太阳能污泥干化工艺的真实处理能力与能耗.docx

阳光下的迷失——太阳能污泥干化工艺的真实处理能力与能耗

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60-80kW·h，而传统的热干化技术需耗电为800-1060kW·h”……
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：< 0.100的29个，占49%；介于0.100~0.150之间的22个，占37%；介于0.150~ 0.200之间的5个，占8%；>= 0.200的3个，占5%。
仔细研究这些案例，会发现介于0.100~0.200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700~900公斤水，即0.08~0.10 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3000~4500 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（ 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/kg，这一数值仅相当于低温干化所需热量的6-8%（120/1757），远低于实际需求。换句话说，如果确实是采用热泵进行废热的回收，吨蒸发量50-70 kW的电耗可能是远远不够的。

五、结语
太阳能干化在国外已经有十几年的应用历史，属于成熟的节能技术。它有能耗低、运行简单的优点，也有处理量、占地大的缺点。关键在于适用对象的选择。
国内企业对这种技术的应用尚在摸索阶段，应该说还远未成熟。但宣传口气之大，技术数据之离谱，真实信息之匮乏，让人实在难以置信。
在笔者看来，污泥处理技术是否有“革命性”，甚至技术有无创新，都已经不重要了，重要的是有没有讲真话的勇气和道德。
网友都明白，明明是转帖，就不要打出原创的牌子。明明是别人的技术就不要挂出“自主研发”的羊头，何况连羊头带狗肉都是注水的。
在我们这个最会考试的国度里，作弊虽说有违考场纪律，但却变成了最吃香和获得个人成功的不二法门。假学历满天飞，大家已经习以为常，见怪不怪。假专利满天飞，目前还没有人说什么。学历之假，在于未“学”而有“历”；专利之假，在于技术非“专”而利被“专”。
其实“学历门”与“专利门”是一回事，之所以要假学历，因为颁发学历的学府具有某种权威性和可信性。之所以要假专利，也是因为颁发专利的机构也有类似权威性。学历也好，专利也好，都只不过是因为这个社会的人太缺乏诚信了，才需要某个权威来给自己做个伪证罢了。在今日中国，既然什么都可以花钱买到（道德和良心除外），“自主研发”招牌，X个“国家专利”云云，也就毫无价值了。
不过，既然是抄，也要抄对才行，不能抄得连自己都不知所云。山东这家太阳能干化能比德国技术的效率高出数倍，动辄“日处理污泥200-2000吨”，借用那句网络名言，不管你信不信，我反正是不信的！