热泵在垃圾处理工艺中的应用
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。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
 蒸发机热回收工艺流程图 |
蒸发机的热回收工艺流程见上图，蒸发机高温冷却水一部分被吸收式热泵机组吸热后排至调节水池，另一部分通过高温冷却塔散热后排至调节水池。吸收式热泵机组吸热后产生的高温热水经板式换热器加热污水池中的污水（发酵液），当污水加热完成后，可将高温热水换成生活热水出售。园区空调夏季制冷时使用冷却塔散热，冬季利用水源热泵机组从调节水池中吸热后供空调采暖。热水机组从调节水池中吸热后产生高温热水加热生活热水，将生活热水储存在水箱内。在生活垃圾综合处理工艺中应用热泵技术，不仅解决了厂区的空调、卫生热水问题，还将废热通过热泵技术收集起来供工艺上的发酵用，最大程度的利用了能源，最小程度的污染环境，与国家的节能减排相呼应。
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。
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