熱泵在垃圾處理工藝中的應用
一、概述
1.1工藝優化與節能減排
按照科學發展觀，生活垃圾通過分類回收、綜合處理，實現資源循環利用，是社會文明的重大進步，是實現可持續發展的重要環節之一。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，通過厭氧發酵、高溫有氧發酵、固液分離、液態料蒸發濃縮、固態料烘干等工藝，可制成優質的有機肥。其中，厭氧發酵、有氧發酵、蒸發濃縮、烘干等工序，都必須加熱，消耗大量的熱量，而蒸發濃縮環節又必須排出大量的冷凝潛熱，需要進行強制冷卻，烘干環節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，可發現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，又為熱泵的應用創造了有利條件。
1.2熱泵技術應用與節能
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為有用的高溫熱能，如同泵送“熱能”的“泵”一樣。熱泵的工作過程可與水泵類比。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，變為滿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（環境熱能或工業廢熱），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別，也是熱泵制熱最突出的優點。
熱泵發展到今天，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，熱泵的發展空間是無限的。回顧熱泵的發展歷史，熱泵發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展大環境。
2）環境因素當出于環境保護的考慮，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、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展的重要因素。
5）引用領域開發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，厭氧發酵、有氧發酵、蒸發濃縮、烘干等工序都必須加熱，消耗大量的熱量，而蒸發濃縮環節又必須排出大量的冷凝潛熱，需要進行強制冷卻，烘干環節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）將蒸發濃縮環節產生的熱量提供給有氧發酵、園區生活熱水及園區空調冬季采暖。
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，其它季節用來產生生活熱水出售。
本文僅介紹蒸發濃縮環節的余熱綜合利用。
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。發酵液預熱、生活熱水、空調系統為耗熱點。
三、熱量供求分析
3.1產熱量特性
3.1.1蒸發機冷卻熱
蒸發機冷卻水產熱量相對穩定，是重點熱回收對象,且蒸發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使用，從蒸發機中冷凝后，再回到制漿池，制漿后送到發酵罐加熱、發酵，如果熱量回收后，物料的溫度降低，在發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
蒸發機為間歇式工作，有上料、升溫、蒸發、出料等過程，其中只有蒸發階段產生冷凝熱，其余階段均不產熱。如果用熱量與蒸發機產熱量不同步，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，設備對熱水箱持續加熱。
4.2.3發酵液預熱
需熱時間不連續，每間隔30分鐘耗水15m3，預熱量基本恒定。
總之，系統為間歇性產熱，連續性耗熱。
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：
蒸發機的工作時間為9：30～22：00，而生活熱水及園區空調采暖需要24小時不間斷，解決此問題的辦法是建一個200m3調節水池，白天將蒸發機32℃的冷卻水儲存起來，當夜間蒸發機停止運行時，熱泵機組從調節水池中取熱產生生活熱水供園區使用。園區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水池。
五、熱回收方案
 蒸發機熱回收工藝流程圖 |
蒸發機的熱回收工藝流程見上圖，蒸發機高溫冷卻水一部分被吸收式熱泵機組吸熱后排至調節水池，另一部分通過高溫冷卻塔散熱后排至調節水池。吸收式熱泵機組吸熱后產生的高溫熱水經板式換熱器加熱污水池中的污水（發酵液），當污水加熱完成后，可將高溫熱水換成生活熱水出售。園區空調夏季制冷時使用冷卻塔散熱，冬季利用水源熱泵機組從調節水池中吸熱后供空調采暖。熱水機組從調節水池中吸熱后產生高溫熱水加熱生活熱水，將生活熱水儲存在水箱內。在生活垃圾綜合處理工藝中應用熱泵技術，不僅解決了廠區的空調、衛生熱水問題，還將廢熱通過熱泵技術收集起來供工藝上的發酵用，最大程度的利用了能源，最小程度的污染環境，與國家的節能減排相呼應。
總之，熱泵技術在我國具有廣泛的發展前景，尤其是熱泵技術在工業中的應用，為熱泵技術在我國的發展開辟了一條新的道路。
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