CN101239773A

CN101239773A - 一种热泵和污泥干化集成方法及系统

Info

Publication number: CN101239773A
Application number: CNA2008101019160A
Authority: CN
Inventors: 吴静; 史琳; 施汉昌; 韩丽; 昝成; 田磊; 周红明
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: CN101239773B

Abstract

一种热泵和污泥干化集成方法及系统，属于污水处理厂节能降耗技术领域。本发明是利用水源热泵回收城市污水处理厂出水的热能，同时用除湿热泵吸收污泥烘干过程中湿热空气的显热和气化潜热，共同作为污泥干化预热的热源；采用干料返混系统，将机械脱水后的污泥与部分从烘干机出来的污泥一起送入造粒机，经混合制成含水率为60～65％的污泥，然后进入烘干机；采用脱水污泥两段式烘干技术，连续进料和出料的连续式干燥方式，最终污泥含水率达20～25％，可用作优质肥料和固体燃料。该方法及系统可以实现污水厂内部水、热、能的综合利用，污水厂整体能耗降低20％以上。

Description

一种热泵和污泥干化集成方法及系统

技术领域

本发明属于污水处理厂节能降耗技术领域，涉及一种污水厂出水余热回收利用与污泥干化组合的水热能综合利用方法。该方法是利用热泵回收城市污水处理厂出水的热能，作为污泥干化的热源。

背景技术

随着城市化进程的加快和环境保护要求的逐步提高，城市污水处理厂数量日趋增加。目前，世界上超过90％的城市污水处理都采用活性污泥法，由于剩余污泥产生量一般是污水处理量的0.3％～0.5％(以含水率97％计)，污泥含水率高，有机质含量高，性质不稳定，易腐化发臭，且含有病原菌、寄生虫卵、重金属等有毒有害物质，使得污泥的减量化和资源化成为污水处理中的重要问题。污泥处理投资占污水处理厂总投资的20％～50％。城市污泥处理处置运行费用居高不下已成为限制其发展的一个重要因素，大力发展廉价低耗的污泥处理处置技术已成当务之急。

通常情况下，机械脱水技术只能将污泥的含水率降至80％左右，如此高的含水率不利于污泥的后续运输和处置，因此，要使污泥得到有效处理和资源化利用，污泥干化环节是不可缺少的。污泥干化是污泥减量化的关键措施，可以使污泥显著减容，性状大大改善，产品无臭、无病原体且具有多种用途，如作肥料、土壤改良剂、替代能源等。目前，污泥干化包括直接干化和间接干化。直接干化通常采用热空气或废烟气，不仅热效率低(30％左右)，而且产生大量尾气，尾气中臭气浓度高，必须进行脱臭处理。而间接干化易产生污泥胶结粘壁现象。污泥干化要消耗大量的热能，导致污泥处理的成本高昂。

城市生活污水中赋存着大量低位热能，例如将10万m³污水处理厂二级出水降低3℃，可获得约2.8亿kcal的热量。同时污水水量稳定，与环境温度相比，表现为冬暖夏凉，水温变化幅度小，是稳定的热源。新型热泵工质能够稳定产生80℃左右的热水，并且能够保证相当高的性能系数。

污泥干化技术与热泵技术的发展，为实现污水处理厂基于能量优化配置的污泥减量化提供了技术可能，同时可以挖掘出污水处理厂的节能潜力。

发明内容

本发明的目的是针对城市污水处理厂的污泥减量和节能降耗问题，提供一种热泵和污泥干化集成方法及系统，即利用热泵技术将污水厂出水余热回收，用于污泥干化的水热能综合利用，并构建一套以热泵机组和污泥干化设备为主体的基于能量优化配置的污泥干化系统，实现系统能量平衡，达到干化污泥、降低成本、回收利用能源的目的。

本发明的技术方案如下：

一种热泵和污泥干化集成方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将污水经深度处理得到的二级出水送入水源热泵，利用水源热泵回收二级出水的热能，作为污泥干化的热源；

2)利用除湿热泵吸收污泥烘干过程中湿热空气的显热和气化潜热再重复用于污泥干化；

3)采用干料返混系统，将机械脱水后的污泥与部分从烘干机出来的污泥一起送入造粒机，经混合制成含水率为60～65％的污泥，然后进入烘干机；

4)采用两段式烘干技术，利用分别从水源热泵和除湿热泵出来的热风对脱水污泥进行干化，最终制成含水率20～25％的污泥。

本发明的优选技术方案是：所述水源热泵的进口温度为10～35℃。机械脱水后的污泥含水率保持为80～85％，从烘干机返混的污泥的含水率保持为40～45％。

本发明的另一技术特征是：进入烘干机的污泥采用连续进料和出料的连续式干燥方式。

本发明提供的一种实施上述方法的热泵和污泥干化集成系统，其特征在于：该系统包括污水深度处理设备，水源热泵，烘干机，除湿热泵以及造粒设备，水源热泵的蒸发器换热介质侧与污水深度处理设备的出水管连接，水源热泵的冷凝器换热介质侧通过风管与烘干机干燥室相连，所述的除湿热泵放入烘干机的排风道中，湿热空气由风机抽取先后经过除湿热泵的蒸发器和冷凝器后，再通过管道返回到烘干机干燥室内。

本发明具有以下优点及突出性效果：①将污泥干化技术和污水源热泵技术相结合，发挥二者的优点，利用水源热泵回收城市生活污水厂二级出水中的大量废热，提升能量品位，同时有除湿热泵吸收湿热空气的显热和气化潜热，共同作为污泥干化预热的热源，能量得到充分而合理的利用，形成了污水处理厂内部水、热、能综合利用的新集成技术。②节约能源。热泵的性能系数(COP)达到3.0～4.0，即热泵提供的热量是同功率下电加热产生的热量的3～4倍。故与电锅炉相比，可节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2的能源。热泵的热源来自污水厂出水，采用本技术后，污水厂整体能耗降低20％以上；③采用的两段式和连续式干燥方式，污泥干化周期较短，批量较大，成型后物料细小而颗粒度较均一，干燥质量稳定，同时能保持干燥成品中的有机成分；④不产生二次污染。热泵干化污泥在封闭循环系统中进行，在干化过程中产生的粉尘及挥发份的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。

附图说明

图1为热泵和污泥干化集成系统的结构原理与工艺流程图。

图2为水源热泵的工作原理图。

图3为除湿热泵吸收污泥烘干过程中湿热空气的显热和气化潜热再重复用于污泥干化的结构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明：

本发明提供的一种热泵和污泥干化集成方法及系统如图1所示，从污水处理厂出来的污水经深度处理得到的二级出水，利用水源热泵回收二级出水的热能，形成热风进入烘干机，作为污泥干化的热源；污水处理厂出来的污泥经机械脱水处理后送入烘干机干燥室内，经水源热泵提供的热风加热；采用污泥返混技术，将机械脱水后的污泥与部分从烘干机出来的污泥一起送入造粒机，经混合制成含水率为60～65％的污泥，然后进入烘干机。利用除湿热泵吸收污泥烘干过程中湿热空气的显热和气化潜热，经水源热泵和除湿热泵的协同作用，利用分别从水源热泵和除湿热泵出来的热风对脱水污泥进行两段式烘干处理，并采用连续进料和出料的连续式干燥方式，最终烘干机输出含水率20～25％的污泥，可用作优质肥料用于绿化和农田代替化肥，也可用作固体燃料。

为了易于干化，将污泥倾在不锈钢的传送网带上，传送带按设定速度运转，经数层传送带来回运送使污泥形成含水率20～25％的颗粒肥料送出烘干机。

图2为水源热泵的工作原理图。热泵系统中运行的工质，在蒸发器中吸取二级出水的热量，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烘干机干燥室的空气，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二级出水的热量，形成热泵循环；经热泵回收热量后的出水排放至水体或回用。

烘干机热风一部分来自水源热泵，向盛载污泥的传送网带垂向送风，另有除湿热泵吸收污泥烘干过程中湿热空气的显热和气化潜热，回收热量供给烘干机，如图3所示，将除湿热泵放入烘干机的排风道中，污泥烘干过程中产生的湿热空气由风机抽取后经过除湿热泵的蒸发器，被系统内运行的低压液态工质吸取热量，使湿空气降温脱水，变成不饱和空气，然后此低温不饱和空气经冷凝器时被高温高压的工质蒸汽加热，形成热空气通过管道重新被送回烘干机干燥室，形成除湿热泵循环。

二级出水的水质和水温是影响水源热泵机组经济运行的主要因素，涉及到热泵内换热器的形式和材质的确定，解决好换热器表面结垢、阻塞、腐蚀等问题，以取得最佳换热效率；污泥含水率、烘干机操作温度及干化时间则影响污泥干化效果。本发明中，根据污泥产品的要求以及后续处理处置方法的不同，各参数选取范围如下：进入烘干机的污泥含水率为60～65％；烘干机操作温度可在50～85℃调节，同时控制烘干机干燥室的湿度，满足有机污泥干化的理想条件，不会造成污泥微团外壁结壳。水源热泵的吸收水温可在10～35℃变化。

系统中上述各参数可根据污水处理厂实际运行情况和能量衡算结果进行调节，在具体实施过程中，可以对本发明中上述各参数的选择做出一些适当的改变。

本发明可用于城市污水处理厂生成污泥的减量化，同时实现水、热、能的优化配置。还可以用于除城市污水厂外的其它污水处理厂。

实施例1

一个规模为10,000t/d的污水处理厂，产生含水率80％的污泥约7.2m³，二级出水水温为18℃左右，烘干污泥所需热量为1.88×10⁷kJ，热泵能从二级出水中提取的热量为14×10⁷kJ(假设水温降低5℃)，同时有除湿热泵吸收污泥烘干过程中湿热空气的显热和气化潜热，回收热量供给烘干机，烘干机操作温度可在50～85℃调节，假设热泵加热污泥的能量转换效率是80％。由以上数据可见，水源热泵和除湿热泵可以供给烘干机的热量，远远大于污泥烘干所需的热量。

已有资料表明，城市污水处理厂电耗约占总能耗的60％～90％，污泥处理电耗占总电耗的10％～25％，可见污泥的处理投资很大，故采用热泵和污泥干化的集成技术，能实现污水处理厂水、热、能的优化配置，同时实现污水处理厂内部大幅度的节能降耗。

Claims

1.一种热泵和污泥干化集成方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的热泵和污泥干化集成方法，其特征在于：所述水源热泵的进口温度为10～35℃。

3.如权利要求1所述的热泵和污泥干化集成方法，其特征在于：进入烘干机的污泥采用连续进料和出料的连续式干燥方式。

4.如权利要求1、2或3所述的热泵和污泥干化集成方法，其特征在于：机械脱水后的污泥含水率为80～85％，从烘干机返混的污泥的含水率为40～45％。

5.一种实施如权利要求1所述方法的热泵和污泥干化集成系统，其特征在于：该系统包括污水深度处理设备，水源热泵，除湿热泵，造粒设备以及烘干机，造粒后的污泥经管道进入烘干机的干燥室，该烘干机的干燥室通过污泥返混管道与污泥造粒设备的进口连接；水源热泵的蒸发器换热介质侧与污水深度处理设备的出水管连接，水源热泵的冷凝器换热介质侧通过风管与烘干机干燥室相连；所述的除湿热泵放入烘干机的排风道中，湿热空气由风机抽取先后经过除湿热泵的蒸发器和冷凝器后，再通过管道返回到烘干机干燥室内。