一、概述

1.1工藝優(yōu)化與節(jié)能減排

按照科學(xué)發(fā)展觀，生活垃圾通過分類回收、綜合處理，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用，是社會文明的重大進(jìn)步，是實(shí)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(shù)可回收利用的資源一炬焚之，也是一種資源浪費(fèi)。最科學(xué)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(jìn)行多次分選，同時(shí)，對分離后的垃圾廢液、廢渣進(jìn)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(zhì)的有機(jī)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(jìn)行強(qiáng)制冷卻，烘干環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量的濕熱氣體，鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生大量高溫?zé)煔?，整個(gè)垃圾處理工廠存在多處用熱和產(chǎn)熱點(diǎn)，如果合理的對產(chǎn)熱和用熱點(diǎn)進(jìn)行梳理，對供求熱量進(jìn)行量化分析，對產(chǎn)熱和用熱的熱品位進(jìn)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(chǎn)熱點(diǎn)的熱品位低、用熱點(diǎn)的需求熱品位高，又為熱泵的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。

1.2熱泵技術(shù)應(yīng)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(jià)，能將大量無用的低溫?zé)崮茏優(yōu)橛杏玫母邷責(zé)崮?，如同泵?ldquo;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?zé)嵩粗刑N(yùn)含的大量免費(fèi)熱能或生產(chǎn)過程中的無用低溫廢熱QL，變?yōu)闈M足用戶要求的高溫?zé)崮躋H。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，QH、QL和W之間滿足如下關(guān)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?zé)嵩粗形〉拿赓M(fèi)熱能（環(huán)境熱能或工業(yè)廢熱），kW；

W——熱泵工作時(shí)消耗的高品位能源，kW。

由式（1）可見，QH＞W(wǎng),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(shí)，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(diǎn)。

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(zhì)基本與制冷設(shè)備通用，應(yīng)用也最廣泛。制熱溫度在50～100℃之間的熱泵，其工業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域正在逐步拓展，相關(guān)部件及工質(zhì)體系也正在完善。制熱溫度大于100℃的熱泵，其大規(guī)模應(yīng)用還有較多技術(shù)問題需解決，應(yīng)用領(lǐng)域也有待開拓。

只要是需要熱能的場合，就有熱泵的應(yīng)用機(jī)會，我們的衣食住行及身邊諸多產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，均和熱能有著密切的關(guān)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(gè)因素。

1）能源因素包括能源的價(jià)格（電能、煤、油、燃?xì)獾鹊谋葍r(jià)）和能源的豐富性。當(dāng)不同能源間比價(jià)合理或能源緊張時(shí)，熱泵就具有較好的發(fā)展大環(huán)境。

2）環(huán)境因素當(dāng)出于環(huán)境保護(hù)的考慮，對其他制熱方式（如燃煤制取熱能）有嚴(yán)格限制時(shí)，熱泵就具有更大的應(yīng)用空間。

3）技術(shù)因素包括通過熱泵循環(huán)、部件、工質(zhì)的改進(jìn)提高熱泵的效率，利用材料技術(shù)簡化熱泵結(jié)構(gòu)、降低熱泵造價(jià)，利用測控技術(shù)提高熱泵的可靠性和操作維護(hù)的簡易性等，可使熱泵比其他簡單加熱方式具有更強(qiáng)的綜合競爭優(yōu)勢。

4）低溫?zé)嵩礋岜门c其他簡單加熱方法的不同點(diǎn)之一是必須要有低溫?zé)嵩础嵩吹臏囟仍礁?，對提高熱泵的性能和?yīng)用優(yōu)勢越有利，有時(shí)能否有和使得低溫?zé)嵩矗踔潦菦Q定熱泵應(yīng)用的關(guān)鍵因素，因此，利用相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，拓展熱泵的低溫?zé)嵩矗彩谴龠M(jìn)熱泵應(yīng)用和發(fā)展的重要因素。

5）引用領(lǐng)域開發(fā)目前熱泵已應(yīng)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(shí)供冷與供熱等）、種植、養(yǎng)殖、人工溫室等領(lǐng)域。進(jìn)一步了解不同產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中的熱希求。并將熱泵和工藝有機(jī)結(jié)合，可為熱泵拓展更多的應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)行強(qiáng)制冷卻，烘干環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量的濕熱氣體，鍋爐煙氣產(chǎn)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(diào)，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(yīng)生活熱水，整個(gè)垃圾處理工廠存在多處用熱和產(chǎn)熱點(diǎn)。

從整個(gè)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(chǎn)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(diào)冬季采暖。

2）將鍋爐煙氣熱量一部分提供給干燥機(jī)組，其余部分冬季提供給大棚采暖，其它季節(jié)用來產(chǎn)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(chǎn)熱點(diǎn)及耗熱點(diǎn)分析

在生產(chǎn)濃縮工藝中，蒸發(fā)機(jī)冷凝冷卻水、物料冷凝水、蒸汽凝結(jié)水、真空泵冷卻水為產(chǎn)熱點(diǎn)。發(fā)酵液預(yù)熱、生活熱水、空調(diào)系統(tǒng)為耗熱點(diǎn)。

三、熱量供求分析

3.1產(chǎn)熱量特性

3.1.1蒸發(fā)機(jī)冷卻熱

蒸發(fā)機(jī)冷卻水產(chǎn)熱量相對穩(wěn)定，是重點(diǎn)熱回收對象,且蒸發(fā)機(jī)冷卻水是必須冷卻的項(xiàng)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(bǔ)水中得到回收利用，補(bǔ)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(jī)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(jī)械摩擦發(fā)熱的同時(shí)，溶入了物料凝結(jié)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(xiàng)目。

3.2熱平衡分析

由分析可知，冬夏季熱量供需均嚴(yán)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(chǎn)熱性質(zhì)

蒸發(fā)機(jī)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(chǎn)生冷凝熱，其余階段均不產(chǎn)熱。如果用熱量與蒸發(fā)機(jī)產(chǎn)熱量不同步，將會造成熱量瞬時(shí)失衡。鍋爐煙氣的換熱量也隨鍋爐產(chǎn)熱量的變化而變化。解決瞬時(shí)失衡的措施詳見下文。

4.2需熱性質(zhì)

4.2.1空調(diào)

上班期間辦公樓空調(diào)負(fù)荷大，下班時(shí)負(fù)荷小或沒有負(fù)荷。綜合樓主要是員工住宿，空調(diào)負(fù)荷與辦公樓反向互補(bǔ)。展示廳白天負(fù)荷大，夜間沒有負(fù)荷。

4.2.2生活熱水

生活熱水負(fù)荷為不均衡間歇性負(fù)荷，采用開式蓄熱水箱來均衡熱水負(fù)荷，設(shè)備對熱水箱持續(xù)加熱。

4.2.3發(fā)酵液預(yù)熱

需熱時(shí)間不連續(xù)，每間隔30分鐘耗水15m3，預(yù)熱量基本恒定。

總之，系統(tǒng)為間歇性產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)需，設(shè)計(jì)采取如下解決辦法：

解決辦法：

蒸發(fā)機(jī)的工作時(shí)間為9：30～22：00，而生活熱水及園區(qū)空調(diào)采暖需要24小時(shí)不間斷，解決此問題的辦法是建一個(gè)200m3調(diào)節(jié)水池，白天將蒸發(fā)機(jī)32℃的冷卻水儲存起來，當(dāng)夜間蒸發(fā)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，熱泵機(jī)組從調(diào)節(jié)水池中取熱產(chǎn)生生活熱水供園區(qū)使用。園區(qū)空調(diào)采暖由熱泵機(jī)組從32℃的蓄熱水池中取熱供空調(diào)房間采暖，熱泵機(jī)組熱源側(cè)出水仍排向調(diào)節(jié)水池。

五、熱回收方案

蒸發(fā)機(jī)熱回收工藝流程圖

蒸發(fā)機(jī)的熱回收工藝流程見上圖，蒸發(fā)機(jī)高溫冷卻水一部分被吸收式熱泵機(jī)組吸熱后排至調(diào)節(jié)水池，另一部分通過高溫冷卻塔散熱后排至調(diào)節(jié)水池。吸收式熱泵機(jī)組吸熱后產(chǎn)生的高溫?zé)崴?jīng)板式換熱器加熱污水池中的污水（發(fā)酵液），當(dāng)污水加熱完成后，可將高溫?zé)崴畵Q成生活熱水出售。園區(qū)空調(diào)夏季制冷時(shí)使用冷卻塔散熱，冬季利用水源熱泵機(jī)組從調(diào)節(jié)水池中吸熱后供空調(diào)采暖。熱水機(jī)組從調(diào)節(jié)水池中吸熱后產(chǎn)生高溫?zé)崴訜嵘顭崴?，將生活熱水儲存在水箱?nèi)。在生活垃圾綜合處理工藝中應(yīng)用熱泵技術(shù)，不僅解決了廠區(qū)的空調(diào)、衛(wèi)生熱水問題，還將廢熱通過熱泵技術(shù)收集起來供工藝上的發(fā)酵用，最大程度的利用了能源，最小程度的污染環(huán)境，與國家的節(jié)能減排相呼應(yīng)。

總之，熱泵技術(shù)在我國具有廣泛的發(fā)展前景，尤其是熱泵技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用，為熱泵技術(shù)在我國的發(fā)展開辟了一條新的道路。

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