污水源熱泵系統污水水質與換熱器材質的選擇

  0 前言

 

  近年來隨著國民生產的發展，城市污水排放量逐年增加。以山東省為例，2004 年全省總污水排放量為28 億t，其中生活污水總排放量為14.1億t，工業污水排放量為13.9 億t。城市污水的處理量在某種程度上標志著城市污水熱能的貯存量，因為在城市污水中，生活中所消耗能源中有接近一半的能量通過各種途徑被排放到城市污水中。從以上數據可以看出城市污水熱能有巨大資源潛力。

 

  城市污水的熱能利用有多種方式，但最有效的利用方式就是利用污水熱泵，即夏季將建筑物內多余熱量通過熱泵機組釋放到城市污水中，冬季將城市污水的熱量提取出來通過熱泵機組釋放到建筑物內。城市污水熱能的資源潛力主要取決于污水的溫度。經過處理后的城市污水的水溫，常年在一定的范圍內變化，如濟南市某污水處理廠經二級處理后的污水冬季水溫在13~16 ℃，夏季水溫在22~26 ℃。一般情況下，北方地區冬季污水水溫平均高出周圍環境溫度20 ℃以上，夏季污水水溫要平均低于環境溫度十幾攝氏度。利用污水與環境的溫差獲取熱能具有十分巨大的能量資源前景。

 

  利用污水源熱泵系統對建筑物供冷或供熱，充分利用了城市污水中的廢熱，減少了對高位能源的消耗，不僅節約了能源，而且減少了環境污染和水資源的消耗；此外由于污水源熱泵機組工作效率高，機房占地面積小，大大降低了運行費用和初投資費用。因此污水作為可再生能源用于建筑物的空調系統已經得到了大家的認可，而且在國內的應用逐漸增多。污水源熱泵系統雖然有許多優點，但由于污水的特殊性，容易造成熱泵工作條件惡劣，尤其是熱泵中的換熱器所處的工作條件更為惡劣。當污水流經換熱器時，由于污水成分很復雜，會造成換熱器表面結垢、阻塞甚至是腐蝕的現象。由于這些現象的存在，使得換熱器的傳熱效率降低，流體的流動阻力加大，降低換熱器的使用壽命，有時甚至使換熱器無法工作。由此可見，污水的水質對系統特性影響較大。此外污水中各種有害成分對換熱器材質的腐蝕影響也無現成資料可循。這些都給污水換熱器的研究造成很大困難。

 

  針對不同的污水水質，該采取什么系統形式，采取什么材料及形式的換熱器，使其在污水中仍具有很好的傳熱性能，這些問題是污水源熱泵系統設計的難點，也是本文研究的重點。

 

  1 污水的水質分類

 

  根據所使用污水來源不同，污水可分為原生污水和來自污水處理廠的中水（也稱再生水）。原生污水就是未經任何處理的城市污水，它廣泛存在于城市的污水管道中。它的主要優點是污水溫度比較接近于排放點的溫度，所賦存的熱能多，缺點是污水水量不穩定，水質中所包含的大尺度的污染物比較多，各種微生物及化學成分比較復雜，水質惡劣。

 

  城市原生污水經過城市排水管網輸送到污水處理廠后，一般先經過簡單的過濾和沉淀等物理處理，此時的出水稱為一級出水。經過一級處理后的污水再經活性污泥法等深度處理后，進行集中排放，此時的污水稱為二級出水。多數的污水處理廠排放的污水均為二級出水。因此本文中所指的中水均指二級出水。如果對二級出水有某些特殊需求，可由污水回用用戶單獨進行處理。由于二級出水的微生物、雜質、化學成分等都得到凈化，外觀已與清水差別不大。二級出的主要優點是水量大而且集中，與原生污水比較，其結垢和腐蝕的可能性大大降低。二級出水缺點是污水溫度下降，在冬季正常情況下，下降1~2 ℃。在污水源熱泵系統中，由于主要利用的只是其溫差5 ℃左右的顯熱熱量，因此可取用的熱能約減少10%～40%。

 

  2 污水源熱泵系統原理及類型

 

  污水源熱泵的工作原理與水源熱泵相同，即夏季通過換熱器將熱量釋放到污水中，達到制冷的目的；冬季通過蒸發器吸取污水中熱量，達到供熱的目的。

 

  在污水源熱泵系統中，根據熱泵機組換熱器是否直接與污水接觸，污水源熱泵系統可分為直接式污水源熱泵系統和間接式污水源熱泵系統（圖2）。直接式污水源熱泵系統熱泵機組內的換熱器與污水直接接觸，雖然系統設備初投資低，但機組換熱器極易腐蝕和堵塞，在國內還未見應用。間接式污水源熱泵系統通過污水換熱器回收污水中的熱能，污水不進入熱泵機組，避免了污水對機組的腐蝕和堵塞，雖然投資增加，但系統設備運行可靠，該方式在國內應用較廣。本文主要以間接式污水源熱泵系統的污水換熱器為研究對象。

 

  城市原生污水成分復雜，雜質含量多，考慮到污水換熱器的腐蝕、結垢等多方面的因素，以采用耐腐蝕、壽命長的塑料類污水換熱器為佳。對于采用二級出水或再生水的污水源熱泵系統，可根據出水水質來確定換熱器的類型。

 

  3 污水水質標準及水質處理

 

  在污水源熱泵系統中，只利用污水中熱量，經過使用之后，將污水直接排放掉，因此可稱作單循環水系統。根據我國《污水回用規范》，不同用途的再生水要求的水質指標也不一樣。作為熱泵系統應用的污水，可以采用再生水用做冷卻水的水質標準.

 

  在污水利用過程中，經常出現的水質問題是結垢、腐蝕、生物生長、淤塞和起泡，這些問題都是由回用水中的污染物引起。因此針對不同材質的換熱器，為了保證回用水的水質可以對二次出水進行深度處理，處理主要從以下幾個方面考慮。

 

  （1）控制結垢

 

  對金屬換熱器，要避免污垢形成即硬度沉積，一般通過化學方法和物理沉淀作用能夠對結垢進行成功處理。其中酸化方法或加入阻垢劑能控制結垢，石灰軟化經常被用作冷卻系統回用水的處理方法。

 

  （2）防止腐蝕

 

  冷卻水系統中金屬不應當被循環水腐蝕。如果總溶解固體（TDS）的數值高就提高了水的電導性，這就造成了高的腐蝕性。市政處理的回用水中TDS 的濃度通常是飲用水中的2~5 倍，因而回用水的電導率和腐蝕性較高。溶解的氣體和高氧化狀態下的金屬離子也能造成腐蝕。

 

  冷卻水處于酸性狀態下也容易形成腐蝕。據美國得克薩斯州的Lubbock 市的Jones Station 電廠報道，當循環冷卻水中存在氨離子時，氨離子轉化成硝酸，使pH 值從7.4~7.9 降低到6.5 甚至更低。對此，可以加入二氧化碳，通過提高重碳酸鹽堿度而調節pH 值。

 

  阻垢劑（如鉻酸鹽、聚磷酸鹽、鋅離子和聚硅酸鹽）能夠減少冷卻水的潛在腐蝕性。但是在排放之前，這些阻垢劑必須從水中去除。可以與阻垢劑替換的化學方法是離子交換和反滲透，但是此方法費用較高而用處不廣。

 

  （3）抑制生物生長

 

  用于冷卻系統的回用水中如果有營養物質或有機物（生化需氧量BOD）就會造成能夠形成污垢的生物生長。處理過程中減少BOD 和營養物質的量，能夠降低回用水中微生物持續生長的可能性。氯是最常用的控制微生物生長的除菌劑，其優點是價廉、易得和容易操作。氯也被用作消毒劑去除回用水中的潛在病原體。通常情況下，氯化和電擊處理已經足夠。在這個過程中，經常使用氯氣（以液氯形式購買）、次氯酸鈉固體或液體，也常采用二氧化氯抑制生物生長。

 

  （4）減少淤塞

 

  通過阻止顆粒性物質的形成和沉降能夠控制淤塞。化學絮凝和過濾作用用于磷的去除過程，可以減少導致淤塞的污染物質的量。另外，也可使用化學分散劑。

 

  4 污水換熱器的材質及選擇

 

  污水換熱器按其材質可分為金屬換熱器和非金屬換熱器。金屬換熱器按其結構可分為板式換熱器、淋激式換熱器和殼管式換熱器。非金屬換熱器則主要包括各種結構的塑料管換熱器或鋁塑復合管換熱器等。

 

  污水換熱器存在的最主要的問題是腐蝕和堵塞問題，因此污水換熱器的選材則主要從這幾個方面來考慮。作為金屬換熱器最大的優點是傳熱系數高，結構緊湊。但在污水源熱泵系統中，污水換熱器極易腐蝕和堵塞，而且不易清洗，因此只有在采用污水處理廠二級出水，而且水質達到標準的前提下，才可以選用金屬換熱器。從經濟、安全等多方面考慮，采用城市原生污水的換熱器，不適合采用金屬換熱器。

 

  制造金屬換熱器的主要材料有銅及銅合金、鋁合金、不銹鋼和鈦合金。鋁合金具有導熱性能好，成本低等特性，在常規的“空冷”型熱泵中使用廣泛，但污水中的電解質會對鋁合金產生嚴重的腐蝕作用。純銅及銅合金材料具有導熱性好，加工、焊接性能好的特點。它對污水中的氯離子有一定的耐腐蝕性，但污水中的氨、氮離子對銅及銅合金的腐蝕作用是不可忽視的。當污水中的氨離子含量大于1 mg/L 時，它對銅的腐蝕作用是相當明顯的。鈦管對氯化物、硫化物和氨都具有較好的耐蝕性，可在高度污染的淡水和海水中使用。但由于價格昂貴，焊接技術要求高而限制了其使用的范圍。以1Gr18Ni9Ti 為主的不銹鋼材料是空調熱交換器常用的材料。此種材料對水中的氨離子有較強的耐腐蝕性，但如果水中有較多的氯離子則會與溶解氧共同作用，破壞不銹鋼材料的晶間結構，造成點蝕。

 

  恰當選擇換熱器的型式可以大大減輕污垢的影響。由于污水水質的特殊性，金屬防腐的方法總有一定的局限性，因此我們可以換一個角度考慮問題，采用耐腐蝕的非金屬材料來代替金屬材料制造換熱器。目前，國內已應用的污水源熱泵系統均采用間接式系統，污水換熱器以采用非金屬類沉浸式污水換熱器居多。非金屬材料則主要采用塑料及各類復合塑料等。目前我國在空調冷熱水、建筑給排水等系統中常用的非金屬塑料類管材有多種，主要有PE- X 管、PP- R 管、PE- RT（鋁塑復合）管、HDPE（高密度聚乙烯）管等[3]。

 

  PE- X 是交聯聚乙烯的縮寫，它是將聚乙烯通過物理或者化學的方法進行交聯，交聯后聚乙烯分子結構由線性轉變為網狀，從而其熱強度、耐熱老化性、耐腐蝕性能、抗蠕變性能都得到較大的提高，適合長期使用，可輸送90 ℃以下的介質，具有良好的物理機械性能，耐酸堿和其它化學品性能優良。但是其熱膨脹性較大，傳熱性能不如鋁塑管。

 

  PP- R 是無規共聚聚丙烯的縮寫，它是將聚乙烯分子無規則地接入聚丙烯的分子鏈中，從而使其抗低溫沖擊、長期耐熱耐壓及抗低溫環境應力開裂等性能大大改善。PP- R 塑鋁穩態復合管是一種內層為PP- R，外層包敷鋁層及塑料保護層，各層間通過熱熔膠粘接而成的五層結構的管材。該管材既具有金屬管的剛性，又有塑料管的抗腐蝕性，壽命長，熱熔接不滲漏，特別具有塑料管所沒有的防滲氧性能，它的最高工作壓力高達1.6MPa，工作溫度范圍為5~65 ℃，是空調水系統的優選管材[3]。

 

  PE- RT 管全稱是鋁塑復合管，它是以交聯聚乙烯塑料材料作為管的內外層，中間芯層夾一焊接鋁管，在鋁管的內外表面涂覆膠粘劑與塑料層粘接，通過復合共擠成型的具有5 層結構的復合管材。鋁塑管具有塑料管的全部優點，同時由于中間夾入一層鋁，其機械理化性能比塑料管更強。

 

  HDPE 管為高密度聚乙烯管，以它的優秀的化學性能、韌性、耐磨性以及低廉的價格和安裝費受到管道界的重視，它是僅次于聚氯乙烯，使用量占第二的塑料管道材料。HDPE 管具有耐腐蝕、內壁光滑、流動阻力小、強度高、韌性好、重量輕等特點.

 

  在選擇非金屬類污水換熱器時，應根據污水換熱器的工作溫度、工作壓力、傳熱性能、經濟性能等多方面來考慮。以城市污水源系統來說，污水換熱器的工作溫度一般在5～50 ℃，作為間接式污水源熱泵系統，它的工作壓力并不高，多數塑料類管材均能滿足要求。從表2 中可以看出，PE- RT管、HDPE 管和PE- X 管的傳熱性能均優于PP- R管，從經濟性方面比較，其經濟性排序為HDPE管、PE- X 管、于PP- R 管、PE- RT 管。山東某污水處理廠采用PE- X 管作為利用工業廢水的污水換熱器管材，經過1 年的實踐運行表明，系統經濟性比較好，而且清洗方便。

 

  污水換熱器的工作溫度及原理與地表水熱泵

 

  系統中換熱器相同。根據文獻，國外地表水及土壤源熱泵系統中采用的換熱器管材有HDPE管、PVC 管和銅管。PVC 管抵抗太陽紫外線輻射能力差，并不推薦采用。HDPE 管材強度高、耐酸堿性強、使用壽命長，是推薦采用的地表水熱泵系統和土壤源熱泵系統換熱器管材，也是美國目前完成的地源熱泵系統中用的最廣的換熱器材料之一。銅管傳熱性能好，相同傳熱量的情況下，銅管換熱器長度只是塑料換熱器的1/4～1/3，但銅管易結垢。而且結垢后對換熱器性能影響較大，因此不適合作為污水換熱器材料。

 

  根據以上分析表明，從經濟性和傳熱性能來考慮，污水換熱器以采用HDPE 管、PE- X 管為推薦管材。采用塑料類換熱器間接換熱的方式回收污水的熱能，一方面解決了管道和設備的腐蝕問題；另一方面，由于管內外壁光滑，也緩解了結垢問題，而且也易于清洗。

 

  5 結論

 

  對于城市原生污水由于其成分復雜，雜質含量多，考慮到污水換熱器的腐蝕、結垢等多方面的因素，以采用耐腐蝕、壽命長、易清洗的塑料類污水換熱器為佳；對于采用污水處理廠二級出水或再生水的污水源熱泵系統，可以采用再生水用做冷卻水的水質標準。如果再生水達到了相應的水質標準，可采用金屬換熱器，否則，可采用非金屬類污水換熱器；在非金屬類換熱器中，從價格、傳熱性能和壽命等方面綜合分析，建議采用PE- X管和HDPE 管作為污水換熱器管材。