用于有机垃圾烘干的闭环热泵除湿系统开发

刘 宇，闫高磊，薛 飞

（上海同祺新能源技术有限公司，上海 201399）

随着经济的高速发展和人民消费能力的不断提高，生活垃圾的产生量正快速增加。为实现生活垃圾减量化、资源化和无害化，积极推进生活垃圾源头减量和资源循环利用，上海市于2019年7月1日正式实施《上海市生活垃圾管理条例》，标志着垃圾强制分类时代的开始，具有较强的引领作用[1]。垃圾分类后，有机垃圾的占比超过50%[2]，由于其含水率高和容易腐败的特点，对收集、转运和处置都带来了极大的挑战。特别对于市郊乡镇来说，由于人口密度低，收运距离远，最优处置方式还是就近就地的分散处理，这是对集中大型有机垃圾处置设施的补充，可以减少垃圾周转运输距离，减轻道路拥挤及污染，促进有机垃圾资源化利用的有效途径之一[3-4]。

本文设计了一套闭环热泵除湿系统，以模块化的形式实现就近就地烘干有机垃圾，将其含水率降低到20%后用造粒机成型，实现60%~70%的减重，70%~80%的减容[5]，使有机垃圾稳定化后，再进入到后续收运处置环节，方便进行后续的回收利用，实现废弃物的资源化。

烘干过程在密闭箱体内实现，烘干热源来自除湿热泵系统，烘干媒介为空气。经过热泵系统冷凝器加热的热空气穿过铺设垃圾的网带，提供热量使有机垃圾中的水分蒸发进入空气中，排出的湿空气再经过热泵系统蒸发器降温，其中的水蒸气凝结为水后排出系统，脱水后的空气再返回热泵系统冷凝器加热，如此循环往复，将有机垃圾中的水分以冷凝水的形式排出，实现湿垃圾的烘干。

烘干热空气的温度控制在65℃以下，有效避免了有机物的大量挥发，减少恶臭气体如H2S、NH3的释放，最大限度保存垃圾中的有机物，减少挥发性有机物及恶臭气体的释放，并且在密闭箱体内运行，基本无异味散发出来[6]。排出冷凝水，色泽透明，污染程度低，可生化性能良好，通过简单处理后即可满足GB/T 31962—2015《污水排入城镇下水道水质标准》[7]的要求，直接就近排入城镇下水道。能源形式采用高效节能的热泵技术，能耗约为传统加热方式的1/3。模块化、自动化的设计，占地面积小，维护成本低，是实现有机垃圾就地处理的有效方法之一。

1 系统设计

1.1 系统构成

整个系统设计以烘干机为主机，前端为湿料进料仓，料仓底部为进料螺旋。后端为干料成型系统，主要包括干料出料刮板输送机、造粒机、干颗粒刮板输送机和包装袋。

经过破碎的有机垃圾进入到湿料仓后，通过料仓底部的数个并排的进料螺旋，将湿料均匀输送并敷设到烘干机的网带上。在热泵除湿系统的作用下，脱除水分后的有机垃圾由出料刮板输送机送入造粒机挤压成为颗粒状后打包存储。有机垃圾通过造粒机压缩后，体积大大减小，且含水率很低，便于下一步处理或者使用。

有机垃圾经过处理后，含水率从70%~80%，减少到约20%，克服了容易腐败的问题，重量减少约60%~70%，体积减少约70%~80%，大幅度提高了生物质密度，显著降低了后续处理的难度。

1.2 烘干机设计

烘干机设计日处理能力2t。

烘干机箱体分为2个部分，即烘干箱和除湿箱。烘干箱内主要包括烘干网带（上网带1套、下网带2套）、循环风机和除湿风机。高温干燥的热风从网带下部穿过网带及其上面均匀分布的物料，在温差和空气流速的作用下，物料中的水分以水蒸气的形式进入到空气中。穿过上下网带后的热风温度降低了，湿度显著升高。除湿箱内主要安装除湿系统，高湿的空气返回到除湿系统中，通过降温排出水分后，然后加热，成为高温干燥的热风，再回到烘干箱，与物料接触，就这样周而复始地带走有机垃圾中的水分。烘干机系统原理如图1所示。

图1 烘干机系统原理图

除湿系统由一套热泵驱动，通过压缩机驱动工质（R134a）在蒸发器吸热，在冷凝器放热。离开烘干箱的高湿度空气分为两路回到除湿系统，其中一路在循环风机的作用下，直接通过上网带冷凝器加热提高温度后返回烘箱，为上网带的物料烘干提供热量；另一路高湿度空气在除湿风机的驱动下，首先经过水冷换热器初步降温，再进入回热器高温侧和蒸发器进一步减温，使空气温度降低到零点以下，空气中的水蒸气凝结后排出系统，再返回到回热器低温侧，初步提升温度后，进入到下网带冷凝器升温，干燥的热空气返回烘箱，为下网带烘干提供热量。实际运行当中，根据上下网带的烘干负荷变化情况，通过调节上、下网带冷凝器的工质流量来做响应。为提高能效，在风侧设置了回热器，在工质循环侧设置了节能器。

每台烘干机配置2套独立的除湿热泵系统，设备具体设计参数情况见表1。

表1 烘干机主要设计参数表

2 运行控制

运行控制的主要任务是根据除湿系统的烘干能力，在达到出料含水率的条件下，烘干时间最短，烘干物料最多。为实现这个目标，需要从以下几个方面开展工作。

2.1 烘干网带布料

烘干原理为热空气从下往上穿越物料来实现水分的蒸发，因此确保热风的通过能力直接关系到烘干的效率。有机垃圾在进料时，含水率很高，有一定的密实性，为避免对穿越热风的阻挡，往往需要降低物料的厚度，这同时会使烘干设备的处理能力下降。针对这个问题，在物料进入烘箱时，通过变频控制网带驱动电机，让网带脉冲式启停，使物料在网带上的分布呈现波浪形态，热风可以在波谷位置实现穿透，形成较好空气物料传质换热效果。物料在上网带脱除部分水后，有机垃圾中的植物纤维会变得较为蓬松，在进入下网带后，透气性提高，烘干效果得到进一步加强。

2.2 进出料控制

烘干机采用周期性运行，即进一批料，然后物料在烘干箱内分阶段在上下网带停留一段时间后，再出料。通过控制进料螺旋的频率和运行时间，调节上下网带的驱动电机转速，在上网带铺满湿料的同时，把上网带初步烘干的料转移到下网带，再将下网带的干料送出烘箱，通过输送机送到造粒机造粒收集。进出料控制涉及到的物料在烘箱内上下网带的停留时间、进出料时间、网带电机的运行频率和启停时机等，需要通过现场测试得到优化后的数据进行设定。

2.3 除湿系统控制

控制的任务是在保障热泵系统可靠运行的条件下，尽可能提高运行能效。热泵系统工作在一套相对密闭的环境下，外部电力不断输入的情况下，热量会逐渐积聚，热风温度不断提高，工质冷凝压力不断提高，最终会超出热泵正常工作条件，运行不可持续。因此需要通过水冷换热器将多余的热量通过外部冷却水带出系统，同时降低了热风温度，提高了除湿效率。控制的方式采用调节冷却水流量来控制热泵冷凝压力的方式实现。

物料刚进入烘箱时，上网带需要的热量显著大于下网带，通过控制调节阀，增大上网带冷凝器的工质流量，加快空气除湿速率，随着湿度逐渐下降，再恢复到正常状态。

进入压缩机的工质过热度通过蒸发器前的电子膨胀阀控制来保证。采集压缩机入口工质温度和压力，计算过热度后，调节电子膨胀阀开度，使过热度达到设定值，确保压缩机稳定可靠工作。

3 运行测试

为验证设备性能，开展了3次连续运行试验。试验过程中，对每次的进、出料量称重，进料含水率测试。用电量为烘干机本体运行数据，不包含进出料输送设备及造粒机。测试结果见表2。

表2 烘干运行数据测试表

从表2数据看，除湿能耗与设计值接近。具体数值与进料含水率关系密切，进料含水率高的情况下，除湿能耗相对更低。

对除湿过程排放的冷凝水进行了测试，测试结果见表3。

表3 冷凝水水质分析

冷凝水主要来源于水蒸气的冷凝，因此水质目测清澈。垃圾中部分低沸点的可挥发酸性有机物也一并冷凝出来，这体现在了生化需氧量、化学需氧量、氨氮和pH指标上。其余指标与GB/T 31962—2015《污水排入城镇下水道水质标准》A级对比，均显著低于该标准。冷凝水水质生化性很好，经过简单处理即可满足有关排放标准。也可以进一步探索其在液态肥施用方面的可行性。

4 结论

有机垃圾就地处置是解决市郊、乡镇有机垃圾问题的最优途径，可以减少垃圾周转运输距离，减轻道路拥挤及污染，促进有机垃圾资源化利用。然而，由于设施靠近居民，对设备的环保性能、自动化程度等方面也相应提出了更高的要求。针对有机垃圾具有含水率高、容易腐败和不易储存的特性以及就地处置的相关需求，本文开发了闭环热泵除湿系统，并进行了连续运行测试，主要可以得出如下结论：①设备除湿性能达到了设计要求，具备投入实际应用的条件；②低温条件下的烘干，排出的冷凝水经过测试的确也显示出其污染程度低的优点，易于处理，容易达标排放，与传统厌氧工艺比较，具有显著优势；③低温烘干降低了工艺过程散发臭气的恶臭程度和产生量，加上密闭烘箱的隔绝作用，大幅度阻止了臭气的对外扩散，对设备周边环境质量影响很小；④烘干后的有机垃圾含水率低，基本稳定，方便存储和运输，为后续资源化回收利用创造了条件；⑤利用能源技术采用烘干的方式处理有机垃圾，为垃圾处置行业提供了一条全新的思路；⑥可通过优化设计和运行，提高能源利用效率，降低除湿能源消耗，更进一步降低有机垃圾的处置成本。