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高效能熱泵污泥乾燥系統

2020-08-13

駱文傑 特聘教授

國立勤益科技大學-精密製造科技研究所博士班


   依據行政院環境保護署廢管處於2015年10月30日發布的新聞資料顯示,臺灣每年產生約240萬噸的污泥,雖然處理機構及再利用機構有足夠容量來處理,然因處理技術的問題,常被取締停業,造成市場不穩定,處理價格攀升。以前1公噸污泥清理費約2~3千多元,現已漲到7~8千多元新台幣。目前處理技術主要是用高溫旋轉窯進行污泥的處理。此方法不但消耗太多熱能,造成燃燒廢氣的排放且無法完全妥善處理。目前環保署已大力推動採用低濕熱風乾燥的方法來進行脫水處理。若以污泥含水率由80%降至60%為例,污泥重量可由1公噸,減少至0.5公噸,污泥減量率將可達到50%。經由污泥源頭進行脫水減量,不但節省能源又降低處理過程中的空氣污染,一舉數得,對未來污泥處理市場的影響,將有突破性的變革。

   以芳苑工業區為例,污水處理廠佔地4.2公頃,於民國82年正式運轉,初期設計處理污水量為每日6000立方公尺,民國88年10月完成二期擴建工程,每日可處理污水量增加為12000立方公尺,可容納處理工業區內工廠所排放廢(污)水,目前每日進流水量平均約6000立方公尺,處理後可達國家放流水標準。

圖1 芳苑工業區污水處理廠及污泥乾燥床之外觀。

圖2 現況污泥處置流程示意圖。

 

   目前污泥處置方式為污泥乾燥床,其污泥乾燥床雖然有設備成本低、操作簡易等優點,但其占地廣大,清除脫水泥餅耗費人力,每月處理乾燥污泥約400~500噸。曬乾後之污泥,其固體含量約為 50~60%,曬乾後的污泥外觀如上圖所示。乾燥的良否,依污泥之種類及消化程度等而異,消化程度不良時,不僅乾燥速度慢也易腐敗而發惡臭,需經常於曬乾床的污泥表面,定時散播殺蟲劑,以防止蚊、昆蟲等發生。

   污泥主要成分為水、有機質及無機物。污泥含水率約80%左右,目前主要污泥乾燥的作法是將污泥送進旋轉窯,透過600℃至1500℃的高溫進行乾燥,使得污泥中的水分蒸發,再將乾燥污泥的進行燃燒,其中無機物燒結後可作為人工骨材的資源。

   在過去傳統汙泥處理過程中,往往需要採用燃燒產生高溫的氣體以進行污泥的乾燥與燃燒。燃燒過程往往採用柴油、重油與瓦斯達到產生高溫氣體的效果。然而採用柴油、重油或瓦斯來燃燒,其燃燒效率不佳,所耗費的燃料成本高,且亦會造成大量的二氧化碳的排放。為解決此問題,達節能減碳的目標。近年來逐漸採用運轉效率高,運轉成本低且節電的熱泵乾燥系統。為滿足較高溫的需求,目前採用冷媒循環的熱泵系統來製熱,其熱水溫度可達70℃的高溫,可產生60℃的低濕熱風進行乾燥。

   圖3 所示為現在於芳苑工業區的污水處理廠所初步建置的熱泵污泥乾燥除濕系統。目前該系統共採用3台熱泵乾燥系統進行並聯運轉。每台熱泵系統包含有兩顆壓縮機,由物料乾燥室送出的空氣介質由乾燥室上方的三具風車送入緩衝室中,再由3台熱泵主機上方的風口吸入至蒸發器盤管,進行降溫冷凝。待冷凝水析出後,產生低濕乾燥的空氣介質,送入位於熱泵主機下方的冷凝器進行加溫後,再由風車透過風管將加溫後的空氣送入污泥乾燥室。在乾燥室中設計有三層的污泥傳輸帶,將污泥由上方進料口輸送至下方出料口。在傳輸帶上方有小孔洞,可使由下方冷凝器送出的高溫空氣介質,在連續進料的傳輸帶上與污泥進行熱質傳的交換。隨後,污泥因受熱析出水蒸氣,水蒸氣被空氣介質帶出至緩衝室中,而完成空氣通道的封閉式循環。被乾燥的污泥,則隨著輸送帶由乾燥室的下方出料。

圖3 污水處理廠所初步建置的污泥乾燥除濕處理系統。

 

   系統運轉的技術指標如下: (1). 污泥處理量指標:採用連續進料模式,每天可處理的污泥量達 10 噸/天以上。 (2). 壓縮機啟停次數技術指標:在外氣環境溫度(22℃~33℃),污泥含水率(50%~80%)及污泥進料速率 (10cm/s~30/cm/s)的運轉條件。透過冷卻水塔或氣冷輔助散熱的應用,使得在不同環境條件下,系統運轉能達到熱平衡的穩定狀態,壓縮機啟停時間可控制在 2 次/天以下。 (3). 系統運轉性能指標(SMER):透過系統達熱平衡後,能減少系統頻繁的啟停與熱氣的排放,除濕量與耗電度數的比值預期能提升至 2kg/度。 (4). 污泥出料含水率均勻度:經熱平衡機制後,污泥處理後的含水率達到 40%以下,且含水率差值在 5%以內。

   實務應用與潛力:先前所開發技術已實際應用於許多工業區之污泥廢水處理廠的乾燥系統中。相關系統的運轉成效良好,節費與節能效果明顯。初期設置成本,約在系統運轉一年半後,所節省的處理費用與初期設置成本即可取得平衡。目前系統可處理的污泥乾燥量從每天 3 噸至 12 噸間,產品的價格依照處理污泥量的多寡而定。一般而言,以 10 噸/天污泥處理量的系統售價為 1,800 萬元。 以每天處理10噸的污泥乾燥系統,採用過去污泥清運處理的方式,每噸所花費的成本為7000元。 以熱泵乾燥系統代替後,每噸污泥乾燥所花費的成本可降低至3190元,每噸污泥處理費用可節省3810元,可節省了54%的花費成本。以每天可處理10噸的污泥來分析,一天約可節省38100元的污 泥處理費用。一年以運轉350天來分析,一年約可節省13,335,000元的處理費用。以該系統的初期設 置成本1,800萬元,該系統運轉約1.35年,所獲得節省的處理費用與初期設置成本即可取得平衡。

 
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