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水热干化的成本浅议

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学社编辑 发表于 2019-9-3 10:11 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
在国内,清华大学隆重推出的水热干化技术,迄今只做了三个示范工程(2003北京北小河40吨/日、2009东莞30吨/日、无锡10吨/日),目前这三个工程实验完毕后均已停运。工业级应用尚未见报道。& a2 G: z& r# ^# k2 {2tech.cn
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该技术推出之际,媒体炒作十分热闹:“水热干化技术为污泥处理撑开一片蓝天”(2007-9-28 中国水网)、“水热干化技术污泥处置闯新路”(2007-10-16 中国环境报)、 “水热干化污泥处理技术的新空间”(2007-12 环境杂志)、 “污水厂污泥处理的出路在哪里?”(2008-06-23 科技日报)、“清华大学教授27载破译污泥处理技术瓶颈” (2009-03-10中国固废网)、“水热干化技术破解污泥脱水难题”(2009-04-09中国环境报第6版)…… 不了解该技术的读者,可能真以为清华大学的教授在冥思苦想了27年(比少林派开山祖师达摩的面壁十年还长!)后,豁然开悟,破解了一道世界性的难题。4 B/ g0 s, t. h4 _2tech.cn

9 I- Y5 a6 @( g       其实,所谓“水热干化”,就是应用热水解进行的一次物理调质罢了,这种技术的应用已有数十年历史,与前面曾讨论过的“高级厌氧消化”的第一级热水解原理一模一样,都是在高温、高压下,实现细胞破壁,有机质溶出,从而改善后端处理的效果。后端处理可以是厌氧消化,也可以直接脱水,再有就是碳化。
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       说得好听一点,水热干化算是“热水解”+“脱水”的一种“新技术”;说得难听一点,水热干化其实就是一项“半拉子工程”,成本、处理效果远没有高级厌氧工艺那么好,甚至也远不如高浓度消化。
* s0 E1 w  }5 K       闲话少说,还是直入正题吧。$ x* `8 |* O1 n# \' C) w2tech.cn
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一、资料和方法

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本文的参考资料是:
- r; Z. ~  }' p1 h$ _) q0 X% M) F; C$ v① 2009.5王伟在无锡“全国污泥处理处置技术交流与创新融资研讨会”的发言《城市污泥处理处置的关键问题与水热处理技术》;4 r0 Y! o- {! F4 k2tech.cn
② 万晓等《城市污泥水热干化处理技术》;( E! j* b, T9 `( n/ j2tech.cn
③ 清华大学专利:a) 城市污泥的处理方法;b) 一种剩余污泥的处理方法;
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基于前序(《污泥热水解消化工艺的性能与成本解析》)所描述的方法,输入不同温度值或参数,即可对三步热水解工艺(浆化-反应-闪蒸)进行计算。
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二、数据辨析与计算结果
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1、热水解基本数据4 C) @- l9 w, J1 ^- x* @2 u2tech.cn

, u. E+ f$ `! X5 _在资料①中,列出了一个每日30吨/日水热干化下面的物料和热平衡(东莞),感兴趣的读者可以下载来对照比较。基本参数如下(括号中为《污泥热水解消化工艺的性能与成本解析》中的对比工艺数据):
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7 R2 g  T% t& ^+ ?: D浆化工艺温度:100度(97)" o/ k4 }. p& g6 }5 ?: i& j2tech.cn
反应工艺温度:180度(170)
& W* P9 B, C% n) N  ?- G  A闪蒸工艺温度:110度(102)
! z: c. E6 c) K2 f. v热损失:5%
" n! Z6 L, u; P- N浆化入口含固率:10%(16%)8 a8 W2 ~/ {9 ]' w/ J5 T) u- V2tech.cn
闪蒸后固体浓度:6.7%(10%); X% D( A# s7 H2 P* [4 x' ~$ @  n2tech.cn
蒸汽参数:0.7-1.0 MPa(0.6 MPa)
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2、真假热平衡! H% ~0 s+ a9 g2tech.cn
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       根据最终固体浓度,笔者判断设计者可能考虑了入口干基有机质含量60%、水解率30%。此时最终浓度约为6.8%。4 }; Z# `" z. P" w; T- U% K: ]( P, H2tech.cn
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       根据给出的蒸汽焓值(相当于1.5 MPa的饱和蒸汽),笔者采用了1.2 MPa的饱和蒸汽参数进行计算,得到的结果,与设计者给出的新鲜蒸汽量完全吻合,每日消耗新鲜蒸汽6.19 t/d。* Q( b2 d- W. o! {2tech.cn

/ n7 q& ^( A1 g5 Y# h6 i有关闪蒸汽量的分配,与笔者的计算不同。按照笔者的计算,应该有大约4.4 t/d的110度闪蒸汽进入了浆化罐;但是按照清华大学的设计,闪蒸罐产生闪蒸汽5.21吨/日,全部输往浆化罐,其中0.56吨过剩排放,4.65吨进入浆化罐。
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( J1 J& q- i3 j- I9 ^- ~) V- @2 R" \这里存在一个问题:如果要让闪蒸罐产生5.21 t/d的闪蒸汽进入浆化罐,意味着闪蒸罐内的液体一定不到110度。如果确实是在110度下(0.143 MPa)闪蒸的,此时可维持110度闪蒸汽的品质,但其数量一定到不了5.21 t/d。
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对原热平衡进行分析会发现,图中所标的5%热损失与实际标注的各段热损失(0.5/0.6/0.7GJ/d)是没什么关系的,换句话说,这个热平衡并非是真实的热平衡,而是人为配制的,图上几个数字虽平,但实际计算起来对不上号。脱水泥饼和上清液的热量也是如此。, L2 S7 W2 r' \, n  W% d9 A2tech.cn
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对热平衡上的偏差,笔者这样认为:该工艺是个示范工程,能否实现连续运行,尚未可知;其最终目标是脱水,未见对污泥采用换热器进行冷却换热,而是一步去了所谓的“水热离心机”,因此判断它可能采用了进一步自然降温冷却,将其冷却到80度。从110度降温(带压)至80度(常压),会继续产生部分闪蒸汽,这可能就是总闪蒸汽量5.21 t/d的由来吧。
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3、脱水含固率
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1 T0 f) A* \4 e; u% B+ T; }       按照东莞项目的设计,水热干化可以实现含固率45%以上。
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2 X6 H; `% D* B* R$ H' [       在《污泥热水解消化工艺的性能与成本解析》中提到的高级厌氧消化,经过热水解和消化两道,其实际可保证脱水含固率也就30%。水热干化未经消化就能达到45%,可能只有东莞项目才能如此吧(注:原东莞污泥为一级强化,有机质含量极低)。
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% j5 F; y8 x% _1 |有机质含量低于45%的污泥,不做任何预处理,离心脱水就可达到含固率35%以上(可咨询任何德国离心机厂家)。何况东莞污泥的有机质只有百分之二十几!如果将东莞项目这一特例数据作为水热干化普遍可实现的保证,恐怕就过于理想化了。有关北小河、无锡项目的实际脱水效果,目前尚未见任何公开的数据加以证实。( j) K4 H. Q- a+ N* f2tech.cn
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       根据国外报道,进行热水解和消化处理后,脱水效果只能提高大约8个百分点(P. Camacho & etc. - Combined Experiences of Thermal Hydrolysis and Anaerobic Digestion – Latest Thinking on Hydrolysis of Secondary Sludge Only),即如果原来用离心机脱到20%的话,水解消化后也就28%。
8 _: W1 r7 \1 `( P9 a很难相信水热干化能够实现的脱水含固率会大大好于经过热水解和消化两次处理的项目。
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4 \& P4 A# Z4 k! Q$ V4、热量消耗- g* f- w: ~& u1 r) x2tech.cn
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       水热干化是以“干化”为目的的,比较对象自然是所谓“高能耗”的热干化。
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# j5 M- L2 a. p       水热干化的推荐者一直在宣传一个不甚确切的说法:水热干化的能耗比热干化低一大截,能形成如此差距,是因为热干化的蒸发需要耗费相变潜热。他们举例说,如果将一吨污泥从含固率20%干化到50%,热干化需要热能净耗为1.56 GJ(相当于升水蒸发量620 kcal/kg),而水热干化无需相变,因此加热量很低,仅0.42 GJ,相当于167.2 kcal/kg,只有热干化的1/4②(亦见王伟2007水业高级技术论坛的访谈报道)。
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; H. @8 W* O0 _5 v  u       对此进行一个简单计算,就会发现这一说法并非事实:水热干化其实也会是很耗能的。7 l( ~6 o: Z6 Q$ Y2tech.cn
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       仍以30 t/d项目为例,按设计者的假设,有机质60%中有30%的有机质水解,则每日干固体量为30 t/d * 10% = 3 tds/d,有机质水解量为3 * 60% * 30% = 0.54 tds/d,则剩余干固体量2.46 tds/d。
6 g5 M" G* n" K       按照设计的脱水含固率45%,形成脱水污泥约2.46 / 45% = 5.5 t/d。# _, x( c/ i  M# N* I2tech.cn

$ h& F$ L0 R8 |. x% S8 m       以含固率20%为基准,水热干化前的污泥量为3 / 20% = 15 t/d;处理后减少水分(与热蒸发对比)15 – 5.5 = 9.5 t/d,消耗高品质蒸汽6.19 t/d,以蒸汽有效热值650 kcal/kg计,水热干化所形成的升水“蒸发量”热耗为6190*650/9500 = 422 kcal/kg。
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       基于前面的讨论,在非东莞类型的项目上,最终脱水含固率如果达不到45%,只能达到28%的话,其升水蒸发量就会达到647 kcal/kg,与热干化相比,巨大的热耗优势其实并不存在。
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5 h! e5 D0 `. j; S% ~5、投资与运行成本估算
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$ i  k2 X# R, O' @0 e       如果了解水热干化的投资水平(东莞项目20万元/日吨,见北京建坤伟华网站),水热干化的成本就不难计算。) s2 B& f, w/ @! W4 [2tech.cn

% |+ o9 u, U' @/ Y0 I& y* K$ x5 ~& @       在东莞项目上,水热干化的电耗每天为436 kWh②,折合到含固率20%的15吨湿泥,相当于每吨29 度,本文以此电耗为核算依据。
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       取与上一篇《污泥热水解消化工艺的性能与成本解析》相同的经济参数,设项目年处理40000吨干固体。仅经热水解、未经消化的污泥脱水含固率取28%。脱水污泥最终处置成本取150元/吨(不考虑除蒸汽外的水耗)。其它取值如下:
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电价0.75元/千瓦;脱盐水制水成本10元/吨;燃煤价格800元/吨,热值5000kcal/kg,燃煤锅炉热效率75%;雇员平均年薪4万元,定员人数均为20人;年利率5.94%,还款付息期10年,复利计算;维护成本按总投资额计算,系数2.5%;消化系统脱硫药剂成本按湿泥折算,每吨10元。
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9 I4 R2 K/ ]* s0 y! I" |& c6 [成本计算结果如下:水解蒸汽耗量226 t/d,燃煤耗量39.0 t/d,电能消耗15929 kW/d,处理后污泥量321 t/d,总投资10960万元。- ^4 K8 O& ?4 E' k3 N6 D* g2tech.cn
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0 |1 i) \; ?( p" y' s& [$ t2tech.cn
不计处置费用
计处置费用
吨湿泥直接成本
元/吨
106
193
折旧财务费用
元/吨
70
70
综合成本
元/吨
-176
-263
0 C& O" @" p$ P. |" m) W1 B( [2tech.cn
      不考虑脱水后污泥处置费时,直接运行成本106元,此值与推荐者的数据有所出入②(94元/吨),主要区别在于热耗的计算基准不同。该设计采用的蒸汽为160元/吨,如果考虑燃煤锅炉热效率75%、热电厂制热成本和利润(假设燃煤成本占总蒸汽售价的60%),燃煤价格仅有475元/吨!以目前南方地区煤价论,160元/吨蒸汽是不可能的。; C$ v9 E7 d' G& v9 O' o# P: G2tech.cn
       将以上成本与其它工艺进行比较,水热干化便宜与否,请读者自行去判断吧。
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三、结语——小议污泥领域的“自主创新”
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污泥的热水解技术近年来目前在国外发展很快,从项目规模看已相当成熟。国内利用此技术的所谓“水热干化”其实只是这种技术的一种不完整应用。从发展水平看,一个已相当成熟且大规模工业化,一个还只是停留在中试水平。
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其实,从专利的申请时间和内容看,这种差距已经存在。) ^+ E/ y* T: A' d# N, Y  I2tech.cn
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国外两家公司(Cambi和Veolia)的专利时间更早(均在2001年以前),专利保护的内容更多为热水解的核心——工程化概念,如浆化-反应-水解的次序、时间和控制条件等。& T( V+ V1 ?- u0 D2tech.cn
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清华大学的第一个相关专利是2004年4月提出申请的,内容是热水解后,采用序批式厌氧反应器以12-24个小时的周期进行厌氧处理。12月的第二个专利申请,增加了向反应器充氧与否、换热器热回收、对上清液采用UASB反应器进行处理等概念。清华专利内容还停留在大致的工艺路径方面,特别是两个厌氧处理的概念,都是没有什么工程化意义的。5 K) D& z+ R/ m2tech.cn
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将国内外专利的时间、内容进行比较,谁抄了谁的概念暂且不论,在热水解技术方面,至少我看不出“水热干化” 有哪些创新,对未来工程化有哪些自我保护。就这样一个技术,换着名义不断入选国家863计划,多次得到国家的大笔资金扶持,但工程化进展缓慢,究其原因,恐怕都是“浮躁”二字作怪。1 O5 |3 t- T5 h1 u4 g! ^: Q. H2tech.cn
清华大学守着国家最大的学术资源库,把着国外学术资源库的入口,在清华园内只需上网两分钟,就能下载到大量国外技术文献,把国外类似技术了解个底儿掉,何以要花27年时间面壁苦思(让记者给忽悠了?),最终还弄个非驴非马的解决方案,这一点真让人觉得不可思议。
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% I7 h9 C5 k, h4 [9 q' Q最后,来一点议论。注意,这里不是针对水热干化的发明者的。
: x- c: d8 P; p: Y# K笔者一向十分赞同国家扶持自主创新的政策。但是,到底是真创新还是假创新,不是发明人自己吹的,也不是注册了中国专利、美国专利就可以证明了的(如今是交钱就注册,查重谈何容易!),更不是攒一批隔行如隔山的专家来开鉴定会一起糊弄领导就行了的。创新是要通过工程化、产品化来获得市场、大众认可的。可行与否,可靠与否,运行成本是否真是那么回事,都要接受长期工程检验。# X: k$ V0 j% }0 N! X; {2tech.cn

* p2 I% C/ P) O3 n/ X$ _' a: g, l然而,现在的问题是,环保项目特别是污泥、垃圾等废弃物的处理,多以政府投资、付费为主,于是各种“新技术”就蜂拥而至,其典型的特征是从一开始都不说实话,编出各种各样古怪的说法、名词,把一个很简单的概念,描述得玄而又玄、谁也不懂,用各种瞎话、谎话、昏话、蠢话来包装自己,能骗一个就骗一个,能骗一群就骗一群。忽悠出来的东西,一个比一个的处理效果好,一个比一个“先进”、“领先”、“自主”、“节能”,而且处理费用还一个比一个便宜,且都顶着国内一流学府的光环,拿着科技部、建设部的各种资金当课题费,雇一群乳臭未干的研究生当不要钱的民工,弄个运行不了几天的项目,最后开个结题会评审一致通过了事……。如此“科技创新”,大有当年“放卫星”的劲头,就是少了一分现代科技所要求的诚实。
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       国家鼓励自主创新之“自主性”,已成为某些向国家要钱专业户祭出的不二法宝,哪怕这个技术是抄的,特别是抄老外的,一定要打上“自主”的标签,这和弄一张假洋博士的学历证书颇有几分相像,在往自己脸上贴金方面,两者有异曲同工之妙。( A4 O0 U: o( ~* Y, E% g/ ]4 K0 {2tech.cn

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