大学生暑期社会实践报告（王家乐）

热泵-太阳能耦合系统在污泥处置中的应用（武汉科技大学城市建设学院，武汉，430065）摘要：污泥是指污水处理厂在污水处理过程中产生的含水率不同的半固态或固态物质。大量污泥没有得到规范化的处理处置，直接给水体、土壤和大气带来“二次污染”，不仅降低了污水处理设施的有效处理能力，而且对生态环境构成严重威胁，同时也造成资源的极大浪费。但现有的污泥处置技术需大量的外来热能，无疑增加了能源的耗费。本次研究采用热泵-太阳能耦合系统对污泥进行处置，热泵技术将污水源和废气源的低位热源转换成高位热源用于污泥干化。同时将菲涅尔菲涅尔透镜和弧形反光镜相结合采集太阳能，用于污泥干化及后续干化污泥的碳化处理，最终实现污泥减量化、废弃物的资源化处置。关键词：热泵太阳能污泥干化节能减排作品内容简介在污水处理厂处理厂现有基础上，将热泵-太阳能技术耦合应用于污水、废气的热能收集并对污水处理厂产生的污泥进行干化处理，干化后污泥再进行污泥碳化，所得到的碳化污泥类似于活性炭，实现了废弃物的资源化处置。污水源热泵将污水厂处理后排放的废水即二沉池后的出水中提取其低温热能，通过污水源热泵机组，将其提升为高温热能用于污泥干化，由此实现污水的二次利用，变废为宝，提高资源的利用率。污水处理厂的每个阶段都会产生大量的废气，废气会散发恶臭，会对工作人员和周围的居民造成不良影响，可将整个污水处理产生的废气收集起来，并利用太阳能将气体加热，再将气体作为热源利用空气源热泵收集其低位热源，将废气合理利用，并且减小了后续除臭装置的负荷，达到预处理的目的。利用菲涅尔透镜和弧形反光镜结合的方式更有效地将太阳光的直射光和散射光都能充分利用，提高能量利用率。一方面借助传统温室干燥技术，结合当代自动化技术的发展，采用太阳能这种清洁能源作为污泥干化的部分能量来源。污泥炭化技术是将污泥在炭化机中进行无氧或微氧的条件下的“干溜”，使污泥中的水分蒸发出来，同时又最大限度地保留了污泥中的碳值过程。污泥中的有机物被炭化，炭化后的污泥性质类似于活性炭，可以广泛用于吸附除臭脱水等用途。而且炭化后的污泥体积小，污泥中无有毒气体等，不会造成二次污染。所以污泥炭化是一种既不会损坏环境又能资源回用的经济型处理技术。污泥炭化技术不仅能有效处理污泥，还能将其制成具有高附加值的活性炭，真正实现了废弃物的资源化处置！整个工艺流程图如图一所示：如图，二级处理后的污水流入污水源热泵，经过一系列处理之后，得到废气、污泥，同时产生热能，进而进行后续流程。废气，通过主装置，主装置装有太阳能电池板及其他部件，可将太阳能转化为热能，部分热能加热给废气然后进入气源热泵得到更多热能。初步脱水后的污泥上部得到的热能与太阳能转化的热能及最初污水源热泵的热能和污泥一同进入污泥干化装置，最后对污泥干化后再进行碳化处理，制成活性炭。图1设计流程图1研制背景及意义截至2014年底，全国设市城市、县（简称城镇）累计建成污水处理厂3717座，污水处理能力1.57亿立方米/日，较2013年新增约800万立方米/天。作为污水处理副产物的污泥量也在急剧增加，据统计，目前我国年产量高达4000万吨（以含水率80%计），其中约80%的污泥未经妥善处理。未经恰当处理的污泥进入环境后会给环境造成二次污染，其中污泥含水率较高会造成运输成本增加，堆放面积大，挤压垃圾填埋场库容等一系列问题。为进一步降低较低污泥含水率，目前污水厂主要采用的污泥干化的方法。污泥干化技术是使用人工热源，其操作温度(对污泥颗粒而言)通常大于100℃，通过渗滤或蒸发等作用，从污泥中去除大部分含水量从而达到深度脱水（其含水率可控制在20%以下）。污泥干化是一个能量净支出的过程，若能利用污水厂自有资源进行产能，将所产能量（热能、电能）利用到污泥干化中，则可大大降低污泥干化过程的耗能，达到节能的目的。污水是一种蕴含丰富低位热能的可再生热能资源，采用热泵将这种低位热能转换成高位热能，并利用这一热能对厂内污泥进行干化，将热能就近利用。不仅是污水的热能可以利用，污水厂所散发废气中的热能也能进行利用。污水厂在运行过程中，各处理单元都会产生产生臭气，废气的处理也越来越受到技术人员的重视，现在较为普遍的做法是加盖，由引风机引至废气处理系统。在废气处理之前将收集的废气经太阳能升温，再通过热泵技术将此热能运用于污泥干化，此技术的运用也能降低后续臭气处理装置的负荷。另一方面太阳能可作为辅助能源为污水厂提供能量，随着科技的发展太阳能这种清洁能源的利用越来越广泛。就目前而言，主要的技术攻关点在于提高太阳能利用，菲涅尔透镜作为一种太阳能聚光镜可大大提高太阳光的聚焦，以此提高太阳能利用率。利用热泵-太阳能技术耦合所产热能进行干化后的污泥含水率大大降低，但若将其直接排放即是对环境的二次污染，也是一种能源和资源的浪费。利用污泥碳化技术可将污泥中的有机物碳化，碳化后的污泥性质类似于活性碳，具有经济价值，真正实现污泥处置减量化、无害化、减量化。2设计方案2.1设计的整体思路及目的将污水厂现有资源中的能源借助一定手段加以收集利用，用于能耗较大的污泥干化中，旨在降低污水厂总能耗，实现污泥减排。研究设计内容主要包括污水源热泵的设计和气源热泵设计计算、菲涅尔太阳能的设计计算，以及污泥碳化技术的选择及设计计算。将目前运用于已实际工程的污水源热泵技术作为设计的主要思考点，引入废气源热泵的思路，结合太阳能进行辅助。将污水厂自产能源就近利用于污泥干化和碳化，以节约能源，减少排放，实现污水厂能耗降低，排污减少的目的。2.2采取的研究方法、技术路线项目采取的研究方法：探索性研究法技术路线：具体为：根据收集到的科研资料小组成员对资料进行讨论分析，并展开头脑风暴，立于实际，寻找寻创新点，并设计合理的基本流程与结构。再分别计算各部尺寸并画出各构件设计草图，将各个计算部分和设计图纸进行整合，形成系统的设计作品。根据整合信息，对设计进行相应调整，使各个部分能协同运转，最终形成完整的设计方案。3各部理论设计计算3.1污泥干化耗能量传统的城市污泥处理方法主要有以下四种：卫生填埋、土地填埋、土地利用、投海。当今，将污泥脱去部分水后再进行焚烧，或烧成砖，或加入其它物质使其最后烧成活性炭的应用较多，故现考虑脱水及焚烧过程中的能耗。1.脱水现简化分析，以处理1t污泥为例，参考文献得，将污泥从含水率65％干燥至含水率45％时，需脱水m=364kg。分电锅炉及燃煤锅炉两种讨论。电锅炉消耗工业用电，取单价为1元/(kw·h)，由文献，单位耗能脱水量为ρ=1.3kg/(kw·h)，则得此时消耗的电能W1=m/ρ=285kw·h,费用为285.0元。燃煤锅炉消耗煤，得此时单位耗能脱水量λ=4.3kg/kg，则得消耗煤m0=m/λ=87.4kg，取标准煤热值，得耗能W2=815.4kw·h，取煤价0.7元/kg，得费用为61.18元。2.焚烧据另一文献，焚烧使用天然气做燃料时，用量μ=360m³/t泥，由上，脱水后，所剩泥量m2=636kg=0.636t，又据天然气热值，得能耗为W3=2129.3kw·h，由上述，取污水设计量为10万t，综合上述得耗能约在2.4×10^8kw·h~3.0×10^8kw·h之间。3.2污水源热泵产能量3.2.1污水源热泵的主要工作原理借助污水源热泵压缩机系统，消耗少量电能，在冬季把存于水中的低位热能“提取”出来，为用户供热，夏季则把室内的热量“提取”出来，释放到水中，从而降低室温，达到制冷的效果。其能量流动是利用热泵机组所消耗能量（电能）吸取的全部热能（即电能+吸收的热能）一起排输至高温热源，而起所消耗能量作用的是使介质压缩至高温高压状态，从而达到吸收低温热源中热能的作用。由于城市原生污水成分复杂且不稳定，而热泵的内部结构也很复杂，不易清洗，故先将污水进行预处理，然后在污水源热泵前面加一个离心污水换热器。它良好地解决了含有较大悬浮物、颗粒或物体的介质造成换热器堵塞的情况，同时避免了耗时耗力的清洗工作，并且使未经处理的城市或工业等废水中低品位的热量充分应用。流程图3所示：图3污水源热泵流程图3.2.2污水源热泵产能量式中：——供暖一次能源利用率——制冷一次能源利用率其中电动制冷时有：式中：——次能源发电效率——电力输送损耗率设单位污水量可用冷热量为，则供暖时可供暖量为：污水热泵系统供暖一次能耗量为：则供暖一次能耗用能系数为：其他系统供暖一次能耗量为：则污水热泵系统单位污水供暖一次能耗节能量为：定义为污水热泵系统供暖节能系数：同样，制冷时可供冷量为：污水热泵系统制冷一次能耗量为：则制冷一次能耗用能系数为：其他系统制冷一次能耗量为：则污水热泵系统单位污水制冷一次能耗节能量为：按，，供暖180d，制冷60d。燃煤+空冷机组：供暖，制冷，全年直燃机组：供暖，制冷，全年污水热泵：供暖，制冷，全年。（均取辅助设备耗能系统为10%。）燃煤+空冷机组：供暖用能系数1.97，供暖节能系数0.64，制冷用能系数0.83，制冷节能系数0.17直燃机组：供暖用能系数1.64，供暖节能系数0.31，制冷用能系数0.74，制冷节能系数0.08污水热泵：供暖用能系数1.33，供暖节能系数0，制冷用能系数0.66，制冷节能系数0若单位污水量以105m3计，利用显热温差为5℃，则可利用冷热量为=2.1109。由上述数据和公式可计算得：供暖时，可节省一次能源（燃煤），相当于71.3吨（22800元）燃煤。可节省一次能源（燃气），相当于40.7吨（48800元）燃气。制冷时，可节省一次能源（燃煤），相当于19吨（6100元）燃煤。可节省一次能源（燃气），相当于10.5吨（12600元）燃气。以1000m3/h计算，当污水温差为5摄氏度时，可提取的热量为5800kw，若通过燃烧标准煤来产热大约需消耗5000kg。按此计算处理10万吨的污水日产能可达580000000kw。3.3太阳能产能计算3.3.1原理及流程整个干燥系统由干燥台，大型菲涅尔透镜，弧形反光板以及控制系统组成。其中干燥台用大型透明玻璃板组成，在玻璃板中间使用一个转轮将整个平台托起来，在玻璃板一端放置一个电动刷，用来清理干化后的污泥。在玻璃板两段用倾斜的长为的支架支撑起一块面积大于干燥台的方形菲涅尔透镜。使得无论在春夏秋冬，太阳高度角不同的情况下，所有照射在菲涅尔透镜上的阳光可以通过菲涅尔透镜的折射作用折射到干燥台表面的一层污泥上。因为折射作用，菲涅尔透镜可以将比干燥台多出的部分的光线折射到干燥台上，无疑增加了干燥台的受光面积，提升了光能，加快了干燥速率。同时，还需在干燥台下方设置一块弧形反光玻璃板。将干燥台的位置置于弧形反光玻璃板反射光的焦点的上方，使得整个干燥台均可以收到反射光的照射。同时，被干燥台遮挡住的部分可以不设反光板，可设置太阳能热泵，吸收在太阳高度角较低时太阳直射到弧形玻璃板的中间造成反光的不均匀使得污泥干化的不均匀。太阳能热泵采用逆卡诺原理，冷媒在压缩机的作用下在系统内不断循环流动，吸收空气的热量并将其转移到干燥台，实现对干燥台温度的提高，配合太阳光照射提供的问题。菲涅尔透镜与透明玻璃板之间即为干燥箱，从干燥箱有刷子的一端注入污泥，在干燥箱另一端使用透明玻璃板阻止污泥的下滑。干燥箱下侧配有热泵供热系统、膨胀阀、制冷剂、风机以及管路；太阳能供热系统由集热真空管、风机、水泵、热换器、中水以及管路等组成；热泵系统与干燥箱之间均有风管连接，风管上设有风量调节阀，热泵系统中设有风量传感器，风量传感器与风量调节阀均与控制器相连接；控制器上还设有对干燥箱的温湿度传感器，可以根据干燥箱内的温湿度来调节各个系统风管上的风量，使得干燥系统处于封闭循环的条件下，不与外界环境相连通。图2太阳能收集装置3.3.2产能量计算太阳能采用真空管吸热，空气作为载热介质与真空管发生热接触，带走真空管吸收的太阳热浪。按照我我国太阳能资源中等地区区域计算，年太阳辐射总量为5850~6680Mj/m²，想到与日辐射量4.5~5.1kW·h/m²,真空管面积按照144m²来计算，每天可产生大约740kwh的热量和接触空气接触。理论上每天可以使0.5亿千克的气体升温20摄氏度。（其中不包括利用菲涅尔透镜提升的温度）但是因为每天污水厂产生的最多为10千克。所以多余热量通过分支导热管导入到污泥干化装置中，使热量消耗减少。و

标准煤燃烧产生的热量为7000大卡/千克转化为焦耳即29260J/kg，740kwh转化为焦耳740×10³×3600J得煤的吨数为：7400×10³×3600/（29260×1000）＝91.0458吨3.4废气源热泵产能量3.4.1工艺简介将污泥干化产生的废气约经太阳能加热到20°C通进入热泵，制冷剂（氟利昂）吸收废气中的热量蒸发，经过压缩机，汽化后的制冷剂温度上升，能量提高，之后经过水箱，把热量传递给水，制冷剂自己冷却之后冷凝，再经过膨胀阀通过小孔膨胀进一步降低温度，再次与空气热交换开始下一个循环。这个循环体系主要是通过制冷器吸收废气中的热量再利用压缩机对制冷剂做工，对其进行加热，再将热量利用于水的加热。通过这样的方式可以达到废气能量再利用的效果。3.4.2产能量计算气源热泵的能效比：COP值=水量Kg×温升△t÷860÷电量KW其中——860是千瓦与千卡的转换系数在气温20°气量为10Kg的条件下假设热水量为4000吨/天方案进水温度15℃，出水温度55℃以上时热泵所产生的热量为3870千卡/kwh。4.5干化污泥碳化4.5.1污泥碳化技术的工艺介绍及过程1.污泥碳化的分类：①高温碳化：碳化时不加压，温度为649-982度，先将污泥干化至含水率约30％，然后进入炭化炉高温碳化造粒。②中温碳化：碳化时不加压，温度为426－537℃，先将污泥干化至含水率约90％，然后进入炭化炉分解。工艺中产生油，反应水（蒸汽冷凝水），沼气（未冷凝的空气）和固体碳化物。③低温碳化：碳化前无需干化，碳化时加压至10MPa左右，碳化温度为315℃，碳化后的污泥成液态，脱水后的含水率达50％以下，经干化造粒后可以作为低级燃料使用。2.污泥碳化设备：①外热式转炉②外热多级螺旋式③内热式转炉3.碳化过程：在碳化过程中，脱水污泥的投加方式有两种，一种是干燥投加法，另一种是直接投加法。对于干燥投加法来说，脱水污泥先在带有搅拌器的回转干燥机中，干燥到40%，形成mm级颗粒，然后加入到炭化炉中，隔绝空气，加温到700℃~800℃，碳化30分钟~60分钟。而对于直接投加法来说，则不需要经过干燥。两者在处理过程中的挥发成分差别不大，但碳化污泥的粒径有所差别。外热式转炉内设有内筒和外筒，经干化的污泥由投加机的螺旋进料器送至炭化炉。在碳化过程中，内筒缓慢的转动，污泥在内筒受热进行热分解。起先温度达到200℃~500℃时约有75%的有机物分解成干化气（水，二氧化碳，一氧化碳），加温到800℃时产生干馏气和碳化物，其中干馏中含有一氧化碳、氰基、氨等。热分解产生的干馏气用鼓风机导致热风炉。热风炉排出的干馏气会在850℃完全燃烧除臭。气体的热量以不自然为宜，所以可用煤油、柴油、LPG等作为辅助燃料。热风炉排出的气体送至转炉外筒，从内筒壁间接加热的污泥排出。这样利用燃烧气加热污泥，可以大大减少能源成本。图4污泥碳化流程图4.5.2实值估测及对比分析假定污水厂日处理10万吨污水q＝10万吨/天＝1157.41L/sQ＝q×K＝1.3×1157.41＝1504.63L/s回流污泥量Q1＝R×Q＝0.8×1.50463＝1.203704m³/s＝4333.3m³/h剩余污泥量Qs＝524.76m³/d＝21.865m³/h总污泥量为Q＝Q1＋Qs＝4333.3+21.865＝4355.165m³/h脱水后污泥量q＝Q×（1－P1）/（1－P2）＝72.576m³/d脱水后干污泥重量为M＝q（1－P2）×1000＝18144kg/d平均每吨污泥能产生140千克碳化污泥，在这140千克污泥中，固定碳占25%－40%，如果全部用作污泥活性炭则每吨污泥最终能产生14