深藍熱泵技術在生活垃圾處理工藝中的應用
內容提供：希望深藍空調
摘要：熱泵技術是一項空調、供暖及產生熱水的技術。本文介紹了將熱泵技術應用到垃圾處理的工藝中，不僅節(jié)約了能源，還減少了對環(huán)境的污染，具有廣泛的推廣前景。
關鍵詞：熱泵 垃圾處理 節(jié)能 環(huán)保
一 概 述
1.1 工藝優(yōu)化與節(jié)能減排
按照科學發(fā)展觀，生活垃圾通過分類回收、綜合處理，實現(xiàn)資源循環(huán)利用，是社會文明的重大進步，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一。目前，生活垃圾通常是通過填埋、濕地處理、焚燒、工廠綜合處理等等，其中，填埋處理會污染地下水，如果采用濕地處理，城市周邊沒有自然條件，焚燒處理雖然可以發(fā)電，但利用率太低，對大多數可回收利用的資源一炬焚之，也是一種資源浪費。最科學的處理方法是分類綜合處理，做到物盡其用、變廢為寶，最大限度的回收可再生資源。
在生活垃圾綜合處理系統(tǒng)中，需要對垃圾進行多次分選，同時，對分離后的垃圾廢液、廢渣進行分別處理，如對于廢液，通過厭氧發(fā)酵、高溫有氧發(fā)酵、固液分離、液態(tài)料蒸發(fā)濃縮、固態(tài)料烘干等工藝，可制成優(yōu)質的有機肥。其中，厭氧發(fā)酵、有氧發(fā)酵、蒸發(fā)濃縮、烘干等工序，都必須加熱，消耗大量的熱量，而蒸發(fā)濃縮環(huán)節(jié)又必須排出大量的冷凝潛熱，需要進行強制冷卻，烘干環(huán)節(jié)產生大量的濕熱氣體，鍋爐運行產生大量高溫煙氣，整個垃圾處理工廠存在多處用熱和產熱點，如果合理的對產熱和用熱點進行梳理，對供求熱量進行量化分析，對產熱和用熱的熱品位進行合理搭配，可發(fā)現(xiàn)熱能綜合回收利用的巨大潛力。而對于產熱點的熱品位低、用熱點的需求熱品位高，又為熱泵的應用創(chuàng)造了有利條件。
1.2 熱泵技術應用與節(jié)能
熱泵是一種制熱裝置,該裝置以消耗少量高品位能源為代價，能將大量無用的低溫熱能變?yōu)橛杏玫母邷責崮埽缤盟?ldquo;熱能”的“泵”一樣。熱泵的工作過程可與水泵類比。
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如上圖所示，熱泵消耗少量高品位能源W，將低溫熱源中蘊含的大量免費熱能或生產過程中的無用低溫廢熱QL，變?yōu)闈M足用戶要求的高溫熱能QH。根據熱力學第一定律，QH 、QL和W之間滿足如下關系式。
QH = QL+W （1）
式中 QH——熱泵提供給用戶有用熱能，kW；
QL——熱泵從低溫熱源中吸取的免費熱能（環(huán)境熱能或工業(yè)廢熱），kW；
W——熱泵工作時消耗的高品位能源，kW。
由式（1）可見，QH ＞W,即熱泵制取的有用熱能，總是大于所消耗的高品位能源，而用燃料加熱、電加熱等裝置制熱時，所獲得的熱能一般小于所消耗的電能或燃料能，這是熱泵與普通加熱裝置的根本區(qū)別，也是熱泵制熱最突出的優(yōu)點。
熱泵發(fā)展到今天，制熱溫度（供給用戶的熱能溫度）低于50℃的熱泵已較成熟。由于部件和工質基本與制冷設備通用，應用也最廣泛。制熱溫度在50～100℃之間的熱泵，其工業(yè)化應用的領域正在逐步拓展，相關部件及工質體系也正在完善。制熱溫度大于100℃的熱泵，其大規(guī)模應用還有較多技術問題需解決，應用領域也有待開拓。
只要是需要熱能的場合，就有熱泵的應用機會，我們的衣食住行及身邊諸多產品的生產過程，均和熱能有著密切的關系，從這一角度講，熱泵的發(fā)展空間是無限的；仡櫉岜玫陌l(fā)展歷史，熱泵發(fā)展的速度主要取決于以下幾個因素。
1） 能源因素 包括能源的價格（電能、煤、油、燃氣等的比價）和能源的豐富性。當不同能源間比價合理或能源緊張時，熱泵就具有較好的發(fā)展大環(huán)境。
2） 環(huán)境因素 當出于環(huán)境保護的考慮，對其他制熱方式（如燃煤制取熱能）有嚴格限制時，熱泵就具有更大的應用空間。
3） 技術因素 包括通過熱泵循環(huán)、部件、工質的改進提高熱泵的效率，利用材料技術簡化熱泵結構、降低熱泵造價，利用測控技術提高熱泵的可靠性和操作維護的簡易性等，可使熱泵比其他簡單加熱方式具有更強的綜合競爭優(yōu)勢。
4） 低溫熱源 熱泵與其他簡單加熱方法的不同點之一是必須要有低溫熱源。熱源的溫度越高，對提高熱泵的性能和應用優(yōu)勢越有利，有時能否有和使得低溫熱源，甚至是決定熱泵應用的關鍵因素，因此，利用相關領域的先進技術，拓展熱泵的低溫熱源，也是促進熱泵應用和發(fā)展的重要因素。
5） 引用領域開發(fā) 目前熱泵已應用于供暖、制取熱水、干燥（木材、食品、紙張、棉、毛、谷物、茶葉等）、濃縮（牛奶等）、娛樂健身（人工冰場、游泳池的同時供冷與供熱等）、種植、養(yǎng)殖、人工溫室等領域。進一步了解不同產品生產工藝中的熱希求。并將熱泵和工藝有機結合，可為熱泵拓展更多的應用領域。
1.3 生活垃圾處理工藝中余熱綜合利用策略
在生活垃圾綜合處理工藝中，厭氧發(fā)酵、有氧發(fā)酵、蒸發(fā)濃縮、烘干等工序都必須加熱，消耗大量的熱量，而蒸發(fā)濃縮環(huán)節(jié)又必須排出大量的冷凝潛熱，需要進行強制冷卻，烘干環(huán)節(jié)產生大量的濕熱氣體，鍋爐煙氣產生大量的熱，垃圾處理廠的綜合樓、展示廳及車間辦公室等都需要中央空調，冬季供熱、夏季供冷，大棚冬季需要供熱，工廠多處需要全天供應生活熱水，整個垃圾處理工廠存在多處用熱和產熱點。
從整個系統(tǒng)能源的綜合利用考慮，制定出該處理工藝余熱綜合利用的策略：
1）將蒸發(fā)濃縮環(huán)節(jié)產生的熱量提供給有氧發(fā)酵、園區(qū)生活熱水及園區(qū)空調冬季采暖。
2）將鍋爐煙氣熱量一部分提供給干燥機組，其余部分冬季提供給大棚采暖，其它季節(jié)用來產生生活熱水出售。
本文僅介紹蒸發(fā)濃縮環(huán)節(jié)的余熱綜合利用。
二 產熱點及耗熱點分析
在生產濃縮工藝中，蒸發(fā)機冷凝冷卻水、物料冷凝水、蒸汽凝結水、真空泵冷卻水為產熱點。發(fā)酵液預熱、生活熱水、空調系統(tǒng)為耗熱點。
三 熱量供求分析
3.1 產熱量特性
3.1.1 蒸發(fā)機冷卻熱
蒸發(fā)機冷卻水產熱量相對穩(wěn)定，是重點熱回收對象,且蒸發(fā)機冷卻水是必須冷卻的項目。
3.1.2 蒸汽凝水
鍋爐蒸汽凝水的余熱如果不回收，也會在鍋爐補水中得到回收利用，補水溫度高，鍋爐燃料消耗將降低，若加以回收，則鍋爐的能源消耗將增加，鍋爐蒸汽凝水可以讓鍋爐自然回收。
3.1.3 物料冷凝水余熱
由于物料冷凝水為循環(huán)使用，從蒸發(fā)機中冷凝后，再回到制漿池，制漿后送到發(fā)酵罐加熱、發(fā)酵，如果熱量回收后，物料的溫度降低，在發(fā)酵階段要多消耗同樣的加熱熱量。所以，物料冷凝水的熱量不宜回收。
3.1.4 真空泵冷卻水
由于真空泵冷卻水在冷卻機械摩擦發(fā)熱的同時，溶入了物料凝結水，且真空泵冷卻水的熱量非常小。所以，真空泵冷卻水的熱量不宜回收，但真空泵冷卻水是必須冷卻的項目。
3.2 熱平衡分析
由分析可知，冬夏季熱量供需均嚴重失衡，夏天必須采取散熱措施，冬天必須采取供熱措施。
四 熱量供需特性分析
4.1 產熱性質
蒸發(fā)機為間歇式工作，有上料、升溫、蒸發(fā)、出料等過程，其中只有蒸發(fā)階段產生冷凝熱，其余階段均不產熱。如果用熱量與蒸發(fā)機產熱量不同步，將會造成熱量瞬時失衡。鍋爐煙氣的換熱量也隨鍋爐產熱量的變化而變化。解決瞬時失衡的措施詳見下文。
4.2 需熱性質
4.2.1 空調
上班期間辦公樓空調負荷大，下班時負荷小或沒有負荷。綜合樓主要是員工住宿，空調負荷與辦公樓反向互補。展示廳白天負荷大，夜間沒有負荷。
4.2.2 生活熱水
生活熱水負荷為不均衡間歇性負荷，采用開式蓄熱水箱來均衡熱水負荷，設備對熱水箱持續(xù)加熱。
4.2.3 發(fā)酵液預熱
需熱時間不連續(xù)，每間隔30分鐘耗水15m3，預熱量基本恒定。
總之，系統(tǒng)為間歇性產熱，連續(xù)性耗熱。
4.3 供需匹配性分析與解決措施
從上述分析可知，產熱是間歇性的，耗熱是持續(xù)性的，供需有斷檔間隙，匹配好熱量的產需，設計采取如下解決辦法：
解決辦法：
蒸發(fā)機的工作時間為9：30～22：00，而生活熱水及園區(qū)空調采暖需要24小時不間斷，解決此問題的辦法是建一個200m3調節(jié)水池，白天將蒸發(fā)機32℃的冷卻水儲存起來，當夜間蒸發(fā)機停止運行時，熱泵機組從調節(jié)水池中取熱產生生活熱水供園區(qū)使用。園區(qū)空調采暖由熱泵機組從32℃的蓄熱水池中取熱供空調房間采暖，熱泵機組熱源側出水仍排向調節(jié)水池。
五 熱回收方案
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總之，熱泵技術在我國具有廣泛的發(fā)展前景，尤其是熱泵技術在工業(yè)中的應用，為熱泵技術在我國的發(fā)展開辟了一條新的道路。
參考文獻
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