太阳能污泥干化工艺的真实处理能力与能耗

阳光下的迷失阳光下的迷失太阳能污泥干化工艺的真实处理能太阳能污泥干化工艺的真实处理能 力与能耗力与能耗 一、又一个“革命性”的技术 最近，山东的一家环保公司在各种媒体上对其太阳能干化进行了高强度宣传。几乎所有的网站、论 坛都被该公司的销售员们给做上了小广告。用“福航太阳能干化”一词上谷歌搜，能搜出 88000 条来。 多个视频都以一串颇具震撼性的口号开始：“中国污泥干化产业的先驱”、“新能源污泥处理技术的领航 人”、“福航环保开创污泥处理产业革命”、“日处理污泥 200-2000 吨” 该公司的标准版新闻稿称：“福航环保自主研发太阳能与热泵结合技术污泥干化系统”、“利用太 阳能作为主要能源，满足可持续发展的需求；耗能小，运行管理费用低，蒸发 1t 水耗电量仅为 60- 80kWh，而传统的热干化技术需耗电为 800-1060kWh” 总之，这又是一个号称具有“革命性”意义的干化技术！ 仅凭该文强加给传统热干化离谱的电耗这一点，笔者就对该公司宣传的科学性和可靠性不禁打上了 个的问号。前一时期，笔者已经对几个自称具有“革命性意义”的污泥处理技术进行过剖析，最终发现这 类技术其实都名不副实。过度的不实宣传，是会产生误导的，因为基于信息的不对称性，以“新技术”之 名忽悠项目，除了可能给投资者造成损失外，也有违公平竞争的基本原则。 二、国际上太阳能干化的设计参数 太阳能污泥干化始于上世纪 90 年代，有关这一技术的历史，可以参考同济大学顾忠民等太阳能污 泥干化在欧洲的应用(2008) 一文。国内对这种技术的研究也是近两年才开始的，同济大学赵磊等太 阳能温室内污泥主要干燥参数的变化(2009)、同济大学刘敏等太阳能干燥污泥的中试研究(2010) 的论文代表了目前的研究成果。此外，国内已有大约 20 多个有关太阳能污泥干化的专利。山东福航的专 利是以该公司董事长王某个人名义申报的，这几项专利都是在 2010 年以后才申请注册的。 国外对太阳能干化的研究比较成熟，提供这种技术的厂家很多，差异性不大，工程上已积累了数十 个项目的经验，并已开发了多个数学模型。 从热干化原理来分析，太阳能干化实际上是采用温室原理，在一个相对封闭的空间里，在相对低温 下，实现污泥中水分向空气中转移的过程。它主要利用白天的太阳能来提高干化空气的温度，并辅以其它 手段，如辐射加热、地板加热、热空气吹扫、提高通风量等，以有效提高污泥温度，加大污泥表面水蒸气 与干化空气之间的蒸汽压差，从而实现污泥干化。 在不采用外来热源的前提下，太阳能干化与热干化相比，电耗要低得多。但是，它也有一些缺点： 占地面积大、干化时间长、干化最终干度有限制（有些季节可能难高于 80%）、产品干度受天气影响大， 等等。 无需采用化石燃料是它最为突出的优点，但这也是它在可应用性方面存在较大变数的根本原因。由 于太阳能辐射量随地理位置、季节、天气等原因变化，实际运行结果（以每平方米每日的蒸发量计）存在 较大波动，这一点也意味着日处理量、干化后污泥含固率方面的波动。在工程化时，各地实施的条件也会 有很大差别。基于此，这种工艺的应用一般是对处理量、土地资源、日照辐射、废热来源等多种条件的综 合比较后才能进行的选择。 1、处理规模和能力 德国 IST Anlagenbau 公司是世界上最专业的太阳能干化技术提供商之一，目前业绩表上的业绩数 量多达 59 个。对这些业绩进行简单分析，可以发现以下特点：大于 20 吨/日的只有 3 个，占总数的 5%；大于 10 吨/日 9 个，占 15%；小于 5 吨/日的 36 个，占 61%；介于 5-10 吨/日之间的 11 个， 占 19%。 95%的项目均为 20 吨/日以下，超过 20 吨的这三个项目中，两个还是在太阳辐射非常丰富的地区 （尼加拉瓜和澳大利亚），一个是因为有辅助热源。6 成以上的项目实际处理量在 5 吨/日以下。 可以看出，太阳能干化所遇到的第一个瓶颈，应该就是其适合处理的规模偏小。 2、设计蒸发强度 对上述业绩按照蒸发强度（每平方米每小时的蒸发水量，公斤数）进行统计会发现：= 0.200 的 3 个，占 5%。 仔细研究这些案例，会发现介于 0.1000.200 之间的 27 个案例（占总数的 45%）中有 14 个是 带有辅助加热的。在蒸发强度上，明显分为两个区：所有不带辅助加热的都在 0.100 以下；所有高于 0.100 的，要么带有辅助加热，要么属于太阳能辐射较强的地区。 根据文献，在欧洲中部，每平方米面积的太阳能污泥干化年蒸发量在 700900 公斤水，即 0.080.10 kg/m2.h。如果有辅助加热措施，可使此蒸发强度提高 30%100%以上。 3、辐射强度 辅助加热终归也是有成本的，作为太阳能干化的主要能量来源，太阳辐射强度具有关键意义。从业 绩表中选择一些具有代表性的案例进行分析会发现，这些项目所在地区（德国南部、法国）的全年日均太 阳辐射能量都在 30004500 W/m2.d 之间。这一辐射强度，与我国整个东部地区的辐射强度非常类似。 下面让我们一起看看这些项目的设计参数如何。 位于德国南部的 Sierentz，辐射值为 3380 W/m2.d。该项目每年处理 1906 吨含固率 16%的污 泥，有效温室面积 1920 平方米。以干化后含固率 80%考虑，蒸发强度 0.091 kg/m2.h，属于不加辅 助热源中较高的设计值，折合每吨含固率 20%湿泥的面积负荷为 1.26 m2/t.a。 位于法国中部的 Villefranche-de-Rouergue，辐射值为 4160 W/m2.d。该项目每年处理 2400 吨含固率 16%的污泥，有效温室面积 1200 平方米。以干化后含固率 80%考虑，蒸发强度 0.183 kg/m2.h，属于不加辅助热源的项目中较高的设计值，折合每吨含固率 20%湿泥的面积负荷为 0.63 m2/t.a，正好是 Sierentz 的一半。 位于德国南部的 Albstadt，辐射值为 3360 W/m2.d。该项目每年处理 4200 吨含固率 35%的污 泥，有效温室面积 1632 平方米。以干化后含固率 80%考虑，蒸发强度 0.165 kg/m2.h，但它属于加 辅助热源的项目，折合每吨含固率 20%湿泥的面积负荷为 0.22 m2/t.a，仅是 Sierentz 项目的不足 1/5。 再如位于尼加拉瓜的 Managua 项目，辐射值为 5555 W/m2.d。该项目每年处理 25000 吨含固 率 20%的污泥，有效温室面积 20440 平方米。以干化后含固率 80%考虑，蒸发强度 0.297 kg/m2.h，无辅助热源，折合每吨含固率 20%湿泥的面积负荷为 0.29 m2/t.a，也仅是 Sierentz 项目 的不到 1/4。 不难看出，辐射强度是决定太阳能污泥干化面积的一项重要参数，德国公司的成熟设计经验，为我 们判断国内项目提供了重要依据。 三、一个国外案例分析 根据 Socias 一文对西班牙 Mallorca 岛太阳能污泥干化项目所提供的数据，按照能量守恒的观点，可 将太阳能干燥系统视为一个独立的封闭系，建立一个简化的物质和热平衡模型。其中，入口焓由湿泥、环 境空气、太阳辐射热、辅助热源给热 4 项构成；出口焓由出口气体、出口干泥、辐射热损失（设 5%）等 3 项构成。入出口水汽形成物质平衡。 这一分析的目的是观察季节变化可能产生的影响。分别考察两部分：全年平均值，最冷月值。假设 采用全年平均值时，废热回收的能量恰好被用尽。 项目所在地是地中海中的一个岛，北纬 39 度左右，全年日均辐射值为 4980 W/m2.d，年均气温 17.2 度。最冷月为 12 月，日均辐射值为 3100 W/m2.d，日均气温 11.7 度。 该项目每年处理 30000 吨含固率 27%的污泥，将其干化至含固率 70%。有效温室面积 17261 平 方米。项目设计的蒸发强度 0.122 kg/m2.h，采用废热，通过热风形式，对 25%面积的污泥进行辅助 加热（即 12 个温室中的 3 个，每个回收厌氧消化沼气发电废热能量约 250 kW），折合每吨含固率 20%湿 泥的面积负荷为 0.426 m2/t.a。电能消耗 55-60 kW/吨水蒸发量。 太阳辐射有直射和散射之分，光谱、光强受到大气层厚度（即大气质量）、地理位置、所在地的气 候和气象、地形地物等的影响，其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化，甚至各年之间的每年总辐 射量也有较大的差别。为计算方便，不考虑日照时间，假定相当于温室建筑投影面积内的日均辐射量 100%被吸收转变为热能。 根据笔者对一些案例的分析，太阳能干化尽管是一种低温热干化，但仍有部分有机质在干化过程中降 解，随着有机质降解，会有部分热量产生。这一点在文献太阳能干燥污泥的中试研究中得到了证实。 假设污泥干基含有机质 75%，有机质降解率 10%。单位有机质降解量的产热量为 5800 kcal/kg。 当地为典型的地中海气候，取环境空气的相对湿度为 60%。 根据文献，太阳能干燥一般可维持温室内的平均温度在 30-50 度之间。这里取年均出口气体温度 43 度，最冷月出口气体温度 39 度。 计算结果： 年平均辐射值下，出口气体的相对湿度为 23.2%，太阳辐射以及废热补充能量约 3697000 kcal/h。此时，每平方米有效面积上分摊的排风量为 20.7 立方米。假设温室宽度 12.5 米，高 5.5 米， 则空气流经污泥表面的速度为 0.103m/s。出口气体的含湿量为 13 g/kg，每公斤干空气量的除湿量是 5g。 在最冷月时，由于太阳辐射量降低，废热量不变的情况下，热能输入不变，如果要维持同样的污泥 处理量和蒸发量的话，需要排放的空气能具有更高的单位除湿能力。也即，如果假设排气温度 39 度，其 相对湿度应上升为 31.87%，出口气体的含湿量为 15 g/kg，但每公斤干空气量的除湿量增为 9g。在温 度降低（从 43 度降为 39 度）、干燥推动力降低的情况下，要提升 80%的除湿能力，恐怕是难以实现的。 这意味着，在最冷月时，系统的蒸发能力很可能达不到年均值。 减少处理量，降低干化污泥的最终含固率，可能是最冷月的最佳选择。热能输入不变，假设排气温 度 39 度，相对湿度为 23%时，可取得出口气体含湿量 10 g/kg、每公斤干空气量除湿量 5g 的干燥状 态值，但此时系统只能完成到含固率 47.27%的干燥。蒸发量降低 30%。 当然，夏天当辐射强度高于年平均值时，干燥能力会有大幅度上升。 以这一思路进行分析的结果，太阳能干化在设计参数上的取值就成为一个焦点。 四、一个国内案例的校核 南京鑫翔项目是福航极力宣传的一个样板工程。但网上除了一段视频外，技术数据寥寥无几，基本 都是业主发布的新闻稿。 据称，南京鑫翔新型建材有限公司投资 4980 万元，进行污泥干化制砖，其中设备方面的投入 2400 万元，日均消耗城市市政污泥 300 吨（另有 500 吨/日一说），年产烧结节能保温砖 6000 万块， 可节省制砖原料约 80 吨，年节约 2.2 万吨标准煤。 按照这一版本，该项目的日吨处理量投资才 8 万元，远低于福航在公开资料中所公布的数字（20 万 元/吨日）。年节煤量折算到污泥中，污泥的干基低位热值居然到了 7032 kcal/kg！ 22000 t/a * 1000 kg/t * 7000 kcal/kg / (300 t/d * 20% * 1000 kg/t) = 7032 根据中国气象局发表的中国气象辐射资料年册，可以查到南京的全年总太阳辐射量为 4421.41 MJ/m2.a（2002 年），即日均 3364 W/m2.d，与前面所列出的德国南部相仿。 按照德国设计数据，此项目如果不考虑补充热源，吨泥（含固率 20%）的温室有效干化面积需 1.2 m2/t.a 以上。以日均 300 吨计算，年处理 109500 吨，所需温室面积 13 万平方米！ 根据报道的描述，此项目采用了热泵，从 100 度的窑炉尾气中回收热能，产生热水。热水通过地面 下埋设的热水盘管加热污泥。参考类似德国项目的设计，吨泥的有效干化面积可降至 0.22 m2/t.a，干化 温室面积应在 24000 平方米左右。 但根据报道及从视频中看到的，该项目只有一个长 60 米、宽约 30 米的温室，最大有效面积 1800 平方米，不到所需面积的 1/10！ 这真是奇了怪了！难道太阳能干化到了中国，效率就陡然提高了 10 倍？ 答案有两个选择：1）南京鑫翔并未真正投资一个 300 吨/日太阳能污泥干化项目，而是象征性地投 了一个实际处理能力约 20-30 吨的小项目，借环保题目，已实现了企业保命的目标；2）山东福航许诺了 一个放卫星项目，但实际设计值偏离太多。 网上可以看到一个福航提供的污泥干化方案（/p/1149398605），年处 理量 7000-12000 吨湿泥，相当于日处理 20-30 吨。给出的温室设计为“长 800 米、宽 16 米、高 4.5 米”，如此长度的温室闻所未闻。好在同篇表中有 1300 平方米的面积数据，因此可判断 800 米实 为 80 米之键误。对此方案进行折算，吨污泥的温室有效面积为 0.106 m2/t.a（=1280/12000），是 最乐观的同类型德国数据（0.22 m2/t.a）的一半。 再从该公司宣传册上的表格来看，一个日处理量 50 吨的设备，温室面积 1500 平方米，从含固率 20%到 60%，日蒸发量 33.3 吨，这意味着蒸发强度为 0.926 kg/m2.h，与采用辅助热源的德国数据 比，高出 5 倍以上。 从以上看，目前在国内市场上的太阳能干化数据恐怕是严重“乐观”，难以采信的。 从目前已实施的几个太阳能干化项目看，都采用了辅助热源。南京鑫翔以窑炉废烟气为热源，采用 气源热泵进行回收。光大水务济南新能源污泥干化中试项目以污水为热源，采用水源热泵和太阳能集热管 供热。正在建设的福航公司多层干化项目将温室叠起达五层之多，其太阳能采集恐怕更需依靠太阳能集热 管。 辅助热源的采用，一方面体现了节约占地、提高单位面积蒸发效能的必要性，另一方面也反映了我 国东部地区太阳能辐射强度有限这一现实。无论如何，以太阳能为标榜的这一干化工艺，在国内的应用， 比较突出地显示了它对常规能源的依赖性。 在辅助热量消耗方面，具有一个量的概念是十分必要的。仍以西班牙 Mallorca 项目为例，其升水蒸 发量的总热耗在 1757 kcal/kg，其中 307 kcal/kg 来自废热，占 17%；其余来自太阳能，占 83%。 当所在地区的太阳辐射较低时，来自废热的能量补充将大幅度提高。 基于低温干化的特点，笔者以为甚至可以这样理解，对于太阳能干化来说，升水蒸发量的能耗其实 是一个定值，即在 1500-2000 kcal/kg 之间。如果南京的辐射强度只有 Mallorca 的 68%（3364/4980），那么同等干化条件下，所缺少的比例无疑是需要靠辅助热源来补充的。由于基数 大（1500-2000 kcal/kg 蒸发量），所需补充的热量也就十分巨大。 从这一数字看，不难理解，当太阳能不足时，为什么辅助加热部分的热能来源必须是废热的原因。 如果用一次能源来补充，显然是非常昂贵的。 从低温干化的性质而言，无论太阳能干化如何补充热源，是单层温室也好，还是多层叠罗汉的温室 大厦也好，其最终所涉及的能源总量是巨大的，区别只在于其中有多少是通过辅助加热方式补充而已。 辅助加热最理想的莫过于本身有足够温度的热水了，比如沼气发电机的冷却水。但大多数情况下， 哪怕是废热，要转变为太阳能干化所能利用的热水形式，还需要进行转换，而转换是需要花费电能的。无 论是气源还是水源热泵，都是如此。 一般以热泵系数 COP 来衡量制热成本。工业化的热泵实践中，COP 一般只有 3-4，即每花费 1kW 的电能，可以获得 3-4kW 的有效热能供给。 在采用了热泵工艺的福航方案中，吨水蒸发量的总电耗为 50-70 kW，减去纯动力电消耗（输送、 翻抛）的 20-30kW/kg 蒸发量，分摊在制热的电耗为 30-40kW，以 COP=4 计算，最多可获得 120- 160kW 的热能，即升水蒸发量靠废热的补充量为 100-140 kcal