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利用污水源热泵+太阳能集热系统烘干污泥

时间:2019-06-04

1、引言


污泥是污水处理过程中的产物,污泥中有机物含量高、易腐烂,有强烈的臭味,并且含有寄生虫卵、病原微生物和铜、锌、铬、汞等重金属以及盐类、多氯联苯、放射性核素等难降解的有毒有害物质。随着我国社会经济和城市化的发展,污水处理厂不断增加,污泥产量也大幅度增长、污泥需要及时处理使污泥无害化并综合利用。当前污泥处置方式主要有卫生填埋、农用、污泥焚烧、污泥气化、污泥干燥污泥堆肥等方式。污泥干燥和焚烧是最完全、稳定的处理手段、但是污泥焚烧过程中产生氮氧化物、硫氧化物等气体污染物、对环境二次污染且处理难度大。目前污泥干燥技术主要是热干燥技术,即通过外加热源将污泥中的水分蒸发,从而降低污泥中的含水量。传统的污泥干燥方式采用电热、蒸汽等高品质能源加热、是一个高耗能、高投入的过程,且传统工艺处理成本偏高、能源利用效率低,是制约污泥干燥处理的主要问题。可见硏究一种低温的污泥干燥技术降低污泥干燥的能耗就显得尤为必要。


2、污水源热泵系统用于污泥干化的可行性分析


污泥干化是在机械脱水后对污泥进行深度脱水操作、含水率从80%降到10%的过程。污水厂的污泥干化分为自然干化和机械干化。机械干化效率高、但是其运行成本取决于热源。根据热介质与污泥的接触温度分为高温、中温、低温干化。高温干化常用燃油或燃气热凤炉、进凤温度高达700℃、气体流动量大、粉尘浓度高、污泥中的有机物挥发而产生恶臭气体。中温干燥的温度在180-250℃;低温干化温度l00℃以下,通过降低空气湿度来发挥干燥潜能。污水源热泵能够提供50℃左右的干化温度、能够满足污泥低温干化的需求。污泥低温干化既利用了污水源热泵的高效段、又减少了能源消耗、具有良好的环保效应。


(1)城市污水冬季温度一般为10—15℃、为使得系统cop较高、节省运行费用,机组按照中温型机组考虑,出水温度一般为45-50℃之间。


(2)按照间接换热系统设计、污水温度降按照℃考虑、热泵性能系数按照5取值、1*104吨/天的污水供热能力见表格一。污水源热泵的制热系数比传统空气源热泵高出40%左右。若按照最不利工况考虑、冬季污水水温取值10℃。

利用污水源热泵+太阳能集热系统烘干污泥

(3)按照最不利工况、污水温度10℃考虑、系统运行工况为表格二所示。

利用污水源热泵+太阳能集热系统烘干污泥

(4)污水源热泵的应用关键是要克服以下问题:


a、系统阻塞问题:污水中悬浮物、沉淀物较多、且黏性较大、尤其冬季水温较低时、废水中的生物活力差、菌胶团聚胶能力下降、不易沉淀、极易堵塞蒸发器;;b、流动换热问题、污水的对流换热与清水不同污水粘度大、非均质、污垢热阻较清水大得多;C、污水中溶解性化合物对管道、相关设备腐蚀严重。针对以上问题、在系统配置耐压畅通污水换热装置、解决腐蚀、堵塞问题。该换热技术是介于管壳式换热和板式换热之间的一种换热技术,污水换热器内的流道是单流道,污水进入换热器后仅走一个流道,因此可形象而简单地说,该换热器的每一管程只有一根“管子”,这样就增大了流道,解决了堵塞问题。特点如下:


①采用了单流道,流道增大,以不会出现堵塞为限,是根据试验来确定的。事实上,污水进入换热器之前都是经污水泵抽送的,能够经过污水泵的悬浮物就能在换热器能顺畅地通过,一般不再有特大尺寸的杂质,基本上都是纤维状的较小的悬浮物。


②由于换热器的结构特殊,清洗污垢时,污水侧的封板很容易拆卸,比管壳式换热器沉重的封头拆卸容易得多。且由于采用了单流道,流道数量很少,凊洗工作量减少,清洗也更容易。


③由于釆用了单流道,污水与清水采取全逆流结构可有效地提高换热效率。另外,流道增大以后,污水在换热器内所走的流程长度达数百米以上,在换热器长度3-5米的情况下,污水在换热器内来回几十下,形成折流,有效地提高了换热效率。


(5)除采用耐压畅通污水换热装置克服污水系统的堵塞、腐蚀问题外、还可以采用以下方式:采用自动反冲洗原生污水板式换热器换热、采用全自动液体过滤器过滤污水侧杂质。


3、太阳能集热系统用于污泥干化的可行性分析


3.1核心部件太阳能槽式集热器介绍

利用污水源热泵+太阳能集热系统烘干污泥

太阳能集热器采用槽式集热器,该集热器吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质。主要由聚光镜、逐日装置、集热管、机架四部分组成,可全时跟踪太阳,以确保最大的集热效率。在太阳能辐照度为800w/m2,年日照时间3200h的环境下,1m2的集热器面积每年能节电465度,节煤382Kg,节汽211m3,节油167Kg。同时,减少二氧化碳排放1440Kg。


(1)光热转化效率高,占地面积小


①采用先进的玻璃加工专用设备,聚光镜形状精确,反光精度高,所选用太阳能专用银镜性能优越,表面易清洗、清洁度易保持,聚光能力强;


②真空管吸收率≥92%,发射率<9%;光利用效率高;


③先进、灵活的控制系统,追踪精度高。


(2)集热器寿命长、安全性高


①坚实、稳定的机架,精确、专业的设计,精密优质的材料;


②独特的抗风沙、抗雪设计,特殊的抗冰雹处理,及灵活的自动规避控制装置。


3.2太阳能温室效应集热系统原理分析


太阳光的辐射波长为0.2—0.3um、属于短波辐射、它能穿过玻璃、塑料薄膜等透明材料。当太阳光射线被干燥室的吸热板、物料或空气吸收后转换为热能、发出波长为3—30um的远红外线、而玻璃、塑料薄膜等透明材料则基本上不能透过3um以上的辐射线,这些透明材料让光线“只进不出”的性能,使用得干燥室获得干燥物料的热能,产生了“温室效应”,不断的将太阳能“搬运”到干燥箱内加热空气温度、除去污泥中的水分。这就是温室集热系统的原理。


温室内热质传递过程主要如图二图三所示,环境空气从温室东西向墙下部进入、携带污泥里或温室内的水蒸汽、经由屋顶处排出、达到除湿目的。温室内的空气和污泥吸收太阳辐射、在满足污泥中水分蒸发的气化潜热的同时,还提供除湿废气膨胀向上运动的机械动力。为了高效的排出污泥中的水分还需要对污泥进行翻动并对温室内气流组织进行设计。太阳能温室集热效应器内安装的翻抛机带自动移位、自动布料、自动收料装置及含水率在线监测裝置。

利用污水源热泵+太阳能集热系统烘干污泥利用污水源热泵+太阳能集热系统烘干污泥

4、污水源热泵+太阳能集热系统的污泥干化系统技术介绍


4.1污水热能结合太阳能热能实现污泥干化的优点概述


城市污水是一种宝贵的可再生资源,污水热能回收是城市污水资源化的重要组成部分之一。城市污水携带的热量是城市废热之一,占城市废热排放的很大比例,且储量巨大。通过原生污水源热泵回收污水低温热能来产生高温热能,供采暖、空调或生产工艺用、符合节能环保的效果;太阳能是良好的可再生、清洁的能源,开发利用太阳能作为供热系统的热源即太阳能供热系统,具有重要的节能与环保价值。太阳能的利用由光能转化成热能及热能传递、储存、释放四个过程组成,实现连续供热是太阳能供热系统的技术关键,也是当前应用的主要技术障碍。由于太阳能随着时间的变化,照度随之变化,且阴天、兩雪天及夜间太阳能几乎无法利用,当太阳能不足以加热循环系统中的水时,就达不到取热的目的。本文提供一种原生污水源热泵结合太阳能的污泥干燥系统,该系统可以将太阳能集热系统加热干燥运行费用低及污水源热泵运行稳定的优势结合起来。在太阳能辐射较好时、尽可能利用太阳能集热系统进行污泥干化。在阴雨天气、太阳能辐射条件不好时、利用污水源热泵系统进行污泥干化。


4.2污水源热泵+太阳能集热系统污泥干化系统各个部件原理

利用污水源热泵+太阳能集热系统烘干污泥

如图四所述、污水源热泵+太阳能集热系统污泥干燥系统由1、污泥倾倒车;2、储料仓;3、污泥泵送系统;4、污泥铺摊系统;5、太阳能温室效应集热系统;6、太阳能集热补热系统;7、污水源热泵系统;8、末端空调水系统;9、干料收集系统;10、除臭系统;11、PLC控制系统组成、各个组成部件原理介绍如下。


(1)污泥输送系统:含水80%左右的泥饼由卡车卸入料仓,经螺旋进料机喂入液压推送机,推送机将污泥由管道输送,整个过程无异味,做到不污染环境的同时可实现长距离、大扬程输送。管道可根据建筑结构灵活设置,输送量精确,配备通讯接口实现远程控制。还可选用皮带、斗提等传统输送方式


(2)污水源热泵联合太阳能供热系统:从厂区内的污水中提取低品位热量,通过专用污水源热泵系统将热量传递至污泥摊铺场地,用于污泥干燥,另外联合太阳能集热器用于热量补充,并将热量存储于集热水箱中用于夜间加热、该系统由污水源热泵系统太阳能集热系统、集热水箱、恒温水箱和PLC控制等组成,集热水箱与自来水补水管相通,自来水补水管上设有水源电磁阀,集热水箱内设有水位传感器;PCL根据所述水位传感器输出的水位信号控制水源电磁阀的开闭,以自动给集热水箱补水,实现定时、定量上水,集热水箱内的水量可根据实际情况得到控制。通过安全排气阀来释放蒸汽,并通过供热控制阀控制集热器阵列供热的面积,确保了系统运行的稳定性和安全性。


(3)温室系统:由温室主体、内保温部分、通风部分,除臭部分、供暖部分、气象站等组成。温室主体为阳面中空玻璃。选用保温幕布,减少辐射热的流失。通风采用风机,可根据室内外温湿度、光照度实现自动开关。温室内设置温度传感器、湿度传感器、风速传感器、光照传感器,性能可靠。配备通讯接口实现远程控制。



(4)污泥翻泥布料系统:全自动翻泥机为变频电机,可自动调节翻泥速度,使污泥得到均匀翻动,实现表面翻新和蒸发水分。过程中也起到对污泥供氧的作用,避免污泥局部厌氧菌繁殖而释放恶臭气体。系统安装了H2S和NH3探测器,可实现实时监控。


5、污水源热泵+太阳能集热系统的污泥干化系统运行注意事项


(1)在既有建筑上增设太阳能集热系统、必须经过建筑结构安全复核、并应满足建筑结构及其他相应的安全性要求。


(2)为保证太阳能集热系统的投资效益、缩短回收期、应合理选择确定太阳能集热系统的太阳能保证率、按照所在气候区、太阳能资源条件、建筑物使用功能、全年运行工况等因素综合确定太阳能保证率的取值。


(3)太阳能集热器宜朝向正南、或南偏东、偏西30℃的朝向范围内设置、安装倾角可选择在当地纬度±10°的范围内;受实际条件限制时、可以超出范围、但应进行面积补偿、合理增加集热器面积、并进行经济效益分析。受条件限制不能按照推荐方位和倾角设置太阳能集热器时、应增加集热器面积进行补偿、满足规范要求。


(4)城市污水冬季温度一般为10—15℃、为使得系统cop较高、节省运行费用、污水源热泵系统按照中温型机组考虑、机组出水温度一般为45-50℃之间设置、结合地板辐射散热管道、保证实现污泥干化目的。降低系统运行费用、提高系统能效。


(5)污水源热泵+太阳能集热系统的污泥干燥系统按照控制目的和控制功能、分为运行控制和安全防护控制。运行控制包括太阳能集热系统运行的自动控制、太阳能集热系统和污水源热泵工作启停的自动控制。安全防护控制包括防冻保护控制和防过热保护控制。控制方式要求尽量简单、可靠、方便用户操作。显示参数包括毎日系统的太阳能得热量、污水源热泵系统供热量、供水温度等、便于用户直观了解该系统实际运行所节约能源量。


(6)为了保证污水源热泵+太阳能集热系统的污泥干燥系统的使用功能与安全、应相应设置电磁阀、泄水阀、安全阀、自动排气阀、止回阀等阀门控制元件、阀门性能应符合相关产品标准的要求、并预留检修空间。


6、结论


污水源热泵+太阳能集热系统的污泥干化系统与采用蒸汽、电锅炉的传统污泥干燥系统相比,实际运行节能环保。该系统不仅可以利用污水中的低位热能提供热量、还可以充分利用太阳能,供热系统不产生二氧化碳等温室气体;该系统采用中温型热泵结合地板辐射供暖管运行、干燥温度在50℃以下、污泥干燥系统不会产生异味、运行过程中不会对外排出有异味的气体和物料、符合环保要求。对污水源热泵十太阳能集热系统的污泥干化系统有较大影响、目前需要深入硏究的是:温室保温材料的性能、一年中太阳能的辐射照度、实际太阳能光热转化率、温室透光材料、污水温度、太阳能温室内实际气流组织等因素。但污水源热泵+太阳能集热系统的污泥干化系统是一种可持续发展的节能新技术;是解决能源短缺这个问题的有效途径。