热泵技术在污泥干化中的应用

1 前言
将热泵作为热源进行干燥、干化和脱水等作业，是上世纪八十年代发展起来的新型干燥技术。目前，该技术已应用于各个领域，如在木材、化工产品、食品干燥、蔬菜脱水和污泥粪便干化等方面，都取得了良好的效果。针对污泥和粪便干化问题，热泵干化技术具有运行费用低和对环境无任何污染的两大优势。早在上个世纪八十年代初日本已取得成功的运用。
2　热泵干燥原理
热泵干燥设备由热泵的热力循环系统和热风干燥循环系统组成。热泵循环系统为热风干燥系统提供热源和降低热风湿度。热风干燥系统，通过循环热风与物料直接接触，提供蒸发水份热量，带走物料中的水份。
所谓“热泵”，是耗用一定的机械功，吸取环境或 废弃物中低品位热能，将其提高成为可利用的热能的一种节能装置。正如“水泵”一样，耗用一定机械功，将水从低水位提高到所需的水位。
热泵系统由 压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器组成，如图一所示。系统内运行的工质，在蒸发器中吸取干燥室排出湿热空气中的热量，从低压液态工质蒸发成低压蒸汽，经 压缩机增压成为高温高压的蒸汽；在冷凝器中，高温高压的工质蒸汽放出热量加热进入干燥室的空气，而工质本身则从气体冷凝成高压液体；通过节流装置，液体工质产生阻塞效应，降低了压力和温度，成为低压低温液体，再度进入蒸发器中吸收湿热气体的热量，如此反复循环将低温热量输送到高温介质中去，形成热泵循环。
从热风干燥循环系统来看，其热风流程如图二所示。干燥室排出气体，是含水份较高的湿热气体，其状态如图三h-d图上的点a，其相对湿度在ψ＝70～80%左右，通过热泵的蒸发器时，由于蒸发器表面温度低于空气露点温度，不仅降低了空气的温度并且在蒸发器表面将水汽冷凝下来，以液体水的状态排出系统外。气体离开蒸发器变成低温而湿润，如图三上点b其相对湿度一般在ψ=95-97%。脱湿后的气体在热泵冷凝器中得到等湿加热，提高了气体温度，同时也降低了相对湿度，如图三C点成为干热气体进入干燥室。在干燥室中，干热气体与被干燥物料直接接触，提供物料干化的热量，同时也带走了水份。空气在干燥室内为等焓增湿降温过程，在离开干燥室时又回复到图三的a点。从图三上可见每公斤气体通过一个循环可以脱除水份△d＝da－dc。
从上述热泵干燥原理来看，与一般干燥工艺差别是没有湿热气体排放，通过二个密闭循环系统，物料中的水份最终以液态水排除。采用该原理干化污泥有二大优点：
（1）节约 能源：在热泵干燥中。不排放湿热气体而将其显热和潜热全部进行了 回收，只耗用了一定的机械功。一般衡量热泵热 回收能力常用热泵性能系数来表征，即
　COP=冷凝器提供热量／ 压缩机的功耗＝QC/W0
在污泥设备干燥中COP＝4.0～5.0，既热泵提供的热量是电耗热量的4～5倍。
衡量干燥设备耗能另一重要指标热泵比脱水率WPE
WPE=脱水量/热泵能耗=kg(水)/kw.H(电）
在目前设备中热泵WPE＝5.0～6.0。即每度电可脱水5～6公斤。
（2）不污染环境：由于热泵干化污泥在封闭的环境中进行，在干化过程中产生的一切有臭有害气体可以做到不外泄，对周围环境可以减少到最低的污染，有利在居民点附近进行干化操作。
3　热泵干化污泥装置简介
我所科技人员自八十年代以来，对热泵干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）开发了系列的高温热泵除湿机。该机组的干化温度在50～85℃范围内均可工作，至今已有500～600台（套）设备投入运行，尤其在木材干燥方面取得了优异成效；如上海的优质木制品一半以上，均用我所设备进行干燥处理。出口名牌木制品，几乎悉数采用我所设备进行干燥加工。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》。
而与热泵干燥机组相匹配的干燥室有连续干燥和间歇干燥两种方式。一般物料比较粗大，干燥周期较长或物料不形成批量的多用间歇干燥，即物料是采用间歇载入和卸出的。如木材、农副产品、药材、工艺品多用此方式。

对于污泥干化周期相对短，批量又较大，成型后物料细小而颗粒度又较均一故宜采用连续进料和出料的连续式干燥方式。我所研制的一台污泥干化连续式热泵干燥装置的样机，工作原理如图四所示，其外形参见照片1。热泵干燥机仍沿用我所卓有成效，成熟的机组。干燥室内装有传送速度可调的不锈钢网带的传送带组。为了干化工艺过程全部在封闭环境中进行，在干燥室内配置了两套成型机。