《Cleaner Engineering and Technology》：An energy-efficient approach to sludge drying: Simulation and optimization of a heat pump assisted low-temperature belt dryer
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污泥干化是污泥处理处置过程中能耗最高、碳排放最大的环节。目前普遍采用的热干化技术能耗较高，增加了污泥管理的整体成本与能源需求。为解决这一问题，本研究设计了一种采用中心回风配置的新型热泵辅助低温带式干燥机，以增强干燥均匀性与效率。研究人员利用计算流体动力学（CF
污泥干化是污泥处理处置过程中能耗最高、碳排放最大的环节。目前普遍采用的热干化技术能耗较高，增加了污泥管理的整体成本与能源需求。为解决这一问题，本研究设计了一种采用中心回风配置的新型热泵辅助低温带式干燥机，以增强干燥均匀性与效率。研究人员利用计算流体动力学（CFD）模拟指导干燥室设计，结果表明在两端安装挡板可降低局部气流速度，并将风机布置于中央位置以改善气流均匀性。通过热力学建模确定最优运行参数，结果显示最佳制冷剂充注量为9-12 kg，且余热换热器在较低水流量和较大温差条件下即可满足系统需求。在蒸发温度模拟中，蒸发温度为36°C时获得了最高的比水分蒸发速率（SMER）和最低的单位污泥能耗，分别为3.84 kg水/kWh和173.6 kWh/吨污泥。较低的迴风温度在满足干度要求的同时提高了能源效率，而增大空气流量比虽可降低能耗，但需与干燥性能进行权衡。工程规模监测表明，观测期内出口污泥含水率始终低于40%，实测SMER范围为3.5-4.5 kg水/kWh。
论文解读：热泵辅助低温带式污泥干化系统的模拟优化与工程验证
一、研究背景与问题提出
全球污水处理厂每年产生超过4500万吨（干重）的市政污泥。过去几十年间，污泥处置方式已从填埋和海洋倾倒等简单处置方法，显著转向厌氧消化产能回收、单独焚烧等更环保的路线。然而，无论采用何种最终处置方式，污泥干化都是实现污泥高效减量化的关键中间环节。目前主导的热干化技术，包括桨叶式干燥机、盘式干燥机、转鼓干燥机、薄膜干燥机、带式干燥机及流化床干燥机等，其能耗普遍高达800-1400 kWh/吨，且在大多数典型污泥处理流程中贡献了超过50%的碳排放。因此，降低干化阶段的能源强度至关重要。
热泵技术通过回收和再利用工业过程中的废热，提供了一种低碳替代方案。热泵辅助低温带式干燥机可回收水蒸发过程中的潜热，大幅降低能耗及CO?排放；同时该系统在低于90°C的干燥温度下运行，可减少H?S、NH?及挥发性有机物（VOCs）等气态污染物的释放。然而，带式干燥机构成一个复杂的热力学系统，其性能受污泥固有性质与外部空气参数（温度、湿度、风速）等多重相互关联过程的共同影响。干燥室的设计显著塑造外部干燥环境，而热泵系统的配置（冷凝器与蒸发器设计、压缩机运行条件）同样至关重要。尽管已有研究利用CFD等方法表征干燥室内流场及污泥干化多相过程，但鲜有研究聚焦于污泥干燥动力学与热泵系统之间的耦合机制。此外，冷却水流量、出口及回风温度、空气流量比等关键设计与运行参数的影响仍缺乏充分认识。
二、研究内容与核心技术方法
本研究设计并优化了一种由空气源热泵驱动的新型低温带式干燥系统。系统采用模块化设计，建立以干燥室模块和热泵模块为中心的闭环循环系统。干燥室采用三层网状带结构，并创新性地采用中心回风配置（上下进风、中部回风），以改善传统底部进风/顶部回风布置中空气逐层降温增湿导致上层干燥驱动力不足的问题。研究人员主要运用了两大关键技术方法：其一为计算流体动力学（CFD）模拟，将网状带与污泥层简化为多孔介质，通过变异系数（CV）评估流场均匀性，用于优化干燥室结构（挡板布置与风机位置）；其二为热力学建模，将热泵系统与干燥动力学进行耦合模拟，用于优化制冷剂充注量、冷却水参数、蒸发温度、回风温度及空气流量比等运行参数。该模型采用R134a制冷剂、全封闭涡旋压缩机、翅片管式换热器及热力膨胀阀，并通过杭州良渚污水处理厂市政污泥干燥样机的实验数据进行了验证。工程应用在日处理能力300吨（80%含水率）的集中式污泥处理中心实施，工艺路线为深度脱水+低温干化+协同焚烧。
三、研究结果与讨论
3.1 干燥室结构优化与模拟
CFD模拟结果表明，在干燥机两端安装气流挡板后，下层网带两端风量减少46.43%（由3919 m3/h降至2100 m3/h），上层网带减少31.65%（由5057 m3/h降至3456 m3/h），对应风速分别由0.56 m/s降至0.30 m/s和由0.79 m/s降至0.54 m/s，有效降低了局部气流速度，减少粉尘夹带的潜在可能。在风机位置优化方面，当风机靠近出口侧时，网带一侧风速较高，上下层分布不均且CV值偏高；将风机移至中央位置后，CV值降至52.8%，气流均匀性显著优于侧置方案，因此推荐将风机布置于中央位置。
3.2 热力学模型验证
通过与工程样机实验数据对比，耦合热力学模型（含双层出风机制）能够准确表征污泥干燥过程中的状态变化。干燥污泥含水率的相对误差约为2.28%，在相同日处理量下单位污泥能耗误差小于5%，表明该模型可用于设计优化模拟。
3.3 热泵系统优化
关于回热器的影响，模拟显示带回热器系统的单位污泥能耗为147.8 kWh，不带回热器为149.8 kWh，热泵性能系数（COP）提升仅2.83%。考虑到回热器增加设备成本、复杂化系统结构并可能因内部压降导致性能退化，研究不建议采用回热器。
关于制冷剂充注量优化，随着充注量从6 kg增至15 kg，热泵循环高压侧升高、低压侧降低、质量流量减少。压缩机功耗先降后升，制热量随充注量增加而上升，COP呈先增后减趋势。充注量增加导致上回路出口气温升高、下回路降低，出口污泥含水率随之上升。综合考量，推荐制冷剂充注量为9-12 kg，既能满足出口污泥目标含水率，又保持较低能耗。
关于冷却水优化，研究对比了1.2 kg/s与4.1 kg/s两种冷却水流量在35°C、40°C、45°C进水温度下的表现。结果表明增大冷却水流量并不能显著提升排热能力，较低流量下的散热量已足以满足系统总排热需求。低流量模式的固有缺陷可通过进水温度补偿，因在相同外部换热条件下，低流量有利于更大温降，通常可获得更低进水温度。
3.4 系统运行参数影响
在蒸发温度影响方面，随着蒸发温度从32.6°C升至36.8°C，蒸发器可冷却空气的温度持续上升，下回路出口气温随之升高；同时冷凝温度逐渐降低，上回路出口气温持续下降，其相对湿度增加近30%。压缩机功耗先快速下降后缓慢上升，COP出现最大值，但最大COP与最优系统性能并非出现在同一蒸发温度条件下，表明干燥侧与热泵侧必须作为整体考虑。系统比水分蒸发速率（SMER）先显著上升后下降，在蒸发温度36°C时达到最大值3.84 kg水/kWh，对应单位污泥能耗最低值173.6 kWh/吨。
在回风温度影响方面，回风温度从60°C降至40°C时，热泵循环高、低压侧均降低，质量流量减少，压缩机功耗下降，COP呈上升趋势。但出口污泥含水率随之升高，单位污泥能耗降低。实际应用中，满足出口污泥干度要求的最低回风温度即为最优能效点。
在空气流量比影响方面，保持总风量2 m3/s不变，空气流量比从65%降至5%时，热泵循环蒸发压力与冷凝压力均升高，质量流量增大，压缩机功耗上升，COP先增后减出现最大值。单位污泥能耗随二级冷凝器风量增加而持续上升，而出口污泥含水率相应降低，需在能耗与干燥性能间进行权衡。
3.5 工程规模应用
基于上述最优运行参数制造的全尺寸设备在集中式污泥处理设施中运行。观测期内，进泥含水率稳定在约70%，单机日处理量65-88吨/天；出泥含水率始终低于40%，最低达24%（8月12日）；日脱水量37.8-49.5吨/天，达到设计目标；实测SMER为3.5-4.5 kg水/kWh，8月8日录得最大值4.5 kg水/kWh。在运行稳定性方面，进泥量与进泥含水率的CV分别为8.8%和1.5%，出泥含水率、脱水量及SMER的CV分别为13.1%、9.6%和9.5%，除出泥含水率外均低于10%，表明设备性能具有较高稳定性与可靠性。
四、结论与展望
本研究成功设计、模拟、优化并验证了一种新型热泵辅助低温带式污泥干化系统。CFD模拟表明优化后的干燥室结构改善了气流均匀性并降低了局部气流速度，降低了粉尘夹带风险；热力学建模与参数优化确定了蒸发温度36°C及受控制冷剂充注量等关键运行条件，在满足干燥目标的同时最小化单位能耗。耦合模拟方法有效弥合了干燥动力学与热泵子系统之间的设计鸿沟，是系统级性能预测与优化的有力工具。工程规模应用证实了优化系统的实际可行性与优势：设备持续将污泥含水率从约70%降至40%以下，实测最大SMER达4.5 kg水/kWh；蒸发温度模拟中在约36°C条件下获得最低能耗173.6 kWh/吨污泥。大多数关键性能指标的变异系数低于10%，凸显了系统连续工业运行的可靠性与稳定性。该研究通过创新性干燥室设计与系统性工艺优化的协同，提出了节能型污泥干化解决方案，支持该系统在规模化污泥处理中的潜力，但其碳足迹与运行成本仍需进一步定量评估。未来工作可聚焦于污泥性质变化下的自适应控制策略，以及集成先进热源以进一步提升系统的可持续性与经济效益。
