對應(yīng)0、1、2各工況點的循環(huán)風(fēng)焓分別為I0、I1、I2，均可由式(2)算出。

3) 比容。

計算循環(huán)風(fēng)體積流量，必須先算出1 kg干空氣為基準(zhǔn)的循環(huán)風(fēng)比容vH，m3·kg-1，vH按式(3)計算[1-3]：

(3)

式中：p為循環(huán)風(fēng)總壓，kPa；H為循環(huán)風(fēng)濕含量，kg·kg-1；t為溫度，℃。

循環(huán)風(fēng)進(jìn)污泥干化機體積流量用VH表示，m3·h-1，按式(4)計算。

VH=LvH

(4)

式中：L為循環(huán)風(fēng)中干空氣質(zhì)量流量，kg·h-1，由該體積流量，再估算循環(huán)風(fēng)運行時系統(tǒng)的風(fēng)阻，可選定出循環(huán)風(fēng)機型號，得出功率。

2.2 污泥在干化機中汽化水量計算

濕污泥(以下簡稱污泥)干化過程汽化水量算式[1-3]：

W=Gd(X1-X2)

(5)

式中：W為污泥汽化的水量，kg·h-1；X為污泥干基含水量，kg·kg-1；下標(biāo)“1、2”為污泥進(jìn)、出干化機工況；Gd為進(jìn)污泥干化機污泥中干污泥量，kg·h-1。

令Gw為進(jìn)污泥干化機中污泥流量，kg·h-1;x為污泥濕基含水量，kg·kg-1。式(5)可寫為:

(6)

2.3 循環(huán)風(fēng)中干空氣質(zhì)量流量計算

循環(huán)風(fēng)中干空氣質(zhì)量流量，可由對進(jìn)、出干化機的循環(huán)風(fēng)中的水汽作物料衡算得出[1-3]：

從污泥中汽化1 kg水分所需的干空氣氣量稱比干空氣流量，以l表之，kg·kg-1：

3 循環(huán)風(fēng)在污泥干化機中傳熱過程

3.1 循環(huán)風(fēng)在干化機中熱衡算

進(jìn)出干化機污泥物料衡算得：

Gw1=Gw2+W

式中：Gw1、Gw2為進(jìn)、出污泥干化機的污泥，kg·h-1；W為干化機汽化的污泥水量，kg·h-1。

以0 ℃為基準(zhǔn)溫度，以汽化1 kg水所需熱量為基準(zhǔn)進(jìn)行污泥干化機熱衡算[1-3](如圖2)：令tM1、tM2為對應(yīng)狀況污泥的溫度，℃；cM為干化前后污泥在平均溫度比熱容，kJ·kg-1·℃-1;cW為水的平均比熱容，kJ·kg-1·℃-1。

循環(huán)風(fēng)傳給污泥的熱量l(I1-I2)。

進(jìn)干化機水帶入熱量cWtM1，kJ·kg-1;損失熱量qL，kJ·kg-1。

由污泥干化機熱量衡算[1-3]：

l(I1-I2)+cWtM1=qM+qL

(7)

等式左側(cè)為帶入干化機熱量，右側(cè)為帶出干化機熱量，單位均kJ·kg-1。式中：cWtM1可看成向干化機補充的熱量。qM+qL均為干化機內(nèi)損失的熱量。式(7)又可寫成：

l(I1-I2)=qM+qL-cWtM1或l(I2-I1)=
cWtM1-(qM+qL)

(8)

當(dāng)qM+qL=cWtM1，式(8)中I1=I2，即循環(huán)熱風(fēng)在污泥干化機中經(jīng)歷一個等焓過程。

這一過程接近絕熱飽和過程。因為絕熱飽和過程中，雖然空氣傳遞給水(或污泥)的顯熱等于水(污泥)汽化返回的潛熱，但由于水在汽化時也將自身的顯熱帶回到空氣中了，使空氣焓略有增加[4]，即

Ias-I1=(Has-H1)cWtas

式中：Ias為絕熱飽和過程終點空氣的焓，kJ·kg-1;tas為絕熱飽和溫度，℃，因為Has、H1都很小，故看作(Has-H1)≈0，Ias≈I1。

3.2 循環(huán)風(fēng)在熱泵機組冷凝器中獲取熱量

按式(9)[1-3]計算：比熱量qwh=l(I1-I0)，總熱量Qwh=L(I1-I0)

或

Qwh=L[(1.01+1.88H)t1-2 500H1-
(1.01+1.88H0)t0-2 500H0]

(9)

由于循環(huán)風(fēng)是在間壁換熱器中被加熱，故濕含量不變，H1=H0=H，式(9)又寫成

Qwh=L(1.01+1.88H)(t1-t0)

式中：1.01+1.88H，為以1 kg干空氣為基準(zhǔn)的循環(huán)風(fēng)比熱容，稱濕比熱容，以cH表之，kJ·kg-1·℃-1。

3.3 循環(huán)風(fēng)在熱泵機組蒸發(fā)器中獲取的冷量

循環(huán)風(fēng)接受冷量(即放出熱量)按式(10)計算[1-3]：

比冷量qwc=l(I2-I0)，總冷量Qwc=L(I2-I0)

或

Qwc=L[(1.01+1.88H2)t2+2 500H2-
(1.01+1.88H0)t0-2 500H0]

(10)

4 污泥干化噸水汽化能耗估算

4.1 熱泵機組工質(zhì)與循環(huán)風(fēng)間的換熱

熱泵機組工質(zhì)與循環(huán)風(fēng)間換熱存在著傳熱溫差：對熱泵冷凝器、熱泵機組工質(zhì)在冷凝器放熱的冷凝溫度高于循環(huán)風(fēng)的溫度5～10 ℃；在熱泵蒸發(fā)器中，熱泵機組工質(zhì)沸騰蒸發(fā)溫度，又低于循環(huán)風(fēng)的冷卻、冷凝溫度8～12 ℃。由于熱泵工質(zhì)實際循環(huán)中4個基本熱力過程:壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)，都是不可逆過程，比較復(fù)雜，很難進(jìn)行精準(zhǔn)的熱力分析和計算，工程上都是按其蒸發(fā)溫度和冷凝溫度與傳熱介質(zhì)——循環(huán)風(fēng)有一定溫差的理論循環(huán)1—2—3—4—5—6—7—1(圖3)，并考慮壓縮機的輸氣系數(shù)和絕熱指示效率進(jìn)行實際循環(huán)熱力分析和計算。在計算中把循環(huán)風(fēng)獲取的冷量視作實際制冷量[5-7]：

即

Qwc=Qc，故Qwc=Qc=G(i1-i6)

(11)

式中：G為熱泵機組循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg·h-1；Qc=Qwc，為熱泵機組制冷量，kW；i1、i6分別為熱泵機組循環(huán)工質(zhì)如圖3中1、6工況點比焓，kJ·kg-1。

Qh0=G(i2-i5)

(12)

式中：Qh0為熱泵機組循環(huán)工質(zhì)在冷凝器理論放熱量，kJ·h-1;i2、i5分別為熱泵循環(huán)工質(zhì)(圖3)2、5工況點比焓，kJ·kg-1。

設(shè)熱泵壓縮機絕熱指示效率為ηi，則壓縮機實際排氣焓可表示為：

(13)

式中：i2′為實際壓縮點循環(huán)工質(zhì)比焓，kJ·kg-1;i1、i2分別為熱泵循環(huán)工質(zhì)(圖3)1、2工況點比焓，kJ·kg-1。

Qhp=G(i2′-i5)

(14)

式中：Qhp為熱泵循環(huán)工質(zhì)在冷凝器實際放熱量，kJ·h-1；Qhp熱量大部分通過冷凝器供給循環(huán)風(fēng)，還有一部分經(jīng)表冷器由涼水塔循環(huán)水帶走(如圖1)，故

Qhp=Qwh+WcW(tw2-tw1)=Qwh+Qf

(15)

式中：W為涼水塔循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量，kg·h-1;tW1、tW2分別為進(jìn)、出表冷器循環(huán)水溫，℃;cW為冷卻水比熱容，kJ·kg·℃;Qf為表冷器換熱量，kW。

令Ne為壓縮機軸功率，kW；

(16)

式中：ηm為熱泵機組壓縮機機械效率。

Qh=Qc+Ne

式中：Qh為熱泵機組的實際制熱量(含壓縮機機軸摩擦產(chǎn)生的熱)，kJ·h-1。

4.2 熱泵機組制熱系數(shù)

令qh熱泵機組1 kg工質(zhì)實際制熱量[5]，kJ·kg-1。

(17)

式中：qc為熱泵機組1 kg工質(zhì)制冷量，kJ·kg-1;we為kg熱泵工質(zhì)實際壓縮功(軸功)，kJ·kg-1;i及其下標(biāo)數(shù)字為圖3中循環(huán)工質(zhì)的各工況點比焓，kJ·kg-1。

熱泵機組實際制熱系數(shù)[5]

(18)

當(dāng)已知制熱系數(shù)εh和Qh或Qc可利用式(18)核算壓縮機軸功率Ne。

將式(11)和式(16)代入式(18)得

(19)

4.3 熱泵機組制冷系數(shù)

熱泵機組實際制冷系數(shù)[6-7]

(20)

當(dāng)已知εc后，也可通過εc由上式核算壓縮機軸功率。

比較制熱和制冷系數(shù)，則可得出

4.4 熱泵壓縮機輸氣質(zhì)量流量核算壓縮機軸功率

壓縮機輸氣質(zhì)量流量[6-7]，即熱泵機組循環(huán)工質(zhì)：

(21)

由G可算軸功率[5-7]

(22)

由G還可算出熱泵壓縮機循環(huán)工質(zhì)實際體積流量Ve，m3·h-1。

Ve=Gv1

(23)

式中：v1為壓縮機輸氣比容，m3·kg-1。

5 污泥干化能耗估算舉例

例某熱泵-循環(huán)風(fēng)污泥干化系統(tǒng)(見圖1、圖2)，熱泵機組采用R-22為循環(huán)工質(zhì)，其循環(huán)過程及工況點如圖3所示。經(jīng)實測得熱泵機組循環(huán)工質(zhì)各主要工況點參數(shù)如表1；運行過程中循環(huán)風(fēng)工況點如圖2所示。

表1 熱泵機組工質(zhì)R-22相關(guān)工況點參數(shù)Tab.1 Parameters of relevant operating points about working medium R-22 of heat pump unit

表2 循環(huán)風(fēng)運行中相關(guān)工況點參數(shù)Tab.2 Parameters of relevant operating points in circulating wind operation

已知污泥干化機運行狀況如表3所示。

表3 污泥干化相關(guān)參數(shù)Tab.3 Relevant parameters of during sludge drying

計算每天(24 h)處理濕污泥量、能耗及表冷器除去的熱量。熱泵機組壓縮機指示效率ηi=0.8，機械效率ηm=0.9。

解：1) 干化機處理的污泥量。

將表3數(shù)據(jù)代入式(6)，得污泥處理量Gw=300 kg·h-1=7 200 kg·d-1

2) 循環(huán)風(fēng)濕含量和焓值計算。查水蒸氣表得對應(yīng)溫度飽和蒸氣壓見表4。

表4 對應(yīng)溫度的飽和蒸氣壓Tab.4 Saturated water vapor pressure at corresponding temperature

從表2、表4查出0、1、2各工況點溫度下的飽和蒸氣壓及相對濕度，先按式(1)算出濕含量H0、H1、H2，再由濕含量及相應(yīng)的溫度按式(2)算出I0、I1、I2焓值，見表5。

由于是通過間壁式換熱器(即熱泵機組循環(huán)工質(zhì)冷凝器)加熱循環(huán)風(fēng)，故H0=H1。比較I1和I2可以看出，I2略大于I1，兩者近似相等，即循環(huán)風(fēng)在污泥干化機中經(jīng)歷近似絕熱飽和過程。

表5 進(jìn)出污泥干化機循環(huán)風(fēng)的濕含量和焓Tab.5 Humidity and specific enthalpy of circulating wind in and out of sludge dryer

3) 循環(huán)風(fēng)量計算。

按式(7)用表5數(shù)據(jù)算循環(huán)風(fēng)干空氣質(zhì)量流量L=30 303 kg·h-1。

選定循環(huán)風(fēng)機時需知空氣體積流量，為此需式(3)計算循環(huán)風(fēng)進(jìn)、出干化機的比容。

將63 ℃，0.084 74 kg·kg-1代入式(3)得vH=1.081 m3·kg-1

故循環(huán)風(fēng)體積流量由式(4)得VH=30 303×1.081=32 757.5 m3·h-1

用此體積再估算循環(huán)風(fēng)運行系統(tǒng)時的阻力，計入風(fēng)機實際運行時氣流密度與《風(fēng)機樣本》空氣密度1.2 kg·m-3比較，算得風(fēng)壓，再將所得風(fēng)壓和工藝上確定的風(fēng)量均乘約1.1余量系數(shù)，由風(fēng)機樣本[7]便可選定出循環(huán)風(fēng)機(從略)。

風(fēng)機型號T4-72No.10C，轉(zhuǎn)數(shù)1 040 r·min-1，皮帶傳動，所需功率15.11 kW，配18.5 kW電機，風(fēng)量33 101～36 950 m3·h-1，風(fēng)壓1 412～1 250 Pa，該風(fēng)機葉輪葉片為后傾單板葉片，10片。

4) 循環(huán)風(fēng)在熱泵機組冷凝器獲取的熱量和冷量。

按式(9)、式(10)代入表5數(shù)據(jù)算出循環(huán)風(fēng)獲取的熱量和冷量。

熱量Qwh=704 880 kJ·h-1=195.8 kW；冷量

Qwc=732 423.5 kJ·h-1=203.45 kW

Qwh略小于Qwc，是由于未計入污泥干化過程損失的熱量，導(dǎo)致I2>I1。

5) 熱泵機組制熱系數(shù)和制冷系數(shù)。

系統(tǒng)能耗：如果污泥干化系統(tǒng)僅僅考慮循環(huán)風(fēng)機的能耗15.11 kW，其他均忽略。

這一數(shù)值，未計入污泥干化機傳送帶、污泥切割機及表冷熱器涼水塔循環(huán)水泵和軸流風(fēng)扇運行等能耗，也未計入熱損失，因此實際汽化水量還要小于2.66 kg·kWh-1。

6) 從壓縮機質(zhì)量流量可算出軸功率及表冷器帶出的熱量。由式(11)、式(21)及表1數(shù)據(jù)得G=1.34 kg·s-1，再代入式(22)，得Ne=60.1 kW。

表冷器涼水塔的循環(huán)水帶走的熱量。由式(13)和表1數(shù)據(jù)得壓縮機出口實際排氣焓i2′=462.49 kJ·kg-1。

熱泵工質(zhì)在冷凝器實際放熱量由式(14)可得Qhp=257.5 kW。

表冷器帶走的熱量由式(15)得Qf=61.7 kW。

6 結(jié)語

1) 與用其他熱源的污泥干化裝置相比，如熱空氣、煙道氣等，熱泵-循環(huán)風(fēng)污泥干化工藝要節(jié)能得多，值得推廣，但商業(yè)宣傳過于夸大。正如上述所算，1 kWh脫水量沒有4.2 kg水。若計入污泥干化機各種能耗，脫水量比2.66 kg·kWh-1還要小。

2) 熱泵-循環(huán)風(fēng)污泥干化最高溫度約70 ℃，屬于低溫脫水，對于含微生物較多的市、鎮(zhèn)污水廠生活污泥，相當(dāng)量的結(jié)合水含在微生物細(xì)胞壁中。結(jié)合水的蒸氣壓遠(yuǎn)較同溫度下非結(jié)合水的飽和蒸氣壓低[1]，因干化溫度較低，短時間難以破壞污泥中微生物細(xì)胞壁，因此低溫干化脫水，需要稍長的時間或需加入一定量電解質(zhì)(如氯化鈣)破壞其細(xì)胞壁；對于工業(yè)區(qū)污泥，由于污泥中微生物量少，污泥中的水分幾乎全是非結(jié)合水，其蒸氣壓與普通游離水一樣，較容易脫除，因此，該污泥干化工藝更適合于干化工業(yè)區(qū)污泥。

3) 在熱泵-循環(huán)風(fēng)工藝污泥干化宣傳中提出的循環(huán)風(fēng)“零排放”問題值得商榷：對于城市污水廠生活污泥，含有一定量微生物，在干化過程中會有H2S、NH3產(chǎn)生及大分子VOCs中受熱分解釋放出的小分子VOCs，如甲硫醇、甲硫醚等，雖然量少，但長期閉路循環(huán)會積少成多。加之，在循環(huán)風(fēng)機出風(fēng)口為正壓運行，特別是管道、閥門法蘭連接墊片不緊密處，會有惡臭廢氣逸出。為此，循環(huán)風(fēng)需定期更換，排出的廢氣需治理達(dá)標(biāo)。即使對于工業(yè)區(qū)污水廠污泥，雖微生物較少，沒有什么臭氣，但較低沸點VOCs蒸汽，也常有一定的氣味，會從接管法蘭縫隙中逸出，且長期閉路循環(huán)，會增至飽和，不利于污泥中這些低沸點VOCs干化去除，為此循環(huán)風(fēng)也需定期更換，達(dá)標(biāo)后排放。誠然污泥干化溫度低，對包括具有明顯毒性VOCs如酚類，則揮發(fā)量、分解量都會相對較少，有利于廢氣凈化。