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污泥造粉工艺解析(2011-12-31 23:00:00)

2012-4-15 22:18| 发布者: admin| 查看: 2362| 评论: 1

摘要: 首次知道这个技术是2009年7月从一个专业论坛上看到的介绍。文称:“领跑国内同行的污泥处理技术 —— 污泥脱水造粉技术可将任何含水率的湿污泥,经改性处理及专有的高压板框脱水机,脱水至含水率40%以下的半干化泥饼 ...

首次知道这个技术是20097月从一个专业论坛上看到的介绍。文称:“领跑国内同行的污泥处理技术 —— 污泥脱水造粉技术可将任何含水率的湿污泥,经改性处理及专有的高压板框脱水机,脱水至含水率40%以下的半干化泥饼(20-30分钟),再经污泥脱水造粉设备将半干化泥饼干燥成含水率5%-20%稳定污泥干粉(5-8分钟),然后根据各地市场需求和当地有关辅料供给状况,生产成“绿色粉末燃料”、“高效脱硫剂”、“吸附剂”、“工业填充料”、高效复合肥等各类资源产品,达到变害为宝,真正使污泥处理实现无害化、减量化、稳定化、资源化的目的。该技术的出现填补了当前污泥处理的空白,具有划时代意义,是真正污泥处理一步到位的无忧技术”。

查阅推广公司的网站,可看到如下的宣传词句:“本项目解决了国际上污泥处理的技术难题,实现了几代人污泥处理资源化的梦想;……在国内外的同行业中,本先进技术将为企业带来的效率将几倍、甚至几十倍于其它企业。……随着该项目的对外公布,外国友人都会十分希望用此技术提高自身的能力,而国内的有关领导和业内人士原来都盼望国内有新技术,国外能通过某种合作或交换,引进新技术,在环保、能源、资源的综合利用,循环利用方面解决实际问题,实现科学发展,相信今天也会十分重视和支持本项目……”。

该技术从2009年开始做市场,2010年初就拿下了东莞日处理1000吨污泥的大单。之后不断有报道说该项目即将建成、即将运行,直到20119月才有了一两篇参观考察的消息,证明该项目已进入运行阶段,但有关运行的技术内容未见报道。此间,该技术的推广一直在高调进行,听说不少单位对这种颇有些神秘色彩的技术感兴趣,但又下不了投资的决心。

该技术如何“填补了污泥处理的空白”,如何“有划时代意义”,如何是“一步到位的无忧技术”,如果实现了“几代人的梦想”,如果比其它企业的技术效率提高了几十倍,该技术为外国友人都带来了怎样的希望……云云,如果不对该工艺进行一次技术性的解剖,也就无从了解这些广告词句的真假。

一篇发表在2010年第8期《工业安全与环保》杂志上的由中钢武汉安环院华安设计工程有限公司和西北市政院人员署名的论文《东莞市市政污泥集中处置工程总体设计》(以下简称“总体设计”),让笔者对这个技术有了初步了解。现主要根据这篇文章所提供的数据,尝试对它进行一个解读。

 

一、有关报道和宣传口径

比较全面的技术描述见东莞海旋的网站,为节约篇幅起见,这里不做完整引述,具体内容在讨论时列出,来源于此的以“官网”指代(http://www.dghaixuan.com/esite/dghaixuan/home/about.asphttp://www.hzhaixuan.com)。

可以理解的是,媒体报道限于篇幅,在技术描述时多有省略,无从了解工艺全貌,给人的印象是,湿泥只需一步深度脱水预处理至含水率40%以下,再通过超音速对撞原理将污泥处理成含水率5%至20%的适合各种处置用途的、有价值的污泥干粉(20096月的《东莞市污泥处置工程建设情况汇报》、《广州日报》2010420日“污泥造粉新技术将千吨污泥变身绿色粉末燃料”、《南方日报》2010817日文章“东莞污泥处理处置(东部)中心力争下月试运行”等)。

但另有媒体报道,该工艺实际是三个环节,“经过改性处理,含水率在40%以下的污泥利用太阳能进行24小时的稳定、干化后,含水率将至30%以下,通过制粉车间……” (宝安日报2011-10-10)。

该技术有两个突出卖点,一是“在技术上突破了污泥脱水干燥的瓶颈,采用了既不加温,又不加化学药剂,利用水与空气分子的相容原理,通过改相干化,解决了久久未解决的污泥脱水干燥问题”(最早见于2009-06-12广东环保基金会宣传信息部报道“我会常务副理事长袁征带队考察东莞污泥制粉环保公司”,其实应是来源于官网,其描述为“生产全过程无须加热,无须加化学药剂,纯靠物理手段完成”)。

二是产品具有极高价值,“污泥将变为异型板材等新材料,可广泛用于铝塑板夹心、户外地板、绿化景观花盆的制作中。与此同时,污泥处理过程中产生的化学成分,经过收集可用于制造生物质液态燃料、脱色剂、活性炭吸附剂、除臭剂等物品”(宝安日报2011-10-10

该工艺到底是两段还是三段,到底是用还是不用化学药剂,到底造粉设备具有怎么神奇的效能,能让臭不可闻的污泥一跃而成为进入人类生活各个角落的紧缺化工原料……,种种疑团,在笔者看到“总体设计”一文后,也就不再神秘不可解了。说到底,它不过是又一个具有中国特色、经过深度包装的一种深度脱水技术罢了。

 

二、基本技术原理和特征

根据“总体设计”,该工艺为三段脱水干化:

第一步,脱水,将厂外运来的含固率约20%的脱水污泥稀释,添加化学药剂进行调质后,采用高压板框机进行深度脱水,使含固率提高至60%以上;

第二步,干化,利用太阳能温室效应,将脱水泥饼进行破碎后摊铺晾晒,使污泥从60%含固率提高到70%以上;

第三步,造粉,将摊铺晾晒后的干泥输送至兼具气流和机械破碎原理的粉体磨中进行粉碎,得到含固率85%的污泥干粉,利用颗粒对撞产生的热量实现水分的蒸发;

从宣传口径看,该工艺的神奇体现在不需要加药、加热,即可实现高干度干化。但略微想一想,就觉得有些地方很难说通:干化的实质是水分蒸发减容,三段工艺各自完成了多少比例的减容呢?简单算一下就知道,1吨含固率20%的湿泥从20%60%,减容666.67 kg;从60%70%,减容47.6 kg;从70%85%,减容50.4 kg;三段总减容764.7,其中第一段占87.2%,第二段占6.2%,第三段占6.6%。该工艺的水分去除到底是以什么为主的,不言自明。

第一段机械脱水既然如此重要,那么它与市场上其它“化学调质+深度脱水”有何不同吗?“总体设计”的描述是:“污泥在收集池中经过调理搅拌后, 输送至污泥储存池, 随后泵入污泥改性车间的搅拌反应器中加入污泥改性脱水剂( 质量分数3%) 与水( 质量分数5%) 进行改性反应, 破坏污泥的胶态结构, 改变有机胶体物质的亲水性, 减少泥水间的亲和力, 改善污泥的浓缩性能和脱水性能”。凡看过笔者文章《揭开污泥化学调质+深度脱水技术的神秘面纱》的读者自会发现,实在是没什么不同。这里至少说明一个问题:该公司宣传材料中大肆声称的“不加化学药剂”原来不是真的。

为什么是三段式而非两段式工艺?

前面已说过,在大多数宣传材料中,该工艺一直是以两段为标榜的,这里突然冒出来了第三段,而且仅仅就为了解决大约6.2%的脱水需要,需要增添一大堆机械。简单统计了一下,干化车间有振动式布料机、移动式喂料皮带输送机、轨道式摊翻铲联合机、气动储料仓、活塞式空气压缩机、储气罐、皮带输送机等,共40台套(见“总体设计”)!设备多少还在其次,太阳能干化是以占地大为突出特点的(详后),为了6.2%就这样大动干戈,是否值得?难道其“核心设备”——神奇的造粉机不能解决掉吗?

答案当然是“否”。笔者在一个工业项目上曾用过气流分级设备,因此对气流粉碎为基本原理的粉体磨有些了解。看过何永峰先生的专利《污泥脱水成污泥干粉的工业自动化生产设备》,从原理上可以判断,它确实没有外部热源,即“不加温”,干燥所依靠的主要是高速机械旋转产生的高速气流形成的污泥颗粒对撞、摩擦所产生的热量进行的。但由此产生的热量是多少?到底能完成多少蒸发?量化分析后就可以明白,为什么以造粉为标榜的污泥干化,实际蒸发能力只能解决区区6.6%

 

三、技术内涵

现以“总体设计”的数据为依据,量化分析一下污泥造粉工艺的各个阶段的状况。

1、脱水工序

东莞黄江项目一期处理规模1000/日,湿泥含固率以20%计算。汽运来的污泥进入收集池,进行调理搅拌。按照板框压滤机进泥的需要,一般稀释到含固率8-10%(这里取10%),调浆后送至污泥储存池,随后泵入污泥改性车间的搅拌反应器中加入污泥改性脱水剂,改性剂添加量为湿基的3%,加入水分为湿基的5%

假设改性剂(暂假设为三氯化铁和生石灰等)的平均含固率为20%,则最终进入板框机的混合泥浆具有大约9.17%的含固率,改性剂干基物质添加比例为6%。考虑到东莞污泥有机质仅为40-45%(博友提供的数据),采用该比例的改性剂,应该是有可能实现含固率50%以上的。

这样,第一段脱水所产生的含固率60%泥饼约353.3/日。

收集—改性—脱水三部分总设备大约77台套(其中10套板框机),装机量1330千瓦。以需用系数0.7考虑,升水去除的电耗0.034 kW/kg1330*0.7/27444)。

 

2、干化工序

高压脱水后的污泥由皮带输送机直接运送至污泥干化车间的污泥造粒机进行破碎造粒处理。经破碎后的污泥通过摊铺机摊铺在密闭、透光的干化场内的槽式干化仓,利用自然光晾晒干化,将污泥的含水率降低到30%左右。干化过程中使用翻料机对污泥进行翻抛混合。

太阳能干化后的污泥约302.9/日,含固率70%

这道工序采用了机械40台套,装机量297千瓦。以需用系数0.7考虑,升水去除的电耗0.099 kW/kg297*0.7/2103)。

占地面积对于太阳能干化来说是非常重要的。“总体设计”中只有两期工程的总建筑面积(55799平方米;另据报道,厂区红线内面积为62409.5平方米,用地面积56758.7平方米)。参考一份资料中的“污泥造粉工艺建、构筑物一览表”,太阳能干化车间约占总建筑面积的65%,这就是说,近期工程大约需要建设21335平方米(55799*65%/1700*1000)的温室大棚。以此比例分析,设计太阳能干化工序的蒸发量为2103 kg/h,则单位面积的蒸发强度为0.10 kg/m2.h。此值与国外相同气候条件、无加热的太阳能干化系统蒸发强度类似(参见笔者《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》一文)。

 

3、造粉工序

       官网对造粉工艺原理的表述,可谓十分有想象力:“本项目的技术原理是将污泥改相干化,是基于污泥的溶胀型假塑性胶体性质,依据乳化、塑化原理,通过强力将污泥的分子结构打开,改变泥与水的结合度和表面涨力,并在同一时间,利用污泥脱水机大量吸进的空气为介质,依据干燥机理和相似相溶定理,设置机器内的空气为负压,促使物料的表面水和间隙水的水分子与大量空气瞬间结合,一起排出机外,而物料的内在水在机械运转后产生的一定温度下,由于物料的表面湿度小于内部湿度,促使内在水也同时排出,经集料器气、粉分离,实现了污泥的干化”。

       这段表述的奇妙之处在于,前半句还在描述化学改性脱水原理,后半句就已经变成了气流干燥,两者还居然发生在“同一时间”,一通“干燥机理”、“相似相溶定理”之类的理论词句轰炸,就把两个毫不相干的命题给说成了水乳交融的同一件事,这种理论功底,真是令人大开眼界。且不说这脱水和造粉在时间上本来就是上下游,连空间上占地两万平米以上的太阳能干化都被一股脑忘记了,实在不知道发明这一段妙文的人到底是想愚弄谁。

“总体设计”一文的表述还算靠谱:“污泥干化车间产生的干化污泥颗粒( 含水率约30%) 在污泥造粉车间的造粉设备中通过高速对碰得到塑解,同时,以污泥脱水造粉设备内吸进的大量空气为介质,从污泥中解离出大量间隙水、外表水。污泥干粉与湿空气由干粉分离系统的二级旋风分离器和三级布袋除尘器分离,分离出的污泥干粉由旋转给料器连续排出并输送至储料仓”,但所言的干燥能力没有量化,也就无从了解其效能如何。

事实上,造粉工序必须接受含固率已经高达70%的产品,通过耗费大量机械功将其粉碎,最终产生249.4/日的干粉,使得最终产品含固率达到85%,在设计中,该工序需要使用大约228台套设备(自动脱水造粉机12、卸料器(方型)24、卸料器(圆型)60、螺旋输送机24、提升机12、分料机12、旋风式分离器24、干化净化器48、储料罐12),装机量2447千瓦。以需用系数0.7考虑,升水蒸发量的动力电耗0.77 kw/kg,比典型热干燥(0.07-0.14 kW/kg)的动力耗高了太多。即便考虑与热干化比,它没有热耗的优点,但在干燥领域电耗与热耗的比值应考虑发电效率,两者一般是4倍的差距,即1kW电耗=4kW热耗,如此仍然是不经济的((0.77-0.10)*4*860=2305 kcal/kg)。

极小的蒸发量,巨大的装机量,这种反差,正是造粉设备用于干燥的瓶颈所在。原因不难从文献中找到。陆厚根《粉体技术导论》一书(同济大学出版社1998年版,P133)指出,“许多学者的实验都确认粉碎是效率极低的操作,其有效能量的利用率大约只有0.6-0.3%,这是因为用于粉碎的能量中,约有95-99%以上转化为热而逸散”。每千瓦功耗中,47.6%被物料带走,31.4%被空气带走,轴承齿轮等机械损失12.3%,辐射热损失6.4%。在粉体工程中,物料因粉磨过程中物料颗粒之间的碰撞、摩擦会产生热量,它们是高速机械动能转化而来的,这部分热量从磨机的装机量上看似很高,但分摊到蒸发量上则实际很少,与干燥相关的热量最多占到动力功耗的80%47.6%+31.4%)。

以黄江项目而言,采用12台造粉机,单台装机量160 kW,假设需用系数0.75,单台电机可转换为热能的量也只有82560 kcal/h,对于其干化蒸发需求(单台186 kg/h)来说,升水蒸发量仅能获得大约445 kcal/kg的热能,此值低于常压下热干化的理论热耗,因此,其“干燥机理”事实上是以大量干空气的流量为代价的。

可以把单台造粉机视为一个封闭系来讨论它的物质和热平衡问题。取广州地区年均环境温度22度,相对湿度80%,物料温度为环境温度,假设入造粉机气体为环境空气,离开造粉机时为饱和状态,出口物料与气体等温,不考虑其它散热损失,可求出物料的最大温升应为18度,此时最低入口气体流量4450 m3/h,出口物料及其废气的温度40度(22+18),这应该在实际工程上不难验证。

实际工况中,气流磨出于自身工艺的需要,气体流量是有一定范围的。它可能使出口气体的相对湿度不饱和,如85%时,入口空气流量可能上升为4844 m3/h,出口温度也会升高为约42度。

无论如何,单台4000-5000立方米的废气流量,12台总量就达到了48000-60000立方米/小时,对于2227 kg/h的蒸发量来说,升水蒸发量需要耗用21-27立方米环境空气。它与中温带式干化相比,总搬运气体量可能略少,但废气100%排放,为后端除臭增加了重要负荷。根据“总体设计”,该项目上设置了三套化学除臭系统,单套能力38000 m3/h,造粉工艺废气占了一半的份额。“总体设计”未给出除臭系统的装机和药剂耗,与此相关的装机量可能在150千瓦以上。

总之,造粉设备无论如何与通常意义上我们所讨论的“干燥”还不能相提并论,因为无论是蒸发能力还是能耗支出,不具备可比性。

 

 

四、经济方面

1、干粉真的能资源化吗?

了解了该工艺由三段构成,了解了各个部分的能源消耗和主要能耗分布,不免就会产生一个疑问:这个工艺还有必要运行第三段吗?甚至第二段也属于可有可无,按照现在的时髦做法,“化学调质+深度脱水”已经可以满足环保部将污泥含水率降低至50%以下进行廉价填埋的要求了,污泥造粉工艺除了真能实现它所宣称的神奇的污泥资源化(当然是卖钱喽),在处理费一定的情况下,承包商有何经济动力确保污泥都被干化到85%以上进行资源化处置?

先看看这些“异彩纷呈”的资源化形式吧。

说它是“绿色粉末燃料”的,该自问一下污泥有多少热值,其中的重金属、污染物、病菌是否适合焚烧,特别是作为“绿色燃料”到一般民用锅炉上去烧;

说它是“高效脱硫剂”,去看看以污泥为名义推销类似产品的人的配方,就知道污泥的有效成分能占几成,混进去的污染物占几成;

说它是“吸附剂”的,不妨先想想这种干粉不进行深加工烧结,到底有何吸附作用;

说它是“工业填充料”,不知道诸位买到的家具采用了内含污泥干粉的异型板材、铝塑板会是什么感觉,也不妨了解一下户外地板、绿化景观花盆如果只是填充而非再次烧成,能有什么样的机械特性;

说它是“高效复合肥”,它原本是污泥的正常出路,但混合了大量三氯化铁、石灰类的污泥是否还有这种出路,反而有了疑问;

说“污泥处理过程中产生的化学成分,经过收集可用于制造生物质液态燃料、脱色剂、活性炭吸附剂、除臭剂等物品”,……哎,真是不知从何谈起了。

污泥就是污泥,首先因为它是污染物,因此必须安全处置。造粉技术的推销者赋予造粉后的污泥以各种神奇的特质,但首先抹掉了它作为污染物的特征。

 

2、三段工艺真的会全开吗?

众所周知,单独建设的“化学调质+深度脱水”项目一般投资在10-15万元/吨·日,直接处理成本也就60-80/吨,考虑了填埋费和折旧,顶多100-120元。本项目的处置费220-280/吨,如果实际处理只处理到第一段,则可节约至少相当一部分的运行成本,如果不是脑残,谁都应该可以看得出来。

对此,只能看政府如何来监管这种采用“政府采购污泥处理服务”模式而建设的污泥处理厂了(见《东莞市污泥处置工程建设情况汇报》)。既然污泥最终出路是由中标企业负责的,这意味着政府可能不会监管其产品的最终品质以及最终处置出路,那么,在这样一个处理处置成本极端不均衡的项目中,中标商有充分的自由和意愿去优化其实际处置目标,说白了,就是“偷工减料”,反正你把湿泥给他,他合法地给你处置了(填埋当然也允许),虽说项目他是按照资源化来设计的,核定的处置费也是你和他按照资源化的深度评估的,但实际成本由他自己掌握,你只有掏钱的责任了。这应该是一本不错的生意经吧?

 

 

五、结语

所谓“污泥造粉工艺”实际上以造粉资源化为名、“化学调质+深度脱水”为真正核心工艺的一种污泥处理方法。

该工艺由化学调质+深度脱水、太阳能干化和粉体磨三段构成,而非对外宣传的脱水预处理、造粉干燥两段构成。推销商在宣传上试图掩藏中间一段的存在,并力图给人以神秘、高效、领先的专利工艺的印象。实际工艺原理与宣传内容的差距太大,颇有误导之嫌。

按照公开资料的数据进行分析,三段工艺的效能差别巨大,尤以第三段,即所标榜的造粉工序为低效。

该技术将粉体工业的一项设备用于污泥处理,也许算是填补了污泥处理的一项“空白”,但这些技术都是常规现成的技术,拼在一起是否就有了“划时代意义”,还真不好说。倒是投资和处理费的确是“一步到位”,运行起来“无忧”与否,就看造粉机的磨损情况了,也要看未来东莞污泥有机质上升的趋势如何。这种“经多年的潜心研究”而发明的占地巨大、工艺路线漫长的工艺组合,不知是哪“几代人的梦想”,它“比其它企业的技术效率提高了几十倍”体现在哪里,又为外国友人带来了哪些希望,笔者眼拙,实在看不出来。

该项目以“政府采购污泥处置服务”为模式运营,在处理费不变的前提下,三段工艺设计若改为一段运行,会大幅度提升利润空间。这一项目的运作模式对政府在污泥处置方面所具有的付费和监管的双重责任提出了一个新的课题。

该技术在东莞项目设计中得到应用,主要得益于该市污泥有机质低,因此可以做到压滤含固率较高。在有机质高的污泥项目上,如果机械压滤效果难以保证,将大幅度增加后端太阳能干化的负荷,当然也会影响到造粉及整个项目的运行效果。

 

 

泥客庄主

20111231

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引用 愚公疑煽 2012-5-11 13:51
东莞这个也是骗子技术,挂羊头卖狗肉,参观过,根本不让看真实情况。

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