——美国SlurryCarb低温碳化工艺的能量输出问题

 

【摘要】讨论了一种叫做“低温碳化”的技术。文章列举了主要资料来源，提出了对这种工艺进行热工分析的思路和方法，并给出了依据资料所制作的完整的物料和热平衡图，对该工艺所提出的能量净输出概念进行了讨论。

       目前，污泥领域研发的新技术中，“碳化”一词是较为抢眼的一个。有所谓“高温碳化”、“中温碳化”和“低温碳化”之说（见中美环保科技交流网论坛上的文章《美国SlurryCarbTM污泥低温碳化工艺介绍》）。笔者在研究了这些碳化工艺后认为，所谓“低温碳化”在工艺原理和过程上，其实与热水解是相同的，倒是与真正的碳化、气化的工程理念有较大差别。EnerTech公司将其命名为“SlurryCarb”（液碳），更多的可能是从产品角度来定义的，因为热水解的结果，使得最终产品的碳含量相对上升。如果从工艺制程角度，以“间接加热型热水解”来命名似乎更为恰当，更能体现这种工艺的实质和技术特征。

       美国EnerTech公司早在上世纪九十年代就开始研发这种技术，1999年他们得到了美国能源部的支持，与美国能源技术开发中心达成协议，准备在新泽西州建设一个60干吨的工业级装置，这是在其已有中试装置基础上，进一步实现工业化的前奏，为此特别聘请了专业工程设计、锅炉和电气公司共同研发，项目初期的预算达2000万美元之巨。但一直到2006年EnerTech获得加州项目为止，新泽西项目似乎都没有执行，此间只有三菱重工得到许可在日本做了一个中试项目。

       从EnerTech公司的研发历程上，可以看出这种技术之来之不易，它涉及到很多比较前沿的技术准备，特别是高压泵送、高浓度物料换热器选择、高压阀门的控制等。深入到技术层面去考虑，就会发现这一技术的装备水平远远比直接加热型（即蒸汽注入方式）的热水解要复杂得多。这一工艺专利的完善大约是在2005年，专利内容非常全面和具有详细工程化的特征。据称，加州项目执行下来，做过多次重大修改。这些都说明，一种新技术的研发绝非等闲。

       在国内，天津机电进出口大约在2006年开始研发类似的技术，2009年被评审为“国际领先”，目前正在山西晋中市实施首个100吨/日级别的污泥处理项目，即将投产运行。

       根据报道，加州项目已于2009年上半年投产，2010年运行了一年，其间对多项设备进行过改造，到目前为止，运行良好。本文根据有限的资料，拟对这一技术的综合热工性能进行一个分析，以了解这种技术如果在国内应用，其处理成本定位如何。

       出于笔者个人能力方面的限制，以及所用资料不一定有代表性，这一分析结论也就不一定正确，还望读者认真鉴别。

      

一、资料来源和依据

关于此项技术，EnerTech的保密工作做得较好，至今尚没有工程的具体参数、数据被泄露出来。厂家所公布的热平衡，有几个不同的版本，但都是经过加工的极端简化版本。具体如下：

 

1、April 30, 2009 CWEA Annual Conference Palm Springs, CA

此版本与January 26 & 27, 2010的CWEA Specialty Workshop Biosolids Management in California

Whittier & San Francisco, CA相同。

http://s15/mw690/6e4fedaftcc643d0a222e&690

 

2、September 14, 2009 at 5th Canadian Residuals and Biosolids Conference, Niagara Falls, Ontario

http://s3/mw690/6e4fedaftcc643e13f632&690

 

 

3、October 7, 2010 at Air and Waste Management Association Fall Conference Atlanta, Georgia

http://s9/mw690/6e4fedaftcc643f37aea8&690

 

4、September 28, 2004 at SCAP Workshop - Perris, California

http://s1/mw690/6e4fedaftcc64401d9710&690

 

5、June 2, 2008 at BACWA Biosolids Workshop San Leandro, CA

本例同于Carbonization technology converts biosolids to an economical, renewable fuel

一文的数据。

http://s16/mw690/6e4fedaftcc6441332c9f&690

 

6、EnerTech的SlurryCarb专利

       该专利详细列出了主要工艺流程和各点的大致温区。

 

7、Saving by Design

真正让笔者了解此工艺的是加州Rialto项目参与的一个设计节能计划。通过这一优化设计，加州项目可能实际采用了一种逆流式的双换热器设计，两步返混，对污泥进行间接给热。这一设计所给出的温度和流量概念，为笔者解开谜底提供了基本依据。

http://s5/mw690/6e4fedaftcc6444681e14&690

       值得注明一笔的是，此图中所给出的数据并不完整，也不准确。

 

二、基本条件与解题思路

 

1、基本条件

这个项目的设计值有多个不同的说法，有883吨/日，有857吨/日，有801吨/日，有700吨/日，有675吨/日，有621吨/日……。由于883吨的说法有一个比较明确的物料平衡，因此选择以此为基准进行分析。

湿泥含固率为22.3%或22%，对此所有资料基本一致，这里选择22.3%。

干基污泥量为197吨，最终热水解处理并经脱水、干化后形成的产品为干基179吨，含固率93%，因此产品量为193吨/日。

 

2、解题思路

间接加热的热水解，除了加热形式与直接蒸汽注入方式不同外，在热水解原理方面应该是类似的，都是通过高温、高压，使得细胞破壁失水，从而改善污泥的脱水性质。在热工原理上，就是利用水在高压高温的亚临界状态下的性质，在液态形式下进行加热、换热、输送和反应的。因此，所需使用的就是一张不饱和水和蒸汽性质表。

 

根据以上数据和图表，对整个系统做初步分析如下：

n         系统由四个热工分系统构成，即：混合器、预加热器、反应器和高温换热器；

n         需对四个分系统分别进行热平衡，因此需要确定各分系统的入口流量、温度值；

n         各系统的进出口温度虽可基本确定（经校验，有些值是错误的），但无法了解料液的含固率构成，也就无法进行有效的校核；

n         由于水解过程中有机质有部分水解和气化，反应器前后的含固率均为未知量；

n         在混合器出口、反应器出口所形成的闪蒸汽量未知；

假设反应器出口含固率为一个定值，根据所给出的温度值和各种能找出的物料质量关系进行核算，发现该图上给出的这些数字是无法实现热平衡和物料平衡的，因此判断此图可能并非真实数据。

基于以上难点，笔者对此项目的研究停滞了数日，不过最终还是找到了一种解题的思路，并得到了满意的结果。主要考虑如下：

n         根据上面给出的二氧化碳气体生成量，可以假设为一个数值；因为此值对设计者来说也是不定的，资料上为输入干基量的3%或10%，这里先取3%，也取10%进行演算；

n         根据项目实际运行的物料量统计值，可以假设一个干基水解率；根据给出的简化热平衡，也可大致推知这个值，这里取6.1%；

n         反应器出口含固率可以设为10~24%之间任意一个定值，此时混合器入口的含固率就可以确定了；

n         将反应器出口回流到预加热器的流量、反应器出口流向高温加热器的流量、反应器出口闪蒸汽量、生成二氧化碳气体量、混合器出口闪蒸汽量、预热器出口温度分别设为未知量；

n         分别建立四个分系统的物料平衡和热平衡，联立解出；

计算较为繁复，这里从略。

 

三、技术特征及取值的讨论

 

1、间接换热的湿泥调配后含固率

       调配后含固率指采用脱水上清液或清水对汽运来的已脱水后湿泥进行稀释后的污泥。

众所周知，污泥的一个重要特点是粘性和流动性问题。含固率越高，流动性越差，这对以间接换热为基本特征的工艺来说，尤为关键。加州项目上采用了特别开发的高压大流量泵，但具体参数如何，未予公布。

       笔者试算了10%、15%、16%、22.3%等几组参数，发现项目的热能消耗有很大差距（22.3%时水解部分的能耗为36.5 GJ/h，10%时则需要65.4 GJ/h），含固率越低，能耗越高。显然，在可泵送的前提下，以不进行稀释为佳。但不稀释，物料粘度和粘壁的问题可能就会存在。

 

2、反应器前后含固率

笔者的一个重要发现是，采用这种间接换热形式的热水解，由于返混比例极高（大量物料从反应器经高温换热器进行加热后回流反应器，部分物料从预热器又回流到混合器中，干基返混比为6.6以上，即新泥1 kg.ds/h，需返混5.6 kg.ds/h），没有直接加热法的蒸汽注入，相反，倒有闪蒸汽的排出，再加上水解率有限（根据实际运行参数推算的干基水解率只有10~15%），因此反应器前后的含固率差很小（不到一个百分点，即如果出反应器是22%的话，入也就22.01%）。

这意味着，大量物料如果需要间接换热的话，可能不得不考虑流动性问题，特别是高浓度时可能造成的挂壁现象。

因此，笔者猜想，间接热水解技术很可能必须对湿泥进行调配，降低其含固率，以使反应器出口的含固率低于15%甚至更低。

本文的分析假设反应器出口含固率为15%。

 

3、系统的温度与压力选择

       专利给出了多个位置的温度和压力区间，但这些数字均非常宽泛。笔者试算了一些不同的温度取值，但最终发现，其实这些温度的选择是受工艺步骤、设备条件限制的，比较易于确定。

首先，多级换热，包括两次返混，已使换热器的负荷大大减轻，四个热工工艺设备的衔接逻辑也必然会支持这样一个温度从100-120度到130-140度、再到200-220度、最后到240-260度的梯级过渡方案。

其次，常规设施和做法，也可以理解这种安排的合理性，如减压一般就在0.2 MPa左右，那么这里安排110-120度就相当合理；接下来的间接换热，出于热端流体的温差考虑，也可了解这种换热后的温差不会超过15-20度；之后采用了返混，才能将温度突然提高80度以上，从130度到了210度；最后，高温返混的加热，是依靠导热油的，目前成熟的导热油工作温度也就在300度左右，因此选择冷端不超过250度的出口温度、不到40度的温差，也就是顺理成章的了。

压力方面，温度一定，则压力也就随着定了，更多的选择其实也没有必要，给出再大的区间，无非都是障眼法罢了。按照这里给出的温度，系统的主要部分均在1.8 MPa下运行，只有一段到了3.6 MPa。

 

4、污泥热值与相应的脱水含固率

       根据设计，脱水应该达到含固率50%。实际运行结果，离心脱水的含固率在43%以上（EnerTech May 2011 NewsLetter）。本分析仍按50%考虑。在脱水效果改善方面，看来比直接加热法的效果更好。

       根据设计，179吨/日的干基污泥量，产品E-Fuel的热值相当于2327mmBtu，折合干基污泥热值3279 kcal/kg.DS，此值应该说非常的高，如果折算为挥发性有机质含量的话，加州污泥的有机质含量恐怕要在75%以上。这一数据在探讨国内污泥处理成本时需要考虑修正。

 

5、上清液的处理及其沼气产出

由于大量有机质被水解，进入液相，加州项目的能量平衡中考虑了将这部分能量回收。其方法是建设一个IC装置，对上清液进行厌氧消化。

从给出的沼气能量看（274 mmBtu/d），折合到水解物质量（197-179=18 tds/d）上，为16770 kcal/kg.VSSr。这是不可能的。从这一数值猜测，其沼气产出量可能只是一个理想化的假设而已。       不管怎么说，分析中还是按照此值考虑，可产生甲烷含量60%的沼气12212 m³/d。

 

6、干化的能量需求

       在简化的热平衡中，项目所耗用的天然气热值为1046 mmBtu/d，从干化后产品热量同时给出这一点看，此值应该是包含了污泥干化的热能消耗的。

       但实际核算的结果，所给出的能量差距较大。EnerTech商业宣传中所提出的这些数字是否靠谱，只能通过计算进行求证了。

       这里假设干化采用了一种直接加热式的转鼓干燥，笔者假设其最低热耗可能在725 kcal/kg.H₂O。

 

7、电能消耗

       根据EnerTech的两个简化热平衡图，电耗具有极大的差异。

       在883吨/日项目中，日电耗为40.1 MWH，相当于每小时1671kW。而在400吨/日项目中，日电耗居然为60 MWH，比前者高了50%。

这里取较低的数字。电能折算为热能需考虑实际发电系统的平均热效率，以污泥焚烧看，较为合适的取值为23.4%，则电能消耗为

40.1 MWH * 1000 / 24 / 23.4% * 860 * 4.1868 / 10^6 = 25.7 GJ/h

 

8、项目能量的净输出

       SlurryCarb工艺的核心卖点是，污泥经过这种处理，可以成为替代燃料，而它与热干化相比，具有极大的成本优势，热干化是无论如何需要耗能的，而SlurryCarb项目可以有净产出，且产出量几乎与自身能量总耗相当！

       这一说法值得商榷。

       首先是比较对象和比较基准的问题。如果把污泥自身的热值作为输出，那么干化也有可能做到有能源的“正”产出，只需将污泥热值和干化废热这两项回收计算进来即可。

       就本例而言，将883吨含固率22.3%污泥干化至92.9%，所需天然气能量为

       883 * 1000 / 24 * (1-22.3/92.9) * 660 * 4.1868 / 10^6 = 84.0 GJ/h

       电能消耗为

       883 * 1000 / 24 * (1-22.3/92.9) * 0.082 /23.4% * 860 * 4.1868 / 10^6 = 35.3 GJ/h

       某些干化可回收高温热水，其回收率为60~70%，则

       84.0 * 60% = 46.4 GJ/h

       污泥以干基低位热值3279 kcal/kg考虑，热值为

       179 tds/d / 24 * 1000 * 3279 * 4.1868 /10^6 = 102.4 GJ/h

       如此一来，纯粹热干化似乎也可实现能量输出

       102.4 – 84 – 35 + 46.4 = 48.3 GJ/h

       滑稽的是，热干化的能量输出居然会比热水解干化的还多（见热平衡图）！不过，到目前为止，似乎还没有哪个干化厂家这么宣传。将污泥热值计入干化项目的提法总体看有些牵强。

其次，SlurryCarb的能源消耗是否真如所宣传的那样低。根据笔者的计算，该工艺可以有正产出，但量要少得多，且它是以原生污泥有机质高为基本前提的。

 

9、有机质水解氧化

       在高温高压条件下，部分有机质将发生水解。在充足的供氧条件下，可能产生氧化反应，形成二氧化碳。基于SlurryCarb的工艺条件中没有注氧这一环节，因此本计算中暂不考虑氧化产热，假设有机质水解后进入了液相，并全部回流到污水处理厂。

 

四、物料和热平衡分析

http://s5/mw690/6e4fedaftcc644623e544&690

 

       如图，物料和热的分布可满足平衡的要求，但能量输出的量比所宣传的少很多（热损失取2%）。

       一开始，笔者怀疑自己的计算有错误，但检查各个单元的物流和能量都是可以平衡的，也实在找不到原因。后来比较了EnerTech的一些商业资料上的算法，怀疑问题可能是过于简化了能量平衡，没有考虑各个步骤的换热损失，特别是冷却一段的热量损失。仅冷却部分粗算就可能产生大约17 GJ/h的热损失，这部分热量是基本收不回来的或不怎么值得回收的。

 

五、成本简析

加州项目投资了1.62亿美元，美元人民币汇率可取为6.7元/美元，则投资相当于10.8个亿；

项目的实际设计处理量应该在700吨以内。经过一年的试运行，2011年5月官方公布的消息称，实际处理量平均达到了300吨，也即仅相当于设计值的不到50%（这一点人家绝对诚实！）。就单位投资来说，即使以883吨的最大处理能力来计算，这个项目的日吨规模投资也超过了120万元人民币。

这里假设在华实施的成本可以大幅度降低，为美国成本的1/3，以吨投资40万元/吨·日来计算，其它数据取《污泥热水解消化工艺的性能与成本解析》相同的经济参数：电价0.75元/千瓦；天然气价格3.2元/立方米，热值8400 kcal/kg，锅炉热效率85.4%；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%；无药剂成本，不计处置费，经热水解、热干化的污泥免费送水泥厂焚烧处置。湿泥量按照20%含固率，883吨含固率22.3%的污泥，折算“标准湿泥量”985吨/日，以此为基数进行分析，则这种工艺的直接运行成本大约为185.6元/吨，间接成本（折旧和财务成本）148.5元/吨。

国内两个类似工艺的厂商声称其投资仅为15-20万元/吨·日。根据工艺的压力、温度来判断，要保证安全性和质量，40万是否能打得住都还两说着。执行类似高温高压间接换热的工艺过程，20万级别的工艺和设备最终效果如何，我们只能拭目以待了。

 

六、结语

无论是直接换热还是间接换热，改善脱水、提高消化率、实现非热能减量等方面的优点，是所有热水解工艺均可具备的。

热水解的应用如何做到最佳化，尚需实践经验和摸索。从原理上说，是一个值得研究的方向。

这种技术较为复杂，设备档次和水平均要求很高，即使在能耗上较热干化低一些，但总体运行费用也仍会达到200-300元/吨以上。“天下没有免费的午餐”，一些颇被看好的新技术，如直接加热热水解或这种间接加热热水解，其实也都不会如我们所期待的那么“便宜”。

作为一种刚刚开发出来的新技术，其可靠性、性能以及（相比于干化而言的）节能优势是否属实，也都尚有待实践检验。在商业上的某些超前宣传恐怕有些不确切。

在引言中已略作介绍，这套工艺的开发历时很长，资金投入巨大，工程难点和待优化内容极多，专利保护点考虑得已较为周详。笔者是本着学习的态度来研究的，也希望看好这一技术的厂商不要天真地以为这个技术很容易抄袭或剽窃，事实恐怕恰恰相反。

基于这种工艺的复杂性，一般客户恐怕难以索解，本文抛砖引玉，算是给对此技术感兴趣的读者提供一个初步解答。对与错，无关紧要。正确的解读，还建议向提供这种技术的厂商直接咨询。

 

泥客庄主

2011年9月5-14日稿

2012年10月19日贴出