深蓝热泵技术在生活垃圾处理工艺中的应用
内容提供：希望深蓝空调
摘要：热泵技术是一项空调、供暖及产生热水的技术。本文介绍了将热泵技术应用到垃圾处理的工艺中，不仅节约了能源，还减少了对环境的污染，具有广泛的推广前景。
关键词：热泵 垃圾处理 节能 环保
一 概 述
1.1 工艺优化与节能减排
按照科学发展观，生活垃圾通过分类回收、综合处理，实现资源循环利用，是社会文明的重大进步，是实现可持续发展的重要环节之一。目前，生活垃圾通常是通过填埋、湿地处理、焚烧、工厂综合处理等等，其中，填埋处理会污染地下水，如果采用湿地处理，城市周边没有自然条件，焚烧处理虽然可以发电，但利用率太低，对大多数可回收利用的资源一炬焚之，也是一种资源浪费。最科学的处理方法是分类综合处理，做到物尽其用、变废为宝，最大限度的回收可再生资源。
在生活垃圾综合处理系统中，需要对垃圾进行多次分选，同时，对分离后的垃圾废液、废渣进行分别处理，如对于废液，通过厌氧发酵、高温有氧发酵、固液分离、液态料蒸发浓缩、固态料烘干等工艺，可制成优质的有机肥。其中，厌氧发酵、有氧发酵、蒸发浓缩、烘干等工序，都必须加热，消耗大量的热量，而蒸发浓缩环节又必须排出大量的冷凝潜热，需要进行强制冷却，烘干环节产生大量的湿热气体，锅炉运行产生大量高温烟气，整个垃圾处理工厂存在多处用热和产热点，如果合理的对产热和用热点进行梳理，对供求热量进行量化分析，对产热和用热的热品位进行合理搭配，可发现热能综合回收利用的巨大潜力。而对于产热点的热品位低、用热点的需求热品位高，又为热泵的应用创造了有利条件。
1.2 热泵技术应用与节能
热泵是一种制热装置,该装置以消耗少量高品位能源为代价，能将大量无用的低温热能变为有用的高温热能，如同泵送“热能”的“泵”一样。热泵的工作过程可与水泵类比。
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如上图所示，热泵消耗少量高品位能源W，将低温热源中蕴含的大量免费热能或生产过程中的无用低温废热QL，变为满足用户要求的高温热能QH。根据热力学第一定律，QH 、QL和W之间满足如下关系式。
QH = QL+W （1）
式中 QH——热泵提供给用户有用热能，kW；
QL——热泵从低温热源中吸取的免费热能（环境热能或工业废热），kW；
W——热泵工作时消耗的高品位能源，kW。
由式（1）可见，QH ＞W,即热泵制取的有用热能，总是大于所消耗的高品位能源，而用燃料加热、电加热等装置制热时，所获得的热能一般小于所消耗的电能或燃料能，这是热泵与普通加热装置的根本区别，也是热泵制热最突出的优点。
热泵发展到今天，制热温度（供给用户的热能温度）低于50℃的热泵已较成熟。由于部件和工质基本与制冷设备通用，应用也最广泛。制热温度在50～100℃之间的热泵，其工业化应用的领域正在逐步拓展，相关部件及工质体系也正在完善。制热温度大于100℃的热泵，其大规模应用还有较多技术问题需解决，应用领域也有待开拓。
只要是需要热能的场合，就有热泵的应用机会，我们的衣食住行及身边诸多产品的生产过程，均和热能有着密切的关系，从这一角度讲，热泵的发展空间是无限的。回顾热泵的发展历史，热泵发展的速度主要取决于以下几个因素。
1） 能源因素 包括能源的价格（电能、煤、油、燃气等的比价）和能源的丰富性。当不同能源间比价合理或能源紧张时，热泵就具有较好的发展大环境。
2） 环境因素 当出于环境保护的考虑，对其他制热方式（如燃煤制取热能）有严格限制时，热泵就具有更大的应用空间。
3） 技术因素 包括通过热泵循环、部件、工质的改进提高热泵的效率，利用材料技术简化热泵结构、降低热泵造价，利用测控技术提高热泵的可靠性和操作维护的简易性等，可使热泵比其他简单加热方式具有更强的综合竞争优势。
4） 低温热源 热泵与其他简单加热方法的不同点之一是必须要有低温热源。热源的温度越高，对提高热泵的性能和应用优势越有利，有时能否有和使得低温热源，甚至是决定热泵应用的关键因素，因此，利用相关领域的先进技术，拓展热泵的低温热源，也是促进热泵应用和发展的重要因素。
5） 引用领域开发 目前热泵已应用于供暖、制取热水、干燥（木材、食品、纸张、棉、毛、谷物、茶叶等）、浓缩（牛奶等）、娱乐健身（人工冰场、游泳池的同时供冷与供热等）、种植、养殖、人工温室等领域。进一步了解不同产品生产工艺中的热希求。并将热泵和工艺有机结合，可为热泵拓展更多的应用领域。
1.3 生活垃圾处理工艺中余热综合利用策略
在生活垃圾综合处理工艺中，厌氧发酵、有氧发酵、蒸发浓缩、烘干等工序都必须加热，消耗大量的热量，而蒸发浓缩环节又必须排出大量的冷凝潜热，需要进行强制冷却，烘干环节产生大量的湿热气体，锅炉烟气产生大量的热，垃圾处理厂的综合楼、展示厅及车间办公室等都需要中央空调，冬季供热、夏季供冷，大棚冬季需要供热，工厂多处需要全天供应生活热水，整个垃圾处理工厂存在多处用热和产热点。
从整个系统能源的综合利用考虑，制定出该处理工艺余热综合利用的策略：
1）将蒸发浓缩环节产生的热量提供给有氧发酵、园区生活热水及园区空调冬季采暖。
2）将锅炉烟气热量一部分提供给干燥机组，其余部分冬季提供给大棚采暖，其它季节用来产生生活热水出售。
本文仅介绍蒸发浓缩环节的余热综合利用。
二 产热点及耗热点分析
在生产浓缩工艺中，蒸发机冷凝冷却水、物料冷凝水、蒸汽凝结水、真空泵冷却水为产热点。发酵液预热、生活热水、空调系统为耗热点。
三 热量供求分析
3.1 产热量特性
3.1.1 蒸发机冷却热
蒸发机冷却水产热量相对稳定，是重点热回收对象,且蒸发机冷却水是必须冷却的项目。
3.1.2 蒸汽凝水
锅炉蒸汽凝水的余热如果不回收，也会在锅炉补水中得到回收利用，补水温度高，锅炉燃料消耗将降低，若加以回收，则锅炉的能源消耗将增加，锅炉蒸汽凝水可以让锅炉自然回收。
3.1.3 物料冷凝水余热
由于物料冷凝水为循环使用，从蒸发机中冷凝后，再回到制浆池，制浆后送到发酵罐加热、发酵，如果热量回收后，物料的温度降低，在发酵阶段要多消耗同样的加热热量。所以，物料冷凝水的热量不宜回收。
3.1.4 真空泵冷却水
由于真空泵冷却水在冷却机械摩擦发热的同时，溶入了物料凝结水，且真空泵冷却水的热量非常小。所以，真空泵冷却水的热量不宜回收，但真空泵冷却水是必须冷却的项目。
3.2 热平衡分析
由分析可知，冬夏季热量供需均严重失衡，夏天必须采取散热措施，冬天必须采取供热措施。
四 热量供需特性分析
4.1 产热性质
蒸发机为间歇式工作，有上料、升温、蒸发、出料等过程，其中只有蒸发阶段产生冷凝热，其余阶段均不产热。如果用热量与蒸发机产热量不同步，将会造成热量瞬时失衡。锅炉烟气的换热量也随锅炉产热量的变化而变化。解决瞬时失衡的措施详见下文。
4.2 需热性质
4.2.1 空调
上班期间办公楼空调负荷大，下班时负荷小或没有负荷。综合楼主要是员工住宿，空调负荷与办公楼反向互补。展示厅白天负荷大，夜间没有负荷。
4.2.2 生活热水
生活热水负荷为不均衡间歇性负荷，采用开式蓄热水箱来均衡热水负荷，设备对热水箱持续加热。
4.2.3 发酵液预热
需热时间不连续，每间隔30分钟耗水15m3，预热量基本恒定。
总之，系统为间歇性产热，连续性耗热。
4.3 供需匹配性分析与解决措施
从上述分析可知，产热是间歇性的，耗热是持续性的，供需有断档间隙，匹配好热量的产需，设计采取如下解决办法：
解决办法：
蒸发机的工作时间为9：30～22：00，而生活热水及园区空调采暖需要24小时不间断，解决此问题的办法是建一个200m3调节水池，白天将蒸发机32℃的冷却水储存起来，当夜间蒸发机停止运行时，热泵机组从调节水池中取热产生生活热水供园区使用。园区空调采暖由热泵机组从32℃的蓄热水池中取热供空调房间采暖，热泵机组热源侧出水仍排向调节水池。
五 热回收方案
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总之，热泵技术在我国具有广泛的发展前景，尤其是热泵技术在工业中的应用，为热泵技术在我国的发展开辟了一条新的道路。
参考文献
【1】蒋能照主编《空调热泵技术及应用》，中国建筑工业出版社1997.9
【2】彦启森主编《空气调节用制冷技术》，中国建筑工业出版社1985.12
【3】清华大学等校《空气调节》，中国建筑工业出版社 1981.4
【4】中国电子工业设计院编《空气调节设计手册》，中国建筑工业出版社 1983.5
【5】廉乐明 等编《工程热力学》第五版，中国建筑工业出版社 2007.1
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