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      1. 仿地幔雙熔浴全能型有機廢物轉化潔凈燃氣

        2020-04-01 10:12:05 作者:huangj 來源: 瀏覽次數:0 網友評論 0

        利用熔鐵-熔渣組成的雙熔浴作為有機物固廢氣化,是仿照地幔深處的鐵鎳合金液以及其上的熔融巖漿組成的雙層熔浴,適合有機固廢無害化、減量化、資源化、能源化處置消納
           牛強

          中國科學院揚州產業化中心,國科學院浙江研究院

         

          1 熔鐵浴處理固廢簡介

          我國廢舊塑料、橡膠輪胎、有機危廢等大量積存,傳統的熱裂解、焚燒、水泥窯等處理方法,溫度低,有機物沒有完全密閉隔絕,會產生大量有毒有害的中間產物,例如二噁英等有害氣體,所以必須開發瞬間能達到1400℃高溫、且能夠液漿密封型處理方法和裝置就顯著尤為重要。

          鋼鐵冶金行業近幾十年來,開發了非高爐煉鐵技術,特別是熔融還原技術,其中一個單元操作就是鐵水浴熔融還原,在多種非高爐煉鐵領域得到應用。將含碳固廢顆粒與氧氣/水蒸氣等高速噴吹進入1500℃的金屬液熔池深部,發生溶解氧與溶解碳的快速反應,生成高溫下穩定的CO氣體,氫元素生成H2,硫氯元素基本固化在渣中。鐵水浴熔池充當了催化劑、加速器、分散體、蓄熱體、反應物載體、硫吸收劑、密封體、攪拌器、熱傳導體等多種功能。

          除了能碳氫化合物成為潔凈燃氣CO+H2,還能通過鐵液和堿性渣固化硫氯,氣體中不含硫,而且有色重金屬危廢能夠氣化回收為鉛鋅鎘金屬產品。

          適用于廢舊塑料、廢舊橡膠及輪胎、有機固廢、有機危廢、生物質固廢、可燃固廢、高硫石油焦、高硫劣質煤等的處理和清潔燃氣轉換;同時進行有色金屬、鋼鐵、化工的廢渣處置及有價元素回收;脫除硫氯等。

          可以放置鐵水浴10-500噸,采用底吹、側吹裝置,將含碳固廢及氧氣鼓入鐵水浴熔池中,進行反應。每小時噴吹碳氫化合物顆粒達到100噸以上,99%以上轉化為潔凈燃氣。

          燃氣簡單除塵凈化就可以使用,既可以作為燃料氣,也可以用于化工合成,例如F-T合成生產柴油、汽油,以及合格天然氣、烯烴等。

          我國廢舊塑料、廢舊橡膠及輪胎、有機固廢等量大面廣,采用該方法,能夠避免傳統裂解、焚燒等容易產生二次污染的方法,直接獲得潔凈燃氣,含有的重金屬能夠回收獲得金屬產品,硫氯在渣中固化脫除。適合多種行業,在我國以及其他國家有廣泛的應用前景。

          目前高爐噴吹固廢塑料、廢舊橡膠輪胎,在德國日本已經運行多年。我國近三十年來發展的熔融還原煉鐵技術中,HISmelt等技術中大量應用熔池噴吹的鐵浴反應器,在有色重金屬側頂吹熔池熔煉、玻璃窯浸沒燃燒中,也發展了此項單元操作,是成熟的單元技術。我國山東墨龍引進的HISmelt熔融還原生產線已經投產運行,也采用了鐵浴熔池技術。

          此項技術建立固廢處理設施,單一反應器即能夠每年處理50萬噸以上的有機固廢、危廢。每噸可燃固廢可產生1500-2000 M3的潔凈燃氣,燃氣的熱值達到11-12MJ/M3,相當于500-600 M3天然氣的熱值,全年產生的清潔燃氣相當于3億立方米天然氣。

          如果用此項技術外加真空電熱處理鋼鐵中含有金屬鋅資源的固廢,特別是高爐除塵灰、電爐除塵灰中提取的含鋅次氧化鋅,單臺反應器一年能產出20萬噸金屬鋅,銷售收入42億元,利潤超過10億元,產品作為熱鍍鋅的金屬材料,實現固廢資源的高附加值綜合利用。

          制得一提的是,這種終極處理技術,是仿照地球地幔深處時刻進行的地幔化學過程,地幔中的高溫鐵鎳液體合金以及其上的熔融巖漿,組成了破壞和重整一切有機物,進而獲得煤炭、石油、天然氣、頁巖油氣等的化學和物理過程。

          這種處理工藝技術不輸于協同處置,本身不產出任何金屬產品,熔融金屬液、渣液只是充當了高效的觸媒催化劑等多種功能。

          我們也不妨把這種技術稱為改變中國固廢、能源格局的7G技術,也就是Garbage and Gangue into fuel Gas, power Generation and Gasoline by Geomantle type Gasifier, 中文意思是“將垃圾和煤矸石轉化為燃料氣體、發電和汽柴油的仿地幔氣化技術”。

          2 熔鐵浴噴吹的工業基礎

          人類社會進入工業化以來,社會生活以及生產過程排出的垃圾、廢棄物以驚人的數量不斷增長和積累,已經成為人類社會必須面對的重大生態環境難題。

          雖然人們使用填埋、焚燒、堆肥等多種手段來處理垃圾固廢,特別是其中的有機物,但目前常用的處理手段要么處理的速度和數量難以適應固廢飛速增長的節奏,要么是在處理過程中容易產生新的二次污染,要么是處理的成本高企,或者是受到土地容量等的限制而難以為繼。世界各國都不同程度存在垃圾圍城、垃圾固廢侵占人類生存空間、垃圾固廢導致生態環境惡化的難題。

          從現代鋼鐵冶金、有色金屬冶金的冶煉過程中,利用噴槍將高速氣體射流吹向金屬液或者渣液,形成激烈的氣液混合流動,帶來熔池的激烈攪拌,構成了反應動力學上良好的混合條件,對于金屬與渣液熔池的動量傳遞、熱能傳遞、質量傳遞具有良好的作用,行業內稱之為“過程強化”手段,這也是現代冶金科學技術著力發展的一種提高效率、提高產率的技術路徑。

          更進一步,將高速氣體射流浸沒噴吹入金屬液或者渣液,以及用高速氣體射流作為載氣,將固相粒子噴吹進入到熔融金屬液、熔融渣液內部,構成了所謂的熔鐵浴、熔渣浴的反應條件,氣固液三相在氣體射流的動能攪拌下,得到充分混合,反應的總速率進一步快速提升,特別是固相粒子比起塊狀固體,具有更大的比表面積,與氣泡、熔池的接觸更為良好,反應效率大為提高。

          在鋼鐵冶金的魚雷罐鐵水預處理、高爐煉鐵、轉爐煉鋼、熔融還原煉鐵,以及有色重金屬鉛鋅銅鎳錫等的熔池熔煉的工業實踐中,將燃料、脫硫劑粉體、礦粉等噴吹入金屬液熔池、渣液熔池構成了熔鐵浴反應、熔渣浴反應,已經是相當成熟的單元操作,體現出速度和效率方面的極大優勢。

          下面僅以鋼鐵冶金熔煉過程來詳細闡述。

          鋼鐵工業有三個重要功能。首先是生產鋼鐵制品,這是為全社會所熟知的。還有兩大功能往往并不為公眾所知,那就是處理消納社會和其他工業大宗固體廢棄物的功能,以及因此而來的能源轉化功能。這后兩個功能是緊密相關的。

          德國、日本等國的鋼鐵工業,從1980年代開始,即有意識地處理社會固體廢棄物,例如高爐噴吹廢舊塑料代替噴煤,取得很好的效果,盡管高爐噴吹廢舊塑料,并不是熔鐵浴、熔渣浴的處理方式,但是已經具有了鋼鐵工業實現第二功能的雛形。至于第三功能,鋼鐵企業為周邊的社區提供煤氣、電力、供暖等,已經持續了數十年以上。

          這個階段鋼鐵工業對廢棄物的消納處理,以及將煤炭能源以另外一種氣體燃料、熱蒸汽、熱水、電力等方式提供給社會,其主要功能-生產鋼鐵產品,并沒有被沖淡,也只是一種協同式發揮其環境功能。

          更為徹底的做法是:放棄鋼鐵的生產,只是利用鋼鐵冶金中比較成熟的熔鐵浴、熔渣浴反應工藝和裝備,借鑒其成熟的單元操作,用高效的雙熔浴方式,將有機物固體廢棄物高速噴吹進入熔浴中,并鼓入氣化劑,進行徹底處理和轉化,將其中碳氫元素轉化為潔凈合成燃氣,而無機物大部分進入到渣中,實現減量化、無害化處置,合成氣體既可以作為燃料氣體,也可以通過適度變換其中的H/C比例,為下一步的化工合成提供合格原料氣,由此將能夠對人類環境狀況、能源格局帶來革命性的影響。圖1是典型的雙熔浴處理的流程示意圖。

         

          3 雙熔浴處理有機固廢的優勢

          熔鐵浴、熔渣浴組成的雙熔浴,用來作為觸媒,處理高速噴入的有機物固相顆粒,在有氧氣存在的情況下,進行有機物的氣化,其主要優勢在于:

          碳氫化合物的超高溫快速裂解:熔鐵浴、熔渣浴的溫度高達1400-1600℃,有機物接觸后,特別是在浸沒噴吹,被熔鐵、熔渣包圍的狀態下,有機物分子在數十毫秒的時間內迅速裂解,裂解為碳一產物,碳原子溶解進入鐵液,氫原子結合成氫氣分子逸出熔浴。

          溶解碳與氧的快速反應:氧氣鼓入熔池,與鐵生成FeO,FeO處于動態的分解-化合的平衡中,鐵液中溶解有一定的[O],溶解態的氧與碳的反應速度,比固體碳與空氣中氧的反應速度快1-2個數量級,快生成CO氣體逸出熔體,與氫氣混合在一起成為合成燃氣;

          不產生復雜的有機物等中間產物:由于達到1400℃以上的超高溫,有機物超高溫裂解為單原子無機物或者雙原子氣體分子,沒有任何復雜的有機物,也沒有中間產物,例如比較致命的中間產物二噁英等,也沒有焦油等有機物;

          碳轉化率很高:幾乎沒有殘留的未分解有機物,碳原子轉化率高達98-99%,幾乎所有有機物轉化為最簡單的無機物--溶解碳或者一氧化碳氣體以及氫氣;

          硫元素較為徹底的吸收:硫元素在被鐵液吸收,成為FeS,在鐵液中溶解度很高,鐵浴對于硫的吸收相當迅速,合成氣中硫含量極低,通過噴吹石灰、石灰石顆粒,使得硫從鐵液中轉移到高堿度渣中,以溶解在渣中的CaS形式脫除;

          熔鐵浴、熔渣浴充當了多重角色和作用:液態觸媒、催化劑、分散劑、蓄熱體、流動基體、溫度熱量緩沖體調節劑、碳溶液、氧溶解體、碳氧快速反應載體、鐵液為硫吸收體、氣體產物洗滌劑過濾機、氣體產物凈化劑、熔渣為無機物吸收體、高堿度渣為硫的最終吸收體、重密度液態密封體包裹,等等。

          與其他的處理有機廢棄物的方式比較,熔鐵浴的優勢是顯而易見的。簡單比較如下:

          垃圾焚燒:從最終產物來說,垃圾焚燒只有熱能,不產生任何氣體化學產品。焚燒過程溫度一般只有600-900℃,容易產生二噁英為代表的有毒有害的中間有機物,需要外加優質燃料提高其燃燒溫度,燃燒過程不穩定,容易波動。燃燒溫度遠低于熔鐵浴1400℃以上的超高溫。焚燒過程有機物經常有殘留,需要二次處理。而且垃圾焚燒是在與大氣相通的環境中進行的,二次污染嚴重。而熔鐵浴則是在液態熔鐵等高溫液漿密封體中進行的。

          塑料裂解:塑料如果自然降解,一般需要300-400年,而在熔鐵浴爐中,0.1秒就能轉化為潔凈燃氣。采用其他加熱的方式熱裂解,雖然能產出一些類似石油化工的烴類產物,但轉化過程溫度低,煙塵量很大,產生大量二次污染,殘留物量大復雜,易滋生次生污染,同時轉化率也較低。

          堆肥發酵等微生物降解:對于部分農業、林業、養殖業的廢棄物,堆肥發酵產生沼氣,是一種低成本的處理方式。但是生物發酵,受到比較多的不確定性因素影響,比如季節、溫度,部分寒冷地區冬季無法產氣,效率低、速度慢,不適合大規模轉化。特別是畜禽糞便中的抗生素殘留量很大,抗生物能夠殺滅本來用來分解生物質的微生物,導致微生物降解喪失活性。而熔鐵浴由于溫度超高,反應速度不受任何自然環境影響,是大規模快速處理生物質以及能源轉化的利器;

          等離子體超高溫裂解:對于危廢,現在普遍采用等離子體高溫裂解的方法。等離子體高溫裂解的溫度確實實現了超高溫,使得待處理危廢得到較為徹底的裂解轉化,但是缺陷也是明顯的:一個是等離子體需要耗電,而熔鐵浴本身是對外供能的,能源的一正一負,顯示了其經濟性的巨大差異。還有,等離子體槍昂貴而且功率很小,一個典型的熔鐵浴爐,產出的熱能其功率可以接近GW級別,而一個典型的等離子槍功率只有不到100KW級別,差了10000倍左右,無法成為主流的大宗固廢處理方式。況且,等離子體槍雖然溫度高,但其物料加熱也是裸露在空氣中,升溫過程仍然有可能產生中間復雜有機物的毒害,而高溫熔鐵浴由于鐵液、渣液的密閉包裹作用,氣體沖出雙熔浴后,必然幾乎不含任何有機物成分。

          即使是在煤氣化方面,熔鐵浴也有很重要的優勢。常規的煤氣化,常常集中在固定床、流化床、氣流床這三種,且工藝裝備技術已經開發很成熟,達到單爐每晝夜能夠氣化2000多噸煤的量級。但現有氣化爐,對煤種還是有所挑剔的,對于煤的結焦性、黏結性、灰分熔點、反應活性、粒度、熱穩定性、成漿性、含水率的要求都是比較苛刻的,每種氣化爐對于煤種都有各自特定要求,不太適應其他煤種。而熔鐵浴由于其流動基體是鐵浴,幾乎可以氣化任何有機物,對不同種類的煤高度適應,就連生活垃圾也可以氣化。而且氣化產物可以不含任何氧化性氣體、氣相不含硫,沒有焦油等物質,成分單純、操作穩定。

          熔鐵浴不僅在固廢的消納處置方面擁有極大的優勢,更大的優勢在于能夠將地球上絕大多數生活垃圾、農業林業廢棄物如秸稈/枝椏/甜高粱/鋸末/海藻、畜禽糞便、廢舊塑料、廢舊橡膠輪胎等轉化為潔凈燃氣,進而轉化為石油化工產品,例如合成優質汽柴油、石蠟、石腦油、潤滑油、合成天然氣、烯烴、聚烯烴、醇醚等產品。

          以中國為例,歷史積存了700億噸固廢,其中很大比例是有機物,每年新增固廢幾十億噸,其中農業固廢10億噸,畜禽糞便17億噸,生活垃圾4億噸,經由熔鐵浴轉換,可以合成數億噸的油氣產品,減少中國在液體化石能源、氣體化石能源方面對外的過度依賴,同時也減少化石能源使用過程的碳排放。生活垃圾以及生物質廢物,制成氣體、液體能源,本身是碳中性的,不增加大氣二氧化碳排放。

          地球上每年光合作用生成的生物質量高達1500億噸,扣減掉其中的水分,絕干生物質量也高達數百億噸,采用熔鐵浴處理的話,意味著能產生數十億噸油氣產品,基本達到當前化石能源的消費程度。這意味著地球人類社會依靠熔鐵浴的轉化效果,能夠開始告別化石能源時代,真正進入到生物質能源時代。依靠熔鐵浴的過程強化轉化效果,光合作用-熔鐵浴轉化,構成了閉環循環,垃圾圍城和依賴化石能源成為了歷史。同時,這也意味著當前全球化石能源布局所導致的緊張的全球政治、經濟關系,也將會迎來極大程度的緩和--如果世界各國人民能夠在自己的土地上依賴每年太陽恩賜的光合作用生物質,就合成出現代社會所需要的油氣資源,那么在中東進行激烈的角逐就不再必要。

          綜上所述,在處理固廢垃圾、生物質資源方面,較之于傳統工藝過程,熔鐵浴簡單粗暴,效率奇高,甚至可以稱之為終極版的雷霆手段,也是垃圾和有機固廢的終結者。從能源的角度看,熔鐵浴打通了從光合作用到生物質到替代化石能源的最后一個關鍵環節,開辟了一條人類不再依賴化石能源的新路徑,也有助于終結世界各國在中東等油氣輸出國的激烈角逐和爭奪。

          4 雙熔浴實現地球終極有機固廢消解與循環


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