用场景定义创新：污泥热处理“两段式干化”极简创新史

水世界蓝天

8月9日，滂沱大雨下的北京西郊，一队设计院和运营单位的专家聚集到了刚刚落成的两山科汇馆·产品中心，这次，他们不是为了什么大项目，而是要商议一件“小”事：命名。 当天下午，首批以中文地名命名的中国自主创新的四大组合工艺正式发布，纪庄子-高碑店-白龙港-唐家沱，勾勒出一副非常有趣的环保创新历史轴。         

我说“小事”，因为命名实在不是什么大动作，我说意义不小，在于这命名的背后有对中国式创新的特别认识和思辨。事件引发了热烈讨论，核心争议在于这里的“中国自主”到底展现在哪里。我的思考，是在于应用场景。场景是工艺产品在应用交互当时当刻“人机法料环”等相关要素的集合，四大工艺的场景式创新意义并不一定还是他们最初时的模样，而更在于以他们为起始的后续迭代中的创变“过程”。    

本文首先关注四大工艺中最年轻、最时尚、最典型中西结合的“唐家沱污泥处理工艺”，聚焦其内核“两段式干化机组”，尝试以创新的系统视角看场景，洞悉这类场景式创新发生发展的底层逻辑。总结为：         

1、中间环节与支点作用         

2、功能复合与系统寻优         

3、精益掺烧与协同增长         

万法归源，让我从它的大类归属“热干化”读起。（注：本文涉及“两段式干化”的技术内容均学习自《得利满水处理手册》和公众号“奔跑的环保人”，以下不再一一标注。）

• 污泥的热干化             
  污泥在最终处置前，根据含水率或干度状态可分为液态污泥的处理和脱水污泥的处理两段流程，前者包括浓缩、机械脱水、厌氧消化等；脱水污泥的处理包括堆肥、干化、焚烧等。干化，包括自然干化、机械干化、生物干化和热干化，是经过常规脱水后进一步处理的环节，也被视作焚烧、做建材、土地利用等处置过程的预处理。
  由于机械脱水存在性能极限，热干化已成为污泥安全处置一种不可或缺的工艺。它以热源加热污泥使水分蒸发而深度降低含水率，其过程应主要关注以下要点：
  加热方式：通常采用热空气、蒸汽或导热油等以直接或间接方式将热量传递给污泥。   
  温度控制：一般在一百至数百摄氏度不等，根据不同的工艺和要求进行选择调整。     
  干化效果：主要是含水率的选择和控制，包括半干（通常30-60%）和全干（通常10-20%）等。    
  能量消耗：包括电能、蒸汽或燃料等用量，以及余热利用等节能降耗的方式。  
  
  

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后续影响： 储存、运输、热值管理、资源化途径、尾气等。          
污泥热干化根据加热方式可分为直接加热、间接加热和直接-间接联合加热。        
直接加热的代表有转鼓式、带式、喷雾式、流化床式等，热源与污泥直接接触而实现快速蒸发；间接加热的代表包括桨叶式、圆盘式、薄层式等，利用中间传热介质将热量传导给污泥而完成热交换。        
直接-间接的比较关系好似一对阴阳，相生相斥。        
直接式的优势在于传热效率高、设备简单、处理能力大，系统安全性、物料品质和特性的稳定性是相对劣势；间接式的优势在于安全、稳定、能源利用效率高、尾气处理成本低，相对劣势在于传热效率受限、设备结构复杂、污泥适应性有限。        
在此基础上，直接-间接的巧妙联合使克服了以上各自独立时的弱项而兼容并蓄，综合优势得以放大凸显，其代表便是苏伊士“薄层+带式”Evaporis 2E两段式干化。
污泥热干化的创新史不长，大概只算20世纪80年代至今的40年左右，但若以其核心设备“热工干燥技术”来看，则几乎伴随着工业革命不久就已经诞生了，早期多用于食品、制药等加工生产中。  在水处理领域，污泥的处理处置需求是从20世纪初活性污泥法的发明开始出现。那时因为量还很少，更多采用自然晾晒或刚出现的机械脱水方式简单处理；从20世纪70年代的中国可以看到工业化早期时的景象，老百姓把污水污泥视作宝贝，一般是直接作为肥料使用。但到了20世纪80年代前后，污泥在西方工业发达国家的农用、填埋、投海上开始受到各种限制，先进干燥解决方案因此而引入污水污泥行业，“热干化”很快推广开来。  80年代之前，干燥技术和环保场景的交集很少，并行发展，各自完善。其间，干燥机从喷雾式到带式到流化床式，从桨叶式到圆盘式依次发明发展，其核心的创新在于干燥的效率、产品物料的质量等，在引入环保之前其实已达到一定的成熟度。        
80年代后的整个20世纪末都可视为热干化技术产品融合现代环保的场景迭代期，寻求功能适配和特定性能的提升。  就在这个时期，污泥专用卧式薄层干化机发明，用于污泥处理的带式干化机也逐渐发展成熟。   世纪之交，苏伊士旗下得利满公司申请了INNODRY的发明专利，即是现在EVAPORIS 2E两段式干化的前身，其后在法国、瑞典、波兰、中国等国家陆续落地应用，不断自我完善的同时，代表“污泥热干化”对创新发展的方向做出了前沿探索。以其在中国的20年发展为例，在“环保场景”之后，又与“中国场景”相交相融，中国的创新者对本土四大热处置场景的解析和实践起到了的决定性作用
2009年，重庆唐家沱污水处理厂污泥装置投产，含水率至10%后作建材利用。          
2011年，苏州工业园区污泥干化一期投运，含水率至10%-20%后与煤电掺烧。          
2016年，天津滨海污泥干化项目投产，含水率至10%与垃圾掺烧。          
2021年， 西咸新区沣西新城项目投运，含水率至15%后做热解气化处置。          
我以“其根本目标是为了谁”而将这四大场景一分为二，贴近水厂侧如唐家沱称为“水场景”，贴近处置端如苏州工业园，称为“固场景”。  
水场景为了解决水的衍生问题，是强制的、被动的、成本中心的、单一的、分散的、末端的；固场景为了更好的最终处置，是自发的、主动的、价值中心的、中转的、集中的、协同的。        
场景式的价值也许并不会强烈地体现在“理论技术”中，要带上洞察力的眼镜才会发现，恰恰是以上应用场景中强烈的冲突，引导了功能性能系统性创新的发生发展，在这个粗放、无序、三不管的污泥市场中，探索着稳定、安全、效益化的既要又要。
场景创新一中间环节与支点作用                
污泥的困局由来已久，但似乎直到近些年才真正成为迫在眉睫的课题。其中的最根本是终端处置去路的不畅通。填埋不可持续，建材产能过剩，堆肥销路受阻，焚烧费用高昂。

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解题之道有二：一是找到稳定疏通去路的方法，亦或另辟出一条颠覆性的新通路；二则是沿着以上路线做优化，缓和主要矛盾如成本问题、安全问题、模式问题、碳排问题等，寻求分时分步破局。“热干化”参与了其中多条普适性“畅通”路线的构建，上海为代表的干化-焚烧(独立/协同)、北京/天津为代表的厌氧-干化-土地利用，广州为代表的干化-掺烧，是最典型的代表。   以上热干化，都是中间环节。而但凡有它的存在，就往往会是问题难题的集中所在，矛盾在于，它却一直遭受了最普遍的忽视。        
于“水场景”而言，人们大多时候都只聚焦在前端脱水环节，要么只求完成任务，要么就走捷径想尽量少惹麻烦，对于下游如何，既没义务，也没能力；“固场景”则身限自己的方圆，以垃圾厂为例，不想掺有时又不得不掺，想掺了却不知怎么掺，便只勉强运转，模糊处理，对于上游如何，既不明所以，也无法控制。        
也正是因为存在这“中间”环节，水场景和固场景间要“沟通”清楚颇不容易，缺乏基础性共识，没有显效性动力。   因此，一个优质热干化系统的设计，首要应是在这“水-固”场景间做好连接，不能冷了任何一头。卓越者更进一步，致力于创造支点效应。        
以卓有成效的干化产品作“支点”支出“系统效益”，就是苏伊士对该类产品的价值主张：精益化压实的一端是技术、产品和服务，效益化撬起的一端是连接、增长和共赢。精益达成共识，效益就是动力。        
两段式干化机组的入口含水率高可至80%，出口可低至10%，以下在二者之间，存在多个指标梯度可调可控。向上游，薄层式第一段沟通“水场景”，可适应所有污泥工况，并以最优效率达成任务，向下游，带式第二段沟通“固场景”，根据去向设计为合适的含水率、出泥性状等。    所谓“支点”支出来的效益，一方面在于向内部的节能降本，二表现在向外的多维延展，追求更大边界的系统效益。
场景创新二功能复合与系统寻优              
要达效益，需要先谈效率。        
在效率时代，薄层式干化是同类竞争中的王者。        
它因通过转子将湿污泥分布于热壁表面形成很薄的物料层而得名，其高效的原理并不难理解，就好比路边摊的摊煎饼，污泥被以极薄的一层平铺到筒壁上，蒸发的速度自然极快。   为了突破物理功能的边界，效率到达极限后跨出界面寻求复合 ，二段带式的加入也不能是简单“1+1”的加和关系，而要考虑如何才实现“整体大于局部之和”。        
以系统思维思考，一段极高的效率是二段增强回路的基础，二段的效益目标则为一段制造调节回路。两段式在功能创新上的精华即在这阴阳交互的界面中，使：1创造各自的最佳效率区间；2巧妙的利用好粘滞区；3实现节能精益。        

激发由“效率”向“效益”升维的功能复合形成了以下性能特点：        
出泥干度和性质。干化后的污泥呈现出一定粒径均匀的颗粒形态，以便于后续的运输、储存，并为进一步潜能价值的开发奠定基础。          
能耗和能量管理。通过工艺结构设计提高能源利用效率，并配置能源管理和调控系统，实现智能的系统寻优。          
极致安全。实现工艺设备的本源性安全，和干化后污泥产品持久性安全，包括过程中的粉尘、含氧量，干燥后的污泥温度等。          
热干化往往是整个污水-污泥系统中最大的能耗单元，因此节能降耗是功能实现之上第一重要的效益表现。在同样含水率目标的需求中，两段式较一段式有明显的投资上的劣势，但若拉长时间线算一笔运营帐，两段式相对减少的30%能耗，更适用于追求持久性累积性效益的用户，是典型用CAPEX换OPEX的创新取舍。        
“精益”更体现在“变治理为制造”的过程，生产长久稳定、棒状颗粒态、相对高热值的资源化原料，为后续处置创造了更优条件，与下游产业系统形成更深度的协同，收获的经济收益、生态价值，省却的反复再投资、检维修成本等，又是一个用OPEX换回CAPEX的过程。
场景创新三精益掺烧与协同增长                   
污泥协同焚烧是两段式干化最成熟的场景之一，包括了燃煤电厂协同，垃圾焚烧厂协同，工业窑炉协同三类子场景。    三个场景于“为什么要协同”有不同的初心，导向对“如何烧的好”不同的定义。燃煤电厂作为辅助燃料，能替代多少煤炭、对发电效率的影响是重点；垃圾焚烧厂填充吃不饱的产能，掺多少、怎样掺才能不影响设备和环保成为最重点；工业窑炉在于向绿色化转型，但需要注意对产品质量和正常运行的影响。  针对这三个协同场景，即便应用同一款产品，其细部设计仍有较大区别。而它们又都可归属于一类区域统筹的场景，即依赖政府或某一组织做好系统的顶层设计。污泥的加入，看似只是几种燃料或污染物的混合，其实于空间尺度和时间尺度上都发生了本质变化。        
此时，所谓“效益”也随之而成为系统性的效益，包括以下三个维度—    社会效益-公共事业的属性目标：深度融合环境服务、公共服务、工业服务，解决问题的同时建设从静脉到动脉的网络，如区域固废中心、城市绿洲工厂、环境科普中心等。          
科技效益-中间环节的系统作用：以小的创新产品做支点，撬动上下游流程和系统更大的创新涌现，带来减污降碳、协同增效综合效益升级，算系统生态总账。          
商业效益-作为企业的盈利诉求： 在满足基本社会责任和公共事业合理收入的基础上，以减降成本或增加收益等，获得更好的财务利润，才能催动更良性循环。  

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以苏伊士提供技术装备并特许运营的苏州工业园区案例为例，该项目一期于2011年投运，二期2016年投产，总处理规模500吨/天，主要服务于园区污水厂产生的市政和工业污泥，干化至含水率10%~20%左右送热电厂协同焚烧供热发电，目前已连续稳定运行13年，累计处置污泥超过1 5万吨。        
项目遵循“产业协同、循环利用”的模式，选址于热电厂内，并紧邻污水厂，实现三厂共享、协同增长。污泥厂利用热电厂的余热蒸汽干化污水厂产生的污泥，蒸汽冷凝后的热水回到热电厂循环利用；干化后的污泥作为生物质能送于热电厂焚烧发电，干化尾气送至电厂锅炉焚烧，彻底解决二次污染问题；污水厂的中水用于冷却干化废热，污泥蒸发尾水排回污水厂处理达标后排放。


(本段案例内容及图片引自公众号“奔跑的环保人”，略修改        
链接详情：  污泥干化应该追求什么？  )

苏州工业园以一款干化机组产品撬动了内外多维多向的产业大协同，系统效益非常显著—  通过污泥的资源化利用而减少的二氧化碳排放：2万吨/年干污泥做成燃料棒，每年可节约煤炭超过20000吨  ；蒸汽冷凝水回送至热电厂重新利用，每年可节约脱盐水约120000 吨最终的灰渣作为建材辅材，每年减少固废垃圾16000吨  ；经过苏伊士运营团队后续的运营和技改，实际运营单位能耗比设计值低29%  荣获国家发改委首批环境污染第三方治理典型案例，生态环境部首批工业园区减污降碳协同增效典型案例。
结语：            
 是创新丰富了场景，还是场景定义了创新？        
如果单以“理论技术”做评估，则真正意义“中国自主”的创新确实少之又少。但这种思维观点是十分偏颇狭隘的，甚至笔者认为，恰恰由于我们大多数科研都忽视了应用和场景，底层的理论技术才迟迟无法突破桎梏。 E20傅涛先生说，要用“高品质、新品类、强品牌”定义环境产业的高质量发展。 我思考，这“三品”都是要根植于“场景”的。  此次命名的四大工艺基于其各自“时代”场景下的“组合”如此，基于持续提标而雨后春笋发生的“原位”场景如此，苏伊士“在中国，为中国”一系列的场景式创新亦如此。        
向新而行，创新不止。        
“场景”是过去二十年环保行业创新发展的理想总结；而根植于场景的“产品化”又指向十五五高质量发展落地路径，因此场景，也是未来二十年理想的创新起式，是新时代环境产业创新者必修的第一课。

王立立

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