污水源热泵系统污水水质与换热器材质的选择

0 前言

 

  近年来随着国民生产的发展，城市污水排放

 

  量逐年增加。以山东省为例，2004 年全省总污水排放量为28 亿t，其中生活污水总排放量为14.1亿t，工业污水排放量为13.9 亿t。城市污水的处理量在某种程度上标志着城市污水热能的贮存量[1]，因为在城市污水中，生活中所消耗能源中有接近一半的能量通过各种途径被排放到城市污水中[2]。从以上数据可以看出城市污水热能有巨大资源潜力。

 

  城市污水的热能利用有多种方式，但最有效

 

  的利用方式就是利用污水热泵，即夏季将建筑物内多余热量通过热泵机组释放到城市污水中，冬季将城市污水的热量提取出来通过热泵机组释放到建筑物内。城市污水热能的资源潜力主要取决于污水的温度。经过处理后的城市污水的水温，常年在一定的范围内变化，如济南市某污水处理厂经二级处理后的污水冬季水温在13~16 ℃，夏季水温在22~26 ℃。一般情况下，北方地区冬季污水水温平均高出周围环境温度20 ℃以上，夏季污水水温要平均低于环境温度十几摄氏度。利用污水与环境的温差获取热能具有十分巨大的能量资源前景。

 

  利用污水源热泵系统对建筑物供冷或供热，充分利用了城市污水中的废热，减少了对高位能源的消耗，不仅节约了能源，而且减少了环境污染和水资源的消耗；此外由于污水源热泵机组工作效率高，机房占地面积小，大大降低了运行费用和初投资费用。因此污水作为可再生能源用于建筑物的空调系统已经得到了大家的认可，而且在国内的应用逐渐增多。污水源热泵系统虽然有许多优点，但由于污水的特殊性，容易造成热泵工作条件恶劣，尤其是热泵中的换热器所处的工作条件更为恶劣。当污水流经换热器时，由于污水成分很复杂，会造成换热器表面结垢、阻塞甚至是腐蚀的现象。由于这些现象的存在，使得换热器的传热效率降低，流体的流动阻力加大，降低换热器的使用寿命，有时甚至使换热器无法工作。由此可见，污水的水质对系统特性影响较大。此外污水中各种有害成分对换热器材质的腐蚀影响也无现成资料可循。这些都给污水换热器的研究造成很大困难。

 

  针对不同的污水水质，该采取什么系统形式，采取什么材料及形式的换热器，使其在污水中仍具有很好的传热性能，这些问题是污水源热泵系统设计的难点，也是本文研究的重点。

 

  1 污水的水质分类

 

  根据所使用污水来源不同，污水可分为原生污水和来自污水处理厂的中水（也称再生水）。原生污水就是未经任何处理的城市污水，它广泛存在于城市的污水管道中。它的主要优点是污水温度比较接近于排放点的温度，所赋存的热能多，缺点是污水水量不稳定，水质中所包含的大尺度的污染物比较多，各种微生物及化学成分比较复杂，水质恶劣。

 

  城市原生污水经过城市排水管网输送到污水处理厂后，一般先经过简单的过滤和沉淀等物理处理，此时的出水称为一级出水。经过一级处理后的污水再经活性污泥法等深度处理后，进行集中排放，此时的污水称为二级出水。多数的污水处理厂排放的污水均为二级出水。因此本文中所指的中水均指二级出水。如果对二级出水有某些特殊需求，可由污水回用用户单独进行处理。由于二级出水的微生物、杂质、化学成分等都得到净化，外观已与清水差别不大。二级出的主要优点是水量大而且集中，与原生污水比较，其结垢和腐蚀的可能性大大降低。二级出水缺点是污水温度下降，在冬季正常情况下，下降1~2 ℃。在污水源热泵系统中，由于主要利用的只是其温差5 ℃左右的显热热量，因此可取用的热能约减少10%～40%。

 

  2 污水源热泵系统原理及类型

 

  污水源热泵的工作原理与水源热泵相同，即夏季通过换热器将热量释放到污水中，达到制冷的目的；冬季通过蒸发器吸取污水中热量，达到供热的目的。

 

  在污水源热泵系统中，根据热泵机组换热器是否直接与污水接触，污水源热泵系统可分为直接式污水源热泵系统（图1）和间接式污水源热泵系统（图2）。直接式污水源热泵系统热泵机组内的换热器与污水直接接触，虽然系统设备初投资低，但机组换热器极易腐蚀和堵塞，在国内还未见应用。间接式污水源热泵系统通过污水换热器回收污水中的热能，污水不进入热泵机组，避免了污水对机组的腐蚀和堵塞，虽然投资增加，但系统设备运行可靠，该方式在国内应用较广。本文主要以间接式污水源热泵系统的污水换热器为研究对象。

 

  城市原生污水成分复杂，杂质含量多，考虑到污水换热器的腐蚀、结垢等多方面的因素，以采用耐腐蚀、寿命长的塑料类污水换热器为佳。对于采用二级出水或再生水的污水源热泵系统，可根据出水水质来确定换热器的类型。

 

  3 污水水质标准及水质处理

 

  在污水源热泵系统中，只利用污水中热量，经

 

  过使用之后，将污水直接排放掉，因此可称作单循环水系统。根据我国《污水回用规范》，不同用途的再生水要求的水质指标也不一样。作为热泵系统应用的污水，可以采用再生水用做冷却水的水质标准。

 

  在污水利用过程中，经常出现的水质问题是结垢、腐蚀、生物生长、淤塞和起泡，这些问题都是由回用水中的污染物引起。因此针对不同材质的换热器，为了保证回用水的水质可以对二次出水进行深度处理，处理主要从以下几个方面考虑。

 

  （1）控制结垢

 

  对金属换热器，要避免污垢形成即硬度沉积，一般通过化学方法和物理沉淀作用能够对结垢进行成功处理。其中酸化方法或加入阻垢剂能控制结垢，石灰软化经常被用作冷却系统回用水的处理方法。

 

  （2）防止腐蚀

 

  冷却水系统中金属不应当被循环水腐蚀。如果总溶解固体（TDS）的数值高就提高了水的电导性，这就造成了高的腐蚀性。市政处理的回用水中TDS 的浓度通常是饮用水中的2~5 倍，因而回用水的电导率和腐蚀性较高。溶解的气体和高氧化状态下的金属离子也能造成腐蚀。

 

  冷却水处于酸性状态下也容易形成腐蚀。据美国得克萨斯州的Lubbock 市的Jones Station 电厂报道，当循环冷却水中存在氨离子时，氨离子转化成硝酸，使pH 值从7.4~7.9 降低到6.5 甚至更低。对此，可以加入二氧化碳，通过提高重碳酸盐碱度而调节pH 值。

 

  阻垢剂（如铬酸盐、聚磷酸盐、锌离子和聚硅酸盐）能够减少冷却水的潜在腐蚀性。但是在排放之前，这些阻垢剂必须从水中去除。可以与阻垢剂替换的化学方法是离子交换和反渗透，但是此方法费用较高而用处不广。

 

  （3）抑制生物生长

 

  用于冷却系统的回用水中如果有营养物质或

 

  有机物（生化需氧量BOD）就会造成能够形成污垢的生物生长。处理过程中减少BOD 和营养物质的量，能够降低回用水中微生物持续生长的可能性。氯是最常用的控制微生物生长的除菌剂，其优点是价廉、易得和容易操作。氯也被用作消毒剂去除回用水中的潜在病原体。通常情况下，氯化和电击处理已经足够。在这个过程中，经常使用氯气（以液氯形式购买）、次氯酸钠固体或液体，也常采用二氧化氯抑制生物生长。

 

  （4）减少淤塞

 

  通过阻止颗粒性物质的形成和沉降能够控制淤塞。化学絮凝和过滤作用用于磷的去除过程，可以减少导致淤塞的污染物质的量。另外，也可使用化学分散剂。

 

  4 污水换热器的材质及选择

 

  污水换热器按其材质可分为金属换热器和非金属换热器。金属换热器按其结构可分为板式换热器、淋激式换热器和壳管式换热器。非金属换热器则主要包括各种结构的塑料管换热器或铝塑复合管换热器等。

 

  污水换热器存在的最主要的问题是腐蚀和堵塞问题，因此污水换热器的选材则主要从这几个方面来考虑。作为金属换热器最大的优点是传热系数高，结构紧凑。但在污水源热泵系统中，污水换热器极易腐蚀和堵塞，而且不易清洗，因此只有在采用污水处理厂二级出水，而且水质达到标准的前提下，才可以选用金属换热器。从经济、安全等多方面考虑，采用城市原生污水的换热器，不适合采用金属换热器。

 

  制造金属换热器的主要材料有铜及铜合金、铝合金、不锈钢和钛合金。铝合金具有导热性能好，成本低等特性，在常规的“空冷”型热泵中使用广泛，但污水中的电解质会对铝合金产生严重的腐蚀作用。纯铜及铜合金材料具有导热性好，加工、焊接性能好的特点。它对污水中的氯离子有一定的耐腐蚀性，但污水中的氨、氮离子对铜及铜合金的腐蚀作用是不可忽视的。当污水中的氨离子含量大于1 mg/L 时，它对铜的腐蚀作用是相当明显的。钛管对氯化物、硫化物和氨都具有较好的耐蚀性，可在高度污染的淡水和海水中使用。但由于价格昂贵，焊接技术要求高而限制了其使用的范围。以1Gr18Ni9Ti 为主的不锈钢材料是空调热交换器常用的材料。此种材料对水中的氨离子有较强的耐腐蚀性，但如果水中有较多的氯离子则会与溶解氧共同作用，破坏不锈钢材料的晶间结构，造成点蚀。

 

  恰当选择换热器的型式可以大大减轻污垢的影响。由于污水水质的特殊性，金属防腐的方法总有一定的局限性，因此我们可以换一个角度考虑问题，采用耐腐蚀的非金属材料来代替金属材料制造换热器。目前，国内已应用的污水源热泵系统均采用间接式系统，污水换热器以采用非金属类沉浸式污水换热器居多。非金属材料则主要采用塑料及各类复合塑料等。目前我国在空调冷热水、建筑给排水等系统中常用的非金属塑料类管材有多种，主要有PE- X 管、PP- R 管、PE- RT（铝塑复合）管、HDPE（高密度聚乙烯）管等[3]。

 

  PE- X 是交联聚乙烯的缩写，它是将聚乙烯通过物理或者化学的方法进行交联，交联后聚乙烯分子结构由线性转变为网状，从而其热强度、耐热老化性、耐腐蚀性能、抗蠕变性能都得到较大的提高，适合长期使用，可输送90 ℃以下的介质，具有良好的物理机械性能，耐酸碱和其它化学品性能优良。但是其热膨胀性较大，传热性能不如铝塑管。

 

  PP- R 是无规共聚聚丙烯的缩写，它是将聚乙烯分子无规则地接入聚丙烯的分子链中，从而使其抗低温冲击、长期耐热耐压及抗低温环境应力开裂等性能大大改善。PP- R 塑铝稳态复合管是一种内层为PP- R，外层包敷铝层及塑料保护层，各层间通过热熔胶粘接而成的五层结构的管材。该管材既具有金属管的刚性，又有塑料管的抗腐蚀性，寿命长，热熔接不渗漏，特别具有塑料管所没有的防渗氧性能，它的最高工作压力高达1.6MPa，工作温度范围为5~65 ℃，是空调水系统的优选管材[3]。

 

  PE- RT 管全称是铝塑复合管，它是以交联聚乙烯塑料材料作为管的内外层，中间芯层夹一焊接铝管，在铝管的内外表面涂覆胶粘剂与塑料层粘接，通过复合共挤成型的具有5 层结构的复合管材。铝塑管具有塑料管的全部优点，同时由于中间夹入一层铝，其机械理化性能比塑料管更强。

 

  HDPE 管为高密度聚乙烯管，以它的优秀的化学性能、韧性、耐磨性以及低廉的价格和安装费受到管道界的重视，它是仅次于聚氯乙烯，使用量占第二的塑料管道材料。HDPE 管具有耐腐蚀、内壁光滑、流动阻力小、强度高、韧性好、重量轻等特点。

 

  在选择非金属类污水换热器时，应根据污水换热器的工作温度、工作压力、传热性能、经济性能等多方面来考虑。以城市污水源系统来说，污水换热器的工作温度一般在5～50 ℃，作为间接式污水源热泵系统，它的工作压力并不高，多数塑料类管材均能满足要求。从表2 中可以看出，PE- RT管、HDPE 管和PE- X 管的传热性能均优于PP- R管，从经济性方面比较，其经济性排序为HDPE管、PE- X 管、于PP- R 管、PE- RT 管。山东某污水处理厂采用PE- X 管作为利用工业废水的污水换热器管材，经过1 年的实践运行表明，系统经济性比较好，而且清洗方便[4]。

 

  污水换热器的工作温度及原理与地表水热泵系统中换热器相同。根据文献[5]，国外地表水及土壤源热泵系统中采用的换热器管材有HDPE管、PVC 管和铜管。PVC 管抵抗太阳紫外线辐射能力差，并不推荐采用。HDPE 管材强度高、耐酸碱性强、使用寿命长，是推荐采用的地表水热泵系统和土壤源热泵系统换热器管材，也是美国目前完成的地源热泵系统中用的最广的换热器材料之一。铜管传热性能好，相同传热量的情况下，铜管换热器长度只是塑料换热器的1/4～1/3，但铜管易结垢。而且结垢后对换热器性能影响较大，因此不适合作为污水换热器材料。

 

  根据以上分析表明，从经济性和传热性能来

 

  考虑，污水换热器以采用HDPE 管、PE- X 管为推荐管材。采用塑料类换热器间接换热的方式回收污水的热能，一方面解决了管道和设备的腐蚀问题；另一方面，由于管内外壁光滑，也缓解了结垢问题，而且也易于清洗。

 

  5 结论

 

  对于城市原生污水由于其成分复杂，杂质含量多，考虑到污水换热器的腐蚀、结垢等多方面的因素，以采用耐腐蚀、寿命长、易清洗的塑料类污水换热器为佳；对于采用污水处理厂二级出水或再生水的污水源热泵系统，可以采用再生水用做冷却水的水质标准。如果再生水达到了相应的水质标准，可采用金属换热器，否则，可采用非金属类污水换热器；在非金属类换热器中，从价格、传热性能和寿命等方面综合分析，建议采用PE- X管和HDPE 管作为污水换热器管材。