運用E-Plate熱交換器的高效率廢水處理廠

廢水熱交換器除了確保廢水處理廠可靠運轉,還能從廢水中回收熱能。E-Plate熱交換器不僅提供許多優於傳統系統的優點,對於處理含有大量固體物質的廢水,也是一種有效率的解決方案。

將廢水的熱能傳送到製程水

許多企業在生產過程中需要熱製程水。因此位於德勒斯登(德國)的達思DAS Environmental Expert開發出一款創新系統,能將廢水中的熱能傳送到製程水。

該步驟有助於優化水流的溫度,進而大幅提升能源使用以及廢水處理的效率。

製紙工業的廢水熱交換器

Schumacher Packaging公司位於施瓦岑貝格的工廠便是採用此種熱交換器。該業主自行經營的中等規模企業中,運用了瓦楞紙板和單一纖維紙板製作客製化的包裝解決方案。

Schumacher Packaging公司是位於德國厄爾士山脈施瓦岑貝格市的紙板製造商,該公司的業務包括再生紙加工,過程中會從米特韋達河抽取大量的淡水。在冬季期間,流入的河水水溫較低,大約攝氏5度。在經過初步的淨化程序後,再使用外部熱源提高水溫。

Schumacher Packaging公司已擴充製紙設備的產能。此舉也使製程溫度上升至攝氏55度,但對於後續的生物廢水處理程序而言著實過熱。若水溫過高,就會導致微生物死亡。結果是 : 污水處理廠在如此高水溫的情況下無法再運作。為避免對河流生態造成傷害,當局已針對放流廢水訂立水溫上限為攝氏30度。

為此Schumacher Packaging公司尋找精密解決方案,一方面用來冷卻廢水,同時也希望確保生物廢水處理系統能持續可靠地運轉,以及運用回收的熱能對從河裡抽取的冷水進行預加熱。

DAS MBBR Kläranlage bei Schumacher Packaging
DAS MBBR Kläranlage bei Schumacher Packaging

擁有最小壓力損失與低成本特色的熱傳遞設備

在客戶工廠運用熱交換器的條件相當嚴苛:

  • 必須連接至現有重力管路(gravity pipeline),並讓壓力損失減至最小
  • 必須不易積垢與堵塞,藉以降低維護作業的負荷

 

因此傳統的熱交換器設計不適合這類應用

傳統熱交換器的結構型態

數十年來,傳統熱交換器成功且有效地運用在許多領域。然而,在廢水領域至今仍沒有令人滿意的技術解決方案。當接觸到實際廢水時,傳熱表面(transfer surfaces)很快就會積垢堵塞,因此若設備沒有定期清洗,便會很快長出生物膜。

這種稱為積垢的程序會導致導熱器效能降低,進而導致系統的熱交換效能嚴重下滑。因此標準設備中的導熱器表面必須利用複雜的CIP(cleaning in place; 現地清洗)程序加以清洗,或打開外殼 – 如板式熱交換器 – 甚至進行拆卸,以利後續大規模的清洗。

機器程序的結果經常洗不夠乾淨,原因包括在內部高壓清洗過程中,噴水器無法清洗至所有區域,尤其是大型熱交換器。

E-Plate Wärmetauscher

自淨化熱交換器廢水處理

Schumacher Packaging的解決方案中,所搭載的熱交換器包含一個持續旋轉的毛刷系統,以及導熱片(thermoplates)。如此的設計不僅能將積垢減至最小程度,還優化了熱傳導的效能。旋轉刷不僅確保導熱器的表面隨時保持潔淨,同時,還促進水流速度以及更高效率的熱能交換。

刷具的旋轉運動亦導致廢水循著螺旋路徑循環流動,產生對流式熱交換器的效果。這種構造原理讓設備能直接銜接到現有污水處理廠的出水口,無須使用額外的泵浦來提高水壓。另外也無須設置大量的計量與調節設備。

 

廢水熱交換器運作原理

 (乾淨) 冷水平均導流到所有導熱板,並將沿著環形路在這些熱板內流過換熱器一次導熱板包含兩個金屬熱交換器板片,兩片板子邊緣平坦處透過點焊方式來連接。焊接後的金屬板再進行液壓脹形(hydraulically expanded),並做出冷水進水口與出水口的接頭。

為利用旋轉刷組進行永久清洗,這些導熱板必須做成環狀。數個直徑遞增的環狀板重複疊置,然後連到一個容器。最外部的導熱板會疊置兩片,做為容器的外殼。

受污染的廢水從熱交換器底部輸入,在導熱板之間向上方輸送,途中會經過容器,最後再從頂部送出。刷組的旋轉動作也會促使廢水循著螺旋路徑循環流動(螺旋式熱交換器),進而產生對流式熱交換器的效果。

位於施瓦岑貝格的Schumacher Packaging公司所裝設的上游廢水處理系統

在Schumacher Packing的案例中,該廠裝設兩部熱交換器,兩者除了可單獨運行,也可串聯或以並聯模式同時運轉,因此可在系統操作上達到高度彈性。這點相當重要,因為廢水溫度若是過低,會對生物廢水處理系統內部微生物的新陳代謝產生不利影響。

已裝設熱交換器的效能數據

熱輸出量

1

MW

流速– 廢水側

65

m3/h

流速– 冷水側

55

m3/h

壓力損失– 廢水側

0.01

bar

壓力損失– 冷水側     

0.40

bar

3D Darstellung des Abwasserwärmetauschers

已裝設熱交換器的效能數據

熱交換器設計能從冷水側以10 bar的壓力運作。這些設備採用1.4404(即316L)規格的不銹鋼材料製作。在此領域還有許多其他材料可以選用,因此可依據廢水的成分選用適合的材料。這些熱交換器的結構形式可以有很大的變化,可同時適用於數量眾多的應用。對於直角構漕,直熱板也可以被合併成模組,並提供自淨化能力,或是可單獨抽出的設計以配合實際的需求。

所有衍生型設計都能懸空(suspended)置於現有容器內,大幅減少裝設以及管道所需的空間。懸空式熱交換器搭配無外殼基底的設計,能在上升流(upflow)或下向流(downflow)程序中運作。

勝過傳統熱交換器的優點

  • 永久自淨化
  • 適合處理含有固體污染物的廢水
  • 壓力損失較小
  • 容易檢測
  • 旋轉刷組促成高紊流率(turbulence rates),進而達到良好的熱傳導效果

運用這些熱交換器的額外優點

除了直接回收熱量獲得節省能源的成效外,運用這類熱交換器還能為廢水技術的設備尺吋與運作模式帶來許多新的可能性。

為厭氧式反應器的廢水加熱

這裡重點,是可以運用厭氧反應器,在攝氏35至38度的溫度下順利運作。厭氧生物階段的特點,在於各種有害物質能在沒有供應氧氣的狀況下進行分解。

若廢水的水溫不在要求的溫度範圍內,明智的作法是從出水口回收熱能,再以這些熱能針對水溫低於要求門檻的廢水進行預加熱,如此用戶便能以最少的能源支出達到最適化的水溫,讓厭氧反應器維持正常運作。

厭氧廢水處理特別適合高度污染的工業廢水。它具備許多優於耗氧程序的優點 – 如在氧氣的協助下 – 特別是大幅降低的電力需求; 減少殘餘的污染物(過多的污泥); 高吞吐量; 微型化的構造設計; 以及能生成生質沼氣。

一部分的生質沼氣可用來讓厭氧反應器保持在最佳運作溫度。這種生質沼氣大多數用來加熱,以及透過小型汽電發電機轉換成電力。

提升耗氧式廢水技術的效能

藉由裝設在上游的熱交換器,即使耗氧生物階段也能提高至理想的操作水温。透過此種方式可提高現有系統的效能。在興建新的生物污水處理廠,就設計與製圖標記尺吋的過程中,這些設備可做得更加小巧。

對於地方政府的污水處理廠而言,能源效率同樣也是一項重要環結。因此過去一段時日以來業界持續嘗試從廢水中回收熱能。直到最近,許多因素阻礙了這項概念發展成大規模應用的技術。

  • 污垢迅速覆蓋在導熱器表面
  • 效能快速衰退,以及昂貴的維護成本
  • 須額外增設管路設備以彌補壓力損失

 

最後一點對於許多污水處理廠(包括工業與社區)的放流出水口而言尤其重要,因為廢水處理系統的排水口和放流管之間的高度差相當小。

裝設額外的廢水技術通常是不必要的

裝設這些額外的泵浦,可能導致藉由回收熱能提高能源效率的有利效果大幅縮減(或甚至完全消失)。傳統熱交換器的壓力損失的成因,是為達到高效率運作而提高流速所造成。在此同時,流道(flow channel)盡可能縮小,藉以達到高水準的熱傳輸效率。但這也導致更快出現堵塞,甚至更多的壓力損失。壓力損失的額定值大約在0.5 bar到1.0 bar – 等於5至10公尺的差壓(differential head)。

就這方面的數據而言,自淨化熱交換器系統是和所有其他系統差異最大的設備。一般壓力損失值大約在0.01 bar – 相當於0.1公尺的壓差。

適合含有固體物質的廢水

總結而言,這些熱交換器對於含有固體物質的廢水而言代表一種提高效率的解決方案。這類廢水的水溫通常過冷或過熱,抑或污水處理系統的運轉效率有待提升。

在Schumacher Packaging 公司的案例中,裝設熱交換器之後,天然氣的用量比之前減少40%,因此經過第一年所有投資金額便可全部回收。

DAS EE Headquarter

您的廢水處理專家

Steve 徐先佑

業務總監

+886 3 5718 670