1 前言

將熱泵作為熱源進行干燥、干化和脫水等作業(yè)，是上世紀八十年代發(fā)展起來的新型干燥技術(shù)。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如在木材、化工產(chǎn)品、食品干燥、蔬菜脫水和污泥糞便干化等方面，都取得了良好的效果。針對污泥和糞便干化問題，熱泵干化技術(shù)具有運行費用低和對環(huán)境無任何污染的兩大優(yōu)勢。早在上個世紀八十年代初日本已取得成功的運用。

2　熱泵干燥原理

熱泵干燥設(shè)備由熱泵的熱力循環(huán)系統(tǒng)和熱風干燥循環(huán)系統(tǒng)組成。熱泵循環(huán)系統(tǒng)為熱風干燥系統(tǒng)提供熱源和降低熱風濕度。熱風干燥系統(tǒng)，通過循環(huán)熱風與物料直接接觸，提供蒸發(fā)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(huán)境或廢棄物中低品位熱能，將其提高成為可利用的熱能的一種節(jié)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(tǒng)由壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器組成，如圖一所示。系統(tǒng)內(nèi)運行的工質(zhì)，在蒸發(fā)器中吸取干燥室排出濕熱空氣中的熱量，從低壓液態(tài)工質(zhì)蒸發(fā)成低壓蒸汽，經(jīng)壓縮機增壓成為高溫高壓的蒸汽；在冷凝器中，高溫高壓的工質(zhì)蒸汽放出熱量加熱進入干燥室的空氣，而工質(zhì)本身則從氣體冷凝成高壓液體；通過節(jié)流裝置，液體工質(zhì)產(chǎn)生阻塞效應(yīng)，降低了壓力和溫度，成為低壓低溫液體，再度進入蒸發(fā)器中吸收濕熱氣體的熱量，如此反復(fù)循環(huán)將低溫熱量輸送到高溫介質(zhì)中去，形成熱泵循環(huán)。
從熱風干燥循環(huán)系統(tǒng)來看，其熱風流程如圖二所示。干燥室排出氣體，是含水份較高的濕熱氣體，其狀態(tài)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(fā)器時，由于蒸發(fā)器表面溫度低于空氣露點溫度，不僅降低了空氣的溫度并且在蒸發(fā)器表面將水汽冷凝下來，以液體水的狀態(tài)排出系統(tǒng)外。氣體離開蒸發(fā)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%。脫濕后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點成為干熱氣體進入干燥室。在干燥室中，干熱氣體與被干燥物料直接接觸，提供物料干化的熱量，同時也帶走了水份。空氣在干燥室內(nèi)為等焓增濕降溫過程，在離開干燥室時又回復(fù)到圖三的a點。從圖三上可見每公斤氣體通過一個循環(huán)可以脫除水份△d＝da－dc。

從上述熱泵干燥原理來看，與一般干燥工藝差別是沒有濕熱氣體排放，通過二個密閉循環(huán)系統(tǒng)，物料中的水份最終以液態(tài)水排除。采用該原理干化污泥有二大優(yōu)點：
（1）節(jié)約能源：在熱泵干燥中。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(shù)來表征，即

COP=冷凝器提供熱量／壓縮機的功耗＝QC/W0

在污泥設(shè)備干燥中COP＝4.0～5.0，既熱泵提供的熱量是電耗熱量的4～5倍。
衡量干燥設(shè)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(shè)備中熱泵WPE＝5.0～6.0。即每度電可脫水5～6公斤。
（2）不污染環(huán)境：由于熱泵干化污泥在封閉的環(huán)境中進行，在干化過程中產(chǎn)生的一切有臭有害氣體可以做到不外泄，對周圍環(huán)境可以減少到最低的污染，有利在居民點附近進行干化操作。

3　熱泵干化污泥裝置簡介

我所科技人員自八十年代以來，對熱泵干燥技術(shù)進行了系統(tǒng)的研究與開發(fā)。采用了高溫熱力性能良好的工質(zhì)R142b和獨特的熱風循環(huán)系統(tǒng)（專利號：ZL  97222358.4）開發(fā)了系列的高溫熱泵除濕機。該機組的干化溫度在50～85℃范圍內(nèi)均可工作，至今已有500～600臺（套）設(shè)備投入運行，尤其在木材干燥方面取得了優(yōu)異成效；如上海的優(yōu)質(zhì)木制品一半以上，均用我所設(shè)備進行干燥處理。出口名牌木制品，幾乎悉數(shù)采用我所設(shè)備進行干燥加工。2000年獲得了《國家重點新產(chǎn)品》稱號，自1997年以來我所被評為《上海市高新技術(shù)企業(yè)》。
而與熱泵干燥機組相匹配的干燥室有連續(xù)干燥和間歇干燥兩種方式。一般物料比較粗大，干燥周期較長或物料不形成批量的多用間歇干燥，即物料是采用間歇載入和卸出的。如木材、農(nóng)副產(chǎn)品、藥材、工藝品多用此方式。

對于污泥干化周期相對短，批量又較大，成型后物料細小而顆粒度又較均一故宜采用連續(xù)進料和出料的連續(xù)式干燥方式。我所研制的一臺污泥干化連續(xù)式熱泵干燥裝置的樣機，工作原理如圖四所示，其外形參見照片1。熱泵干燥機仍沿用我所卓有成效，成熟的機組。干燥室內(nèi)裝有傳送速度可調(diào)的不銹鋼網(wǎng)帶的傳送帶組。為了干化工藝過程全部在封閉環(huán)境中進行，在干燥室內(nèi)配置了兩套成型機。

經(jīng)過發(fā)酵后含水量為60～65%的粉狀污泥通過封閉輸送筒，進入干燥室內(nèi)，為了易于干化，防止干化后污泥飛揚，經(jīng)過初步成型，傾在不銹鋼網(wǎng)帶上，傳送帶按設(shè)定速度帶著物料轉(zhuǎn)運，經(jīng)數(shù)層傳送帶來回運送使污泥干化到含水率40%左右再進行第二次成型成顆粒肥料，再經(jīng)數(shù)次傳送帶來回運送干化，最后達到含水率20%成品的顆粒肥料（參見照片2）送出干燥室，再通過封閉傳送機構(gòu)送到包裝車間，盛袋裝出。

從熱泵干燥機組送出的熱風，經(jīng)循環(huán)風機向網(wǎng)帶（傳送帶）垂向送風，穿過數(shù)層盛載污泥不銹鋼網(wǎng)帶時，吸收物料水份返回到熱泵中除濕，這種干燥方式亦稱熱泵穿流干燥。采用這種方式也曾對未經(jīng)發(fā)酵含水率80%的排水污泥，成功地干化到60%含水率。當然在干化過程中成型比較困難，但這也為進一步擴大處理污泥的范圍創(chuàng)造了條件。
輸送帶(不銹鋼網(wǎng)帶分類)：網(wǎng)帶,不銹鋼網(wǎng)帶,金屬網(wǎng)帶,長城網(wǎng)帶,乙型網(wǎng)帶,輸送網(wǎng)帶,人字型網(wǎng)帶,馬蹄網(wǎng)帶,曲軸網(wǎng)帶,鏈條網(wǎng)帶,串桿網(wǎng)帶等

4　熱泵技術(shù)干化污泥的特點

經(jīng)過熱泵干燥裝置的研制試驗與分析，熱泵干燥污泥具有以下優(yōu)點：
（1）能耗費用低
熱泵干化污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(jié)能設(shè)備。按目前上海地區(qū)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干燥的一半左右（詳見經(jīng)濟分析）。
（2）不污染環(huán)境
由于熱泵干化污泥的全過程是在封閉系統(tǒng)中進行，不需向周圍環(huán)境排濕，同時也會排出有害、有臭味的氣體。若將進出料系統(tǒng)全部封閉在管道中，會使整個操作保持清潔環(huán)境。干化后的污泥已成為無臭顆粒肥料。干燥污泥后打開干燥室清理時，也無明顯臭味溢出。這與其他干燥方法相比，是一個獨特的優(yōu)點。
（3）污泥干化質(zhì)量好
熱泵干燥裝置中的干燥介質(zhì)是在封閉的空間循環(huán)；不受外界氣候條件的影響，一年四季均在同一條件下平穩(wěn)運行，所以干燥質(zhì)量穩(wěn)定。污泥是城市排水經(jīng)過絮凝劑沉淀出來的膠狀固體微團，成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，親水力較強。熱泵干化溫度不僅可在50～85℃調(diào)節(jié)，而且可以控制干燥室的濕度，滿足有機污泥干化的理想條件，不會造成污泥微團外壁結(jié)殼，造成難以脫水的現(xiàn)象。試驗證明，干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(huán)是在封閉的空間內(nèi)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，干燥質(zhì)量很穩(wěn)定。
（4）易形成現(xiàn)代化的產(chǎn)業(yè)
目前研制的日處理一噸污泥熱泵干化裝置的樣機，在寬1.5米、高2.3米、長3.5米的封閉空間內(nèi)已含了熱源、干燥室、鼓風設(shè)備和控制等設(shè)備，非常緊湊。若擴大到日處理五噸污泥的設(shè)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噸污泥量，則可以使4臺機組緊密并列運行，總的占地面積很小，當然，在日處理量有波動時還可以調(diào)整運行臺數(shù)。由于熱泵干燥操作為單一的電能，自動化程度高，非常適宜配套在現(xiàn)代化城市應(yīng)用。

5　熱泵干燥能耗的經(jīng)濟性

熱泵是用電力驅(qū)動的裝置，一般誤認為耗電成本高，不易被接受。現(xiàn)分別就采用煤、燃油、煤氣和熱泵作為供熱源的干燥裝置，進行經(jīng)濟性比較，對各種熱源的熱值和價格作如下設(shè)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，價格： 0.8元／M3。
（3）燃油熱值：10800大卡／kg，價格：2.4元／kg。
（4）電熱值：860大卡／kWh，平均電價：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%污泥干化成含水率20％的顆粒肥料為例，提供相等的干化熱量，其能耗成本計算結(jié)果如下表所示：

干燥熱源

能源轉(zhuǎn)換效率

干燥效率

處理一噸污泥成本

煤

ηT＝0.7

η干＝0.9

25元

煤氣

ηT＝0.85

η干＝0.9

89元

燃油

ηT＝0.8

η干＝0.9

93元

熱泵

Cop＝4.0

η干＝0.96

41元

由上表可見，各種熱源的干燥裝置，除煤外，采用熱泵干燥，比燃油、煤氣成本均低。但使用煤的實際成本，比上表所列要高，因為除干燥設(shè)備外，還需要投資龐大的鍋爐房、鍋爐設(shè)備和支付繁雜的管理費用，如增加環(huán)保設(shè)施、管理操作人員、煤的堆場，煤和渣的運輸?shù)取?

6　小結(jié)

將污泥干化成顆粒肥料，采用熱泵除濕干燥裝置與其他供熱方式的干燥裝置比較，其優(yōu)缺點如下表所示：

不同熱源干燥

能耗成本比例

操作簡易性

環(huán)境污染

干燥質(zhì)量控制

熱泵

1

易

無

好

煤

0.61

較復(fù)雜

較重

不易穩(wěn)定

煤氣

2.17

一般

較輕

較好

燃油

2.27

一般

較輕

較好

因此，隨著環(huán)保要求提高，特別是人口密度較高的城市里，采用熱泵來干化污泥具有獨特的優(yōu)勢。