HIROS

1、 关于基本原理

这种工艺的基本原理其实就是热水解。说它是“高速堆肥”也好，“湿式氧化”也好，或者“热化学反应”也好，真正分析下来，其实只有“热水解”三字。

它与其它热水解工艺的不同之处有以下几个：

1） 热水解分为两段（有没有用另说），第一段是所谓高温高压的“稳定化”，第二段是次高温高压

的所谓“活化”；

2） 大量采用化学药剂，尤其是氧化作用，即“部分湿式氧化”； 3） 给热形式采用了电加热和间接加热两种形式； 2、 关于“部分湿式氧化”

该工艺强调它不同于一般热水解之处在于有“湿式氧化”过程，尽管为之特别加上了“部分”的定语。由于有湿式氧化，因此，在达到一定温度时，废弃物中的有机质分解产生能量，这部分能量可以做到自续、自持。

专利提出，“在反应釜内加入1-6ppm溶氧当量的氧化剂”，在活化釜内“加入2-4ppm溶氧当量的氧化剂”。

笔者恰好曾经近距离了解过一个国外的湿式氧化实例，这应该也是世界上唯一一个已经工业化的中温湿式氧化技术（200-260度，3.0-5.5 MPa），目前已有4-5个业绩。威立雅的Athos工艺，是在235度、4.4 MPa下，采用纯氧对污泥进行处理，最高可实现污泥有机份减量率99%。其供氧浓度在50000ppm以上，氧气有效反应率只有56%。

相差万倍的溶氧当量，还能否算是“湿式氧化”，哪怕是“部分”的，各人见地不同，就这个问题进行简单争论似乎是没有意义的，关键还在了解机理。

美国SlurryCarb工艺也有一定量的二氧化碳气体产生（参考《污泥间接加热型热水解工艺的热平衡与成本浅析》），这说明它要么是存在氧化现象，要么是在水解过程中一些大分子断裂而形成的。EnerTech专利将其技术命名为“碳化”，意在强调所获得的产品中氧含量明显减少，因此热值相应提高。从总能量平衡看，如果假设氧化现象存在，则会造成最终产品的热值大幅度减少。但从SlurryCarb工艺的专利和资料看，二氧化碳气体产生的原因均全部明确指向了后者，即在无供氧条件下，二氧化碳气体从大分子中逸出是水解造成的，并不存在明显的氧化。即便有氧化，限于供氧条件，其数量也会极小，在能量自续上的贡献也就微乎其微。 3、 关于“放热反应”

专利提出，“本高速稳定工艺为发热反应。若反应温度维持在140°C以上而一般可降解的有机物含量大于5%，或稀释后之进料每升含大于约200大卡的热量，反应便可自动进行而不需额外的能源需求”。

这是一个十分有趣的命题，如果不实际算一下，实在无从判断其真假。而要计算，有两条路，一是按照发明人的建议，采用杜隆公式，进行简单估算。二是根据有机物构成及其氧化率，一步步推导。

我们知道，法国化学家Dulong因提出物理学中描述结晶态固体由于晶格振动而具有的比热容定律而著名，但在热力工程领域，他所设计的一个研究固体燃料热值的经验公式更为人所熟知。该公式在燃煤燃烧领域的应用在历史上已被多次修正改进，这些应用均为气相燃烧条件下的，能否用在液相氧化，颇有疑问。

笔者采用了在自热式高温好氧消化设计中的一个参数来进行评估。根据文献，破坏每公斤有机质的产热量是20000 kJ（《废水工程处理及回用》第四版第1110页），专利所言的每升200大卡热量，所需降解的有机质量就是42克，液体的有机质浓度只需4.2%。按照专利描述，稳定化反应可能是在3-4 MPa下的液相中进行的，取中值，3.5MPa的饱和水温度大约是242.6度，焓为250.69 kcal/kg，140度下的饱和

水焓为140.7，这意味着达到设计温度所需的110 kcal热量，要由有机质氧化的自热反应来提供，即相当于55%的有机质需要被氧化反应掉。

前面已经指出，本工艺的供氧量在1-6ppm级，较之Athos工艺有万倍之差，后者在更高的压力和纯氧条件下，才有56%的反应率，前者何以能实现类似的湿式氧化效率，实在匪夷所思。

采用第二种方法，设有机质通式为CH2NH2COOH（胨），该物质在高温、高压条件下水解，形成醋酸和碳酸铵，在足够供氧量条件下，醋酸与氧反应，生产二氧化碳和水。

从化学反应方程式可知，要让1000克有机质全部氧化，需要639.4克的纯氧，此时生成879.2克二氧化碳，并产生119.9克水。

以专利的给氧量最高值6 ppm计算，即使氧气100%反应掉，所可能造成的有机质氧化所能放出的热量，只能把料液提升0.04度（以料液干基浓度15.6%计算）。

显而易见，如果仅有几个ppm级的氧化，HiROS工艺不可能有湿式氧化效果，哪怕是“部分”的。如果要有“部分”的湿式氧化，一定不是ppm级的。因而，氧化剂类型和添加量可以成为重要的判断依据。如果是以空气为氧化剂的，如果溶氧当量低，湿式氧化是不可能的。既然没有湿式氧化效果，所谓“放热反应”也就成了想当然的一个假设而已。 4、 关于工艺流程

明白了HiROS工艺其实是再明显不过的“热水解”，对工艺的理解和计算就不难了。 根据专利描述，笔者进行了如下推断，并对工艺参数取值如下：

1） 压力温度范围：给出的稳定釜温度在140-300度，压力7-77公斤；给出的活化釜温度同，

压力3-74公斤。参考其它类似工艺的取值，笔者认为其稳定釜的真实压力不会超过40公斤，活化釜也不会超过20公斤；计算时分别采用了两组取值：3.8 MPa和1.65 MPa，3.6 MPa和1.8 MPa；

2） 供氧浓度：假设为600ppm，氧化剂为空气，假设氧气反应率100%；

3） 稳定釜压力高于活化釜，意味着稳定釜会有部分热量剩余，在进入活化釜前需要用掉或散掉，

较为常见的做法是用于加热稳定釜的进料料液；因此需要一个换热器；

4） 进料、配料分多个阶段进行，有的是在污泥调配稀释时，有的是在稳定釜加料时，有的是在

活化釜加料时，所有这些开口的存在，意味着加料过程很可能为常压，特别是第一段调配；此外，稳定釜、活化釜、闪蒸器均可能产生闪蒸汽，需要收集，多来源、单向利用，意味着收集系统也可能是常压，此外看到其脱水的冷凝水也进入此系统，因此可以假设，用于调配的热水为常压，温度可取95度；

5） 由于调配热水为95度，需要将大量料液升温加热，但所能升温幅度会非常有限。比较可行

也比较简单的做法是，将一部分经过稳定釜处理的高温料液回混到新料液中；

6） 考虑到混合器的功能复杂，需要完成各种固体、液体的混配，判断此容器亦应为常压，设出

口温度为97度；

7） 稳定釜的加热形式可能是一个技术瓶颈，出于压力考虑，采用夹套方法制造难度较大，金属

壁厚增加，会严重影响传热效果。采用外置换热器是一种选择，但类似设备在美国也属于新开发；专利中的一个实例提及，稳定釜采用高温线圈进行电加热。这里假定是采用电加热。

8） 活化釜因有添加物料的需要，须是可加热的，鉴于压力较低，可采取设夹套的方法。从反应

温度看，活化釜的加热以导热油为唯一适宜的工质。

9） 从稳定釜出来的物料，要降温到反应釜所需水平，放热端有近50度的温差，采用单级换热

器换热恐怕难以实现，因此考虑设第二个预热器，用于对调配物料进行初步加热；

设想流程如下：

5、 过程分析与解题思路

HiROS热水解工艺与上一篇《污泥间接加热型热水解工艺的热平衡与成本浅析》所讨论的间接加热热水解有很多近似之处，但相比之下计算要简单得多，这是因为只有一个物料回混。

在调浆罐中，首先将湿泥与来自热水罐的热水进行调配，以产生一种容易输送的液态原料。本文假设稳定釜反应后的物料含固率15%。此值越低，热耗越高；但高于此值，可输送性太差。

设原生污泥有机质为60%，水解率为有机质含量的30%；假设参与反应的氧化剂为空气，有效给氧量600ppm，氧气反应率100%，由此产生部分二氧化碳和水，氧化反应掉的有机质从水解量中扣除；

假设仅从稳定釜抽取反应所产生的二氧化碳气体，同时抽出等量蒸汽，活化釜中不产生气体。 调配后的料液温度约在35-40度之间。

将调配污泥与来自热液罐的污泥在混合器中进行混合（不考虑加入其它药剂，如专利所言的湿润剂、键离剂等）。混合后的料液温度设为97度。此值的选择，在于考虑它是常压设备，不应高于100度的常压下蒸发温度。为满足提升60度的需要，将二级预热器放热端料液的一部分进行回混，回混亦考虑2%的热损失。

新调配的料液经过一级预热器，可被加温至100-110度之间，再经二级预热器，可被加热至130-150度，然后进入反应器。这部分料液的升温事实上受到来自稳定釜的出口温度的限制。

在稳定釜压力确定的情况下，稳定釜出口的温度是一定的。如选择3.8 MPa时，温度约为247.2度。将247.2度的料液分两级间接换热给新调配物料，考虑料液量的前后差别，二级预热器放热端出口温度可能就在210度左右，而一级预热器放热端出口温度可能在200度左右。

将尽可能多的热量传给新调配物料，以提高其入稳定釜温度，是降低能耗的关键。但基于混合器压力的限制，采用这种双换热器、单回混的策略，应该说已经最大限度地利用了稳定釜热量。

闪蒸器出口温度设为102度。

未知量有：调配含固率（回混前的物料含固率）、回混物料量、稳定釜加热量、一级预热器放热端出口温度、二级预热器放热端出口温度、一级预热器吸热端出口温度、二级预热器吸热端出口温度等七项。

基于以上假设，首先分别对七项设备的入出口做热平衡：调浆罐、混合器、一级预热器、二级预热器、稳定釜、活化釜和闪蒸罐。

联立上述方程，解出来即可。 运行成本

评估以一个日处理量100吨、含固率20%、环境温度20度为基准。

主要技术经济取值：电价0.75元/千瓦；燃煤价格850元/吨，热值5000 kcal/kg，发电燃煤锅炉热

效率采用全国平均值33%，导热油炉热效率70%；雇员平均年薪4万元，定员人数均为6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。

还有一个关键取值未加讨论，就是处理后的含固率问题。这个问题在《水热干化的成本》一文中曾有触及。

事实上，水解后污泥的脱水性质是进料污泥的性质决定的。国外的高含有机质污泥（75-81%），水解后只能离心脱水到28-33%。国内低含有机质污泥（45-55%）如果同样取得30%水解率，离心脱水可能远远高于33%，达到40%以上。归根到底，是剩余有机质量不同造成的。本例中，含有机质60%的污泥水解30%后，最终在脱水污泥中的有机质干基比仍为51%。这种泥，离心恐怕是脱不到40%以上的，这与厂家所声称的（≥55%）有较大差距（如果如专利所说，是加了褐煤之类的调理剂的，则另当别论了）。实际情况如何，留待项目检验吧，这里因不考虑计算处置费，实际能脱到多少暂且存而不论。 1、热耗

稳定釜采用电加热的实际加热量为842000 kcal/h，折合979 kW。活化釜加热量39860 kcal/h，折

合46 kW。稳定釜加热占总加热量的95.5%。

电加热折合到吨湿泥处理量上，为 979 * 24 / 100 = 235 kW/t

电加热部分如果直接以电费计算，热能成本为 = 979 kW * 24 * 0.75 / 100 = 176 元/吨 如果按照热量折算为煤价，电加热的热能成本为

= 842000 / 33% * 24 / 5000 / 1000 * 850 / 100 = 104.1 元/吨

这里选择折算为燃煤的方式来计算热能成本，包括活化釜的热量，折合每吨湿泥热能成本106.4元。 2、电能

有关电能消耗，厂家有两个截然不同的数据，一个是其公开的宣传资料（有机固废高速资源化成套

技术PPT），230-120 kW/t固废。另一个是2011（第三届）上海水业热点论坛会刊上的PPT，吨湿泥80-90 kW。

显然，上述两个数字都不会包括电加热的热耗。 取吨湿泥80千瓦电耗的说法，则吨湿泥电能成本为 = 80 * 0.75 = 60 元/吨

上述两项直接成本已在166.4元/吨。如果加上维护、人工等，直接运行成本应该在180-200元之间。 较大的差别会体现在投资上，这种技术在国外的投资超过70万/吨·日，国内厂商“报价”在15-20万元之间。装备水平、成熟度上会有很大差别。 结语

上述分析可以证明，所谓HiROS工艺，基本上就是热水解，而非“部分湿式氧化”。它与其它热水

解的主要差异是反应器数量、反应器形式、反应器开口数量、加热形式等。从热工角度看，它显得有些过于繁复。

添加化学药剂，被专利自认为是“一大创举”。在加与不加化学药剂方面，笔者一向以为，国内人士对化学药剂的嗜好和偏爱，更多地体现在其制造迷雾、迷惑竞争对手的功能上，说它是释放障眼法、烟幕弹的手段，似乎更确切一些。但对于热水解原理的工艺而言，这些药剂能起到什么样的作用，还得做更多研究才行。

比如它所声称的“重金属稳定和去除功能”，无论使用什么化学药剂，其实际可操作性，与所有非热水解工艺相比，没有任何改善和优势。这一点在专利中也已论及。

另如所谓的“活化膨化创新”。蒸汽减压会形成一种瞬间爆发现象（所谓爆米花效应），一部分饱和水会形成闪蒸汽，原本在高压下具有较小间隙的物质分子，会因压力的突然降低而急剧扩张，形成一定程度的疏松，这是所有热水解都必备的闪蒸过程。HiROS发明者声称在活化釜加入活化剂、松软剂（类似小苏打/学名碳酸氢钠的一类分解温度不高的碳酸化合物，另如碳酸铵、碳酸氢铵等），可以使产品产生疏松的效果。殊不知，这些较低温度下即可分解产生气泡的化学物质，在高温高压下岂不是以气态急速释放，哪里还会停留在物质结构中起支撑的作用？活化剂是否真会产生活化的效果，恐怕值得打上一个大大的问号（活化剂中还列有碳酸钙、碳酸镁等，分解温度都在500度以上，显然没有松软的作用，因此对药剂的评价也得慎重，专利一般都是故设些陷阱的）。

从纯热水解角度看，由于是带压两级处理，第二级的作用和意义值得进一步考察。两级处理使得这一工艺的热量消耗要比此前笔者分析过的直接加热式（蒸汽注入）和间接加热式高很多。就技术本身而言，恐怕尚有继续改进的必要。

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