冶金技術在城市固體廢棄物處理中的應用

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常見的城市固體廢棄物包括廢塑料、城市生活垃圾、醫(yī)療垃圾等，城市固體廢棄物的熱化學處理(熱解、焚燒、熔融等)方法在“三化”方面優(yōu)勢明顯，而被廣泛利用。然而，單獨新建熱化學處理設施存在投資運行成本高、建設周期長等諸多問題。鋼鐵冶金行業(yè)中，有許多成熟的高溫冶煉技術、設備及完善的后續(xù)處理系統(tǒng)，如煉焦爐及焦爐煤氣處理系統(tǒng)、高爐煉鐵及高爐煤氣凈化系統(tǒng)、電弧爐煉鋼及煙氣余熱回收系統(tǒng)等，這些技術和裝備除了冶金生產功能以外，還具有消納處理大宗固體廢棄物的功能。從而為固體廢棄物熱化學處理開辟新的途徑 早在上世紀90年代，德國、日本等國家已經開始大規(guī)模利用鋼鐵冶金f包括焦化、煉鐵和煉鋼等)工藝處理城市固體廢棄物。近年來，國內以東北大學為首的科研單位在國外技術的基礎上也開展了相關技術的研究和開發(fā)，并積累了豐富的經驗。本文介紹4種利用冶金工藝及設備處理固體廢棄物的技術，利用焦化工藝處理廢塑料技術、利用焦爐熱解處理城市生活垃圾，高爐噴吹廢塑料技術和利用電弧爐熔融處理垃圾焚燒灰技術。

1. 利用焦化工藝處理廢塑料技術 利用焦化工藝處理廢塑料技術是基于現(xiàn)有煉焦爐的高溫干餾技術，將廢塑料轉化為焦炭、焦油和煤氣，實現(xiàn)廢塑料的100％資源化利用和無害化處理。該技術對廢塑料原料及加工要求相對較低，廢塑料的顆粒范圍可以在5～80 mm之間；只需對廢塑料進行破碎、熱縮和成型處理即可與煤混合人爐煉焦；加工后的廢塑料可以依靠輸煤皮帶進行定量和連續(xù)均勻混合；對煉焦爐和煉焦化產品回收及煤氣凈化回收系統(tǒng)無需作任何改動即可完成廢塑料干餾及產物回收凈化全過程。此外，該技術可以做到允許含氯的廢塑料進入焦爐，含氯廢塑料在干餾過程中產生 的氯化氫可以在上升管噴氨冷卻過程中被氨水中和，形成氯化銨進入氨水中，從而有效避免氯化物造成的二次污染和對設備及管道的腐蝕。日本新日鐵公司是最早進行該技術開發(fā)的企業(yè)，并隨后建立了年處理廢塑料達12萬t工業(yè)生產線。但是，新日鐵采用廢塑料多級分選與多級破碎的加工方法，然后將廢塑料擠塑成型，制成塑料型塊后再與煤粉混合入爐煉焦。該工藝成本較高，而且廢塑料在煤粉中 的配比不能超過1.5％，否則影響焦炭強度。首鋼技術研究院開發(fā)了利用焦化工藝處理我國城市生活垃圾中廢塑料新技術— — 廢塑料與煤共焦化技術圈，該技術中廢塑料的配比量最高可達到4％。先將廢塑料破碎至一定粒度，再將其與煤均勻混合、粘結、鍍膜并壓制成型煤，最終與煉焦配煤混合進入焦爐煉焦，產生的焦炭、焦油和煤氣可直接利用傳統(tǒng)焦化工藝進行處理和回收。技術特征：① 將廢塑料與煉焦配煤熱熔融混合，不但解決了廢塑料與煤混合產生偏析的技術難題．而且解決了傳統(tǒng)預熱煤技術中的揚塵問題；② 只需增加廢塑料分選、破碎混合成型等加工處理設備和系統(tǒng)，工藝簡單，建設周期短，大大降低了初投資和運行費用；③ 可以將廢塑料炭化固體殘渣(焦炭)作為高爐燃料，節(jié)約煉焦用煤資源，減少購煤費用，產生的液體產物可用于液體燃料和高附加值的化工原料．產 生的氣體用作高熱值煤氣；④廢塑料處理過程實行全密閉操作，而且廢塑料不直接焚燒。從原理上防止了二惡英(dioxins)類劇毒物質的產生，實現(xiàn)廢塑料處理的徹底無害化。     2. 利用焦爐熱解生活垃圾新工藝 為解決傳統(tǒng)城市垃圾(生活垃圾、醫(yī)療垃圾等)焚燒過程產生的二惡英等污染問題，上世紀7O年代以來。國外開發(fā)了垃圾熱解技術。垃圾熱解是將生活垃圾中的有機成分在無氧或缺氧狀態(tài)下加熱，使之分解為燃氣、焦油和半焦的化學過程，與焚燒相比，垃圾熱解有利于能源的高效利用且對環(huán)境更加友好。垃圾熱解過程實際上是一種干餾過程，東北大學國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室結合冶金工業(yè)中焦爐的高溫干餾技術，開發(fā)了利用焦爐熱解生活垃圾新工藝— — 外熱式固定床垃圾熱解工藝。該工藝中熱解室和燃燒室為間壁式結構，是交替布置的。垃圾經預處理后送人熱解室，在隔絕空氣條件下和高溫的作用下熱解，同時產生熱解氣體、焦油、半焦和灰渣等；熱解氣體經過冷卻、凈化后，一部分送入燃燒室燃燒，為垃圾熱解提供足夠的熱量。剩余部分作為城市燃氣外供；燃燒室采用蓄熱式燃燒技術以最大限度地回收燃燒室的高溫煙氣，被預熱助燃空氣的溫度可達1 000℃。排煙溫度控制在200 oC以下。焦油經萃取分離后生產燃料油或其它化工原料。熱解結束后遺留在燃燒室內的固體產物，即半焦和灰渣等從熱解室推出，經冷卻分選后再加以利用。     3. 高爐噴吹廢塑料技術 在煉鐵工業(yè)中，人們?yōu)榱私档蜔掕F成本，采用噴吹煤粉代替部分焦炭的工藝，這早已是一項成熟的技術，將廢塑料分類、清洗、干燥等處理后，制造成粒徑為6 mm 的顆粒，可以代替部分煤粉用于高爐煉鐵。廢塑料經過分選、破碎、去除聚氯乙烯，燒結成顆粒后噴入高爐下部，噴吹進高爐的廢塑料顆粒在爐內高溫f2 000 和還原氣氛下，被氣化成H 和CO，隨熱風上升的過程中，它們作為還原劑將鐵礦石還原成鐵，從高爐出來的富化煤氣可用于發(fā)電或預熱空氣。廢塑料在氣化中產生的H2／CO比值要大于等量的煤粉，H：的擴散能力與還原能力均大于CO，因此用廢塑料代替煤粉有利用于降低高爐焦比：同時由于塑料的灰分和硫含量很低，可以減少高爐的石灰用量，進而也減少高爐產渣量和煉鐵成本：塑料的平均熱值約為44 000 kJ／kg．大于煤粉的熱值(25 000～31 000 kJ／kg)．也有利于提高高爐的生產效率。此外，經過處理好的廢塑料被噴入高爐后可有50％以上作為還原劑被直接利用，可以節(jié)約40％的焦炭，剩余60％的焦炭完全可以滿足高爐爐料的透氣性和承載載荷的需要。 4. 利用電弧爐熔融處理垃圾焚燒灰技術 垃圾集中焚燒處理能減容、減量、消毒滅菌，處理方式在國內得到大力推廣。垃圾經焚燒后將產生約3％的飛灰和30％的底灰，這些灰(尤其是飛灰)含有相當量的重金屬和二惡英等污染成分。其中二惡英的化學穩(wěn)定性極強，很難化學分解或生物降解，但在高溫（1 400℃以上)條件下可徹底分解。高溫熔融是近年來發(fā)展的新技術，它減容顯著。徹底分解灰中的二惡英。并使重金屬蒸發(fā)或者固定在熔渣Si、O網格中，產生的熔渣還可作為陶瓷、路基、水泥的原料，在減容化、無害化、資源利用方面具有明顯的優(yōu)勢。日本等發(fā)達國家已開發(fā)了多種垃圾焚燒灰熔融技術，如電弧爐熔融技術、等離子體爐熔融技術、反射面爐熔融技術及旋轉面爐熔融技術。如上技術中，因電弧爐具有電弧溫度高、電熱轉變能力大、電熱效率高、爐內氣氛和爐子操作容易控制等優(yōu)點。電弧爐熔融技術在國外頗受青睞。