在污泥干燥技術(shù)中，熱干燥是目前最常用的干燥方法。根據(jù)污泥的加熱方法，有三種類型：對流、傳導和輻射干燥。在對流干燥中，干燥介質(zhì)和污泥在同一空間內(nèi)傳遞熱量和濕度。干燥介質(zhì)將熱量傳遞給污泥，蒸發(fā)和擴散擴散其內(nèi)部水分，并將其帶入干燥介質(zhì)并將其帶離污泥。一般來說，冷卻和加濕的干燥介質(zhì)應排放到設備外，導致能源利用率低。此外，干燥介質(zhì)在干燥過程中直接作用于污泥，干燥過程中產(chǎn)生的一些有毒有害物質(zhì)也會隨廢氣排出。因此，應對干燥產(chǎn)生的廢水和廢氣進行無害化處理；在傳導干燥過程中，濕污泥與加熱介質(zhì)不直接接觸。加熱介質(zhì)（通常是油或蒸汽）可回收利用，但干燥介質(zhì)仍需進行后續(xù)廢氣處理。同時，由于間接傳熱，濕污泥中水分的蒸發(fā)效率和設備的傳熱效率較低，整體效率不高。

熱泵污泥干燥技術(shù)作為污泥低溫對流干燥工藝之一，可以在保證高蒸發(fā)效率和傳熱效率的同時回收干燥廢氣中的熱量，大大降低污泥干燥過程中有毒有害物質(zhì)的排放，達到節(jié)能減排的有益效果。

1 熱泵干燥系統(tǒng)分類

對于熱泵干燥系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)中干燥介質(zhì)的循環(huán)工作模式，可分為封閉式、半封閉式和開放式。

其中，開放式系統(tǒng)中的干燥介質(zhì)在除濕干燥材料后直接排放到室外大氣中，原理如圖1 所示。一般處理過程是環(huán)境空氣通過熱泵冷凝器等濕加熱，干燥介質(zhì)空氣通過風扇加熱到干燥箱吸濕冷卻，然后進入熱泵蒸發(fā)器和制冷劑冷卻除濕，回收空氣熱和潛熱，然后排放到環(huán)境大氣中，熱泵干燥系統(tǒng)一般適用于室外空氣濕度低、高溫干熱條件，系統(tǒng)除濕性能、能耗水平受外部空氣條件影響，不利于大規(guī)模使用。

對于半封閉系統(tǒng)，其工作原理如圖2 所示。除濕干燥材料后，干燥介質(zhì)部分排放到室外大氣中，同時需要從室外大氣中補充等量的冷空氣。系統(tǒng)的處理過程是干燥箱出口的部分干燥介質(zhì)空氣直接排放到大氣中，另一部分進入熱泵蒸發(fā)器，冷卻除濕后與新吸入的環(huán)境空氣混合，然后兩部分空氣進入熱泵冷凝器加熱，風扇壓力進入干燥箱除濕干燥，循環(huán)。在該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，干燥箱出口干燥介質(zhì)空氣的旁通率是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)，合理的旁通率可以保證系統(tǒng)的高處理能力和能效水平。

半封閉式熱泵干燥設備原理圖

對于封閉式熱泵干燥系統(tǒng)，干燥介質(zhì)在系統(tǒng)中回收，原理如圖3 所示，干燥箱出口干燥介質(zhì)空氣進入熱泵蒸發(fā)器，冷卻除濕進入熱泵冷凝器加熱，通過風扇進入干燥箱和材料傳熱濕度，循環(huán)，該結(jié)構(gòu)在工作過程中熱損失小，能有效降低干燥過程中的能耗水平，受外部環(huán)境溫濕度影響小，區(qū)域適應性強，也適用于污泥干燥，熱泵干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應用最廣泛。

 封閉式熱泵干燥設備原理圖

2 熱泵污泥干燥系統(tǒng)原理

在熱泵污泥干燥系統(tǒng)中，干燥材料為污泥，干燥介質(zhì)一般為空氣。本質(zhì)上，熱泵污泥干燥的作用機制與傳統(tǒng)的污泥熱干燥相似它們通過干燥介質(zhì)與干燥材料之間的熱濕交換，使材料中的水蒸發(fā)和擴散，從而降低材料的含水量。然而，在吸濕干燥介質(zhì)的處理方法中，熱泵干燥與傳統(tǒng)干燥方法明顯不同。傳統(tǒng)的干燥方法通常是直接將含濕量高的干燥介質(zhì)排放到大氣中，如圖4 所示。在這種處理方案中，干燥介質(zhì)首先通過加熱器加熱（通常是蒸汽或電加熱），然后通過風扇進入干燥箱，通過 ** 干燥材料交換熱量和濕度，從 加熱和吸收干燥材料** 干燥材料中的濕度，然后定期從干燥室排出一些高濕度的干燥介質(zhì)，同時補充等量的冷介質(zhì)來維持干燥循環(huán)。這種干燥過程最大的缺點是系統(tǒng)的熱損失相當大，因為需要定期排出高溫高濕的干燥介質(zhì)，其熱損失可達 40%，廢氣中往往含有大量有毒有害成分。如果不處理，會造成嚴重的空氣污染。

熱泵污泥干燥系統(tǒng)采用熱泵循環(huán)，通過熱泵低溫除濕法降低廢氣含濕量，吸收廢氣中的熱量加熱干燥介質(zhì)，有效利用廢氣中的熱量，提高能源利用效率，同時熱泵污泥干燥溫度低，干燥過程環(huán)保安全，原理如圖5 所示。主要由熱泵、干燥箱、風機等組成，一般采用封閉空氣循環(huán)，整個系統(tǒng)與外部環(huán)境隔離，干燥介質(zhì)為空氣，干熱空氣進入干燥箱與污泥接觸，空氣冷卻濕熱空氣，污泥水分，然后通過熱泵蒸發(fā)器冷卻濕冷凝水進入干冷空氣，干冷空氣進入冷凝器加熱干熱空氣，完成循環(huán)過程。熱泵側(cè)制冷劑壓縮后，其溫度壓力等參數(shù)升高，室外散熱設備散熱后，將熱量分散到冷凝器中，然后將熱量分散到冷凝器中。

 熱泵污泥干燥設備原理圖

熱泵污泥干燥系統(tǒng)的能泵污泥干燥系統(tǒng)的能源及分配示意如圖6 所示：

 熱泵污泥干燥系統(tǒng)能流圖

事實上，在熱泵污泥干燥系統(tǒng)中，其輸入能量主要是壓縮機消耗的電能?？紤]到濕污泥在干燥過程中的吸熱和設備本身的散熱，其余的熱量需要從散熱設備中排出。

3 熱泵污泥干燥系統(tǒng)技術(shù)特點

目前，利用熱泵干燥污泥已得到一定的應用。結(jié)合其工作原理和方法，該系統(tǒng)具有以下特點：

（1） 能耗低。采用閉式熱風循環(huán)和熱泵熱回收技術(shù)，可有效降低干燥過程中的能耗水平，受外部環(huán)境溫濕度影響小，區(qū)域適應性強；

(2)低污染。干燥溫度為 100°c 在以下低溫干燥條件下，可避免氣味有機物揮發(fā)，閉式熱空氣循環(huán)也可顯著減少系統(tǒng)循環(huán)空氣溢出，一般不處理廢氣和廢水；

(3)損失低。由于污泥干燥過程中溫度低，有機質(zhì)損失小，利用潛力大；

（4） 安全性高。污泥干燥過程中的運行環(huán)境溫度不高，在合理控制風速的條件下可避免粉塵。熱泵污泥干燥系統(tǒng)可完全滿足污泥干燥的安全要求，大大提高系統(tǒng)運行的安全性；

(5) 干燥時間長。由于熱泵出風溫度一般為 65°c~80°c，污泥干燥時間一般長達幾十分鐘至幾小時，出料含水量要求較低時可能不符合要求；

(6) 設備容量小。由于干燥時間長，熱泵污泥干燥設備單機處理能力一般不高，大規(guī)模使用不方便；

(7) 投資成本高。與傳統(tǒng)熱干燥設備相比，熱泵污泥干燥設備結(jié)構(gòu)復雜，系統(tǒng)組件多，初始投資較高。

4 優(yōu)化熱泵污泥干燥工藝

根據(jù)上述分析，傳統(tǒng)熱泵污泥干燥系統(tǒng)的工藝設計仍不合理，熱泵干燥潛力無法充分利用。結(jié)合熱泵運行的特點，提出了以下可行的優(yōu)化方案：

（1） 冷卻設備后熱泵污泥干燥系統(tǒng)：制冷劑側(cè)冷卻時，可考慮在冷凝器后設置冷卻設備，有效提高送風溫度，提高系統(tǒng)干燥能力，但可能增加所需的冷卻面積，原理圖如圖 7 所示

 散熱設備后部原理圖

(2) 蒸發(fā)器前預冷熱泵污泥干燥系統(tǒng):濕熱空氣通過回熱器設置系統(tǒng)散熱設備，進入蒸發(fā)器前，循環(huán)空氣除有效排出設備內(nèi)多余熱量外，還可冷卻除濕。原理圖如圖8 所示

(3) 兩級串聯(lián)熱泵污泥干燥系統(tǒng):采用兩級串聯(lián)熱泵，一方面可以降低干燥空氣中的含濕量，同時也可以適當提高干燥空氣的溫度。但是，在系統(tǒng)運行中存在許多耦合問題。同時，由于蒸發(fā)器和冷凝器之間溫差的增加，如果要充分冷卻和加熱空氣，需要增加設備的換熱面積。

（4） 多熱泵并聯(lián)熱泵污泥干燥系統(tǒng)：考慮多熱泵并聯(lián)運行，多熱泵接力冷卻濕熱空氣，接力加熱干冷空氣，可提高設備的處理能力，原理圖如圖 10 所示

圖10 多臺熱泵并聯(lián)式熱泵污泥干燥系統(tǒng)原理圖

在多組熱泵并聯(lián)運行過程中，各個熱泵可單獨運行，不存在相互影響的問題，同時可將每個熱泵的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度單獨設置，可以充分冷卻、加熱空氣，提高設備的容量。

5 結(jié)論

本文總結(jié)了熱泵污泥干燥系統(tǒng)的分類、原理和技術(shù)特點，優(yōu)化了熱泵污泥干燥系統(tǒng)的過程，得出以下結(jié)論：

（1） 目前應用于實際生產(chǎn)的熱泵干燥系統(tǒng)按干燥介質(zhì)的循環(huán)方式進行分類，主要包括封閉式、半封閉式和開放式。其適用范圍不同。適用于污泥干燥的主要是封閉式和半封閉式熱泵干燥系統(tǒng)；

（2） 熱泵污泥干燥系統(tǒng)與傳統(tǒng)污泥熱干燥系統(tǒng)相比具有能耗低、污染低、損失低、安全性高等優(yōu)點，但也存在干燥時間長、設備容量小、投資成本高等問題；

鑒于傳統(tǒng)熱泵污泥干燥系統(tǒng)工作過程設計不合理，總結(jié)了散熱設備后熱泵污泥干燥系統(tǒng)、蒸發(fā)器前預冷熱泵污泥干燥系統(tǒng)、兩級串聯(lián)熱泵污泥干燥系統(tǒng)、多個熱泵并聯(lián)熱泵污泥干燥系統(tǒng)等優(yōu)化方案。