冶金技术在城市固体废弃物处理中的应用

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常见的城市固体废弃物包括废塑料、城市生活垃圾、医疗垃圾等，城市固体废弃物的热化学处理(热解、焚烧、熔融等)方法在“三化”方面优势明显，而被广泛利用。然而，单独新建热化学处理设施存在投资运行成本高、建设周期长等诸多问题。钢铁冶金行业中，有许多成熟的高温冶炼技术、设备及完善的后续处理系统，如炼焦炉及焦炉煤气处理系统、高炉炼铁及高炉煤气净化系统、电弧炉炼钢及烟气余热回收系统等，这些技术和装备除了冶金生产功能以外，还具有消纳处理大宗固体废弃物的功能。从而为固体废弃物热化学处理开辟新的途径 早在上世纪90年代，德国、日本等国家已经开始大规模利用钢铁冶金f包括焦化、炼铁和炼钢等)工艺处理城市固体废弃物。近年来，国内以东北大学为首的科研单位在国外技术的基础上也开展了相关技术的研究和开发，并积累了丰富的经验。本文介绍4种利用冶金工艺及设备处理固体废弃物的技术，利用焦化工艺处理废塑料技术、利用焦炉热解处理城市生活垃圾，高炉喷吹废塑料技术和利用电弧炉熔融处理垃圾焚烧灰技术。

1. 利用焦化工艺处理废塑料技术 利用焦化工艺处理废塑料技术是基于现有炼焦炉的高温干馏技术，将废塑料转化为焦炭、焦油和煤气，实现废塑料的100％资源化利用和无害化处理。该技术对废塑料原料及加工要求相对较低，废塑料的颗粒范围可以在5～80 mm之间；只需对废塑料进行破碎、热缩和成型处理即可与煤混合人炉炼焦；加工后的废塑料可以依靠输煤皮带进行定量和连续均匀混合；对炼焦炉和炼焦化产品回收及煤气净化回收系统无需作任何改动即可完成废塑料干馏及产物回收净化全过程。此外，该技术可以做到允许含氯的废塑料进入焦炉，含氯废塑料在干馏过程中产生 的氯化氢可以在上升管喷氨冷却过程中被氨水中和，形成氯化铵进入氨水中，从而有效避免氯化物造成的二次污染和对设备及管道的腐蚀。日本新日铁公司是最早进行该技术开发的企业，并随后建立了年处理废塑料达12万t工业生产线。但是，新日铁采用废塑料多级分选与多级破碎的加工方法，然后将废塑料挤塑成型，制成塑料型块后再与煤粉混合入炉炼焦。该工艺成本较高，而且废塑料在煤粉中 的配比不能超过1.5％，否则影响焦炭强度。首钢技术研究院开发了利用焦化工艺处理我国城市生活垃圾中废塑料新技术— — 废塑料与煤共焦化技术圈，该技术中废塑料的配比量最高可达到4％。先将废塑料破碎至一定粒度，再将其与煤均匀混合、粘结、镀膜并压制成型煤，最终与炼焦配煤混合进入焦炉炼焦，产生的焦炭、焦油和煤气可直接利用传统焦化工艺进行处理和回收。技术特征：① 将废塑料与炼焦配煤热熔融混合，不但解决了废塑料与煤混合产生偏析的技术难题．而且解决了传统预热煤技术中的扬尘问题；② 只需增加废塑料分选、破碎混合成型等加工处理设备和系统，工艺简单，建设周期短，大大降低了初投资和运行费用；③ 可以将废塑料炭化固体残渣(焦炭)作为高炉燃料，节约炼焦用煤资源，减少购煤费用，产生的液体产物可用于液体燃料和高附加值的化工原料．产 生的气体用作高热值煤气；④废塑料处理过程实行全密闭操作，而且废塑料不直接焚烧。从原理上防止了二恶英(dioxins)类剧毒物质的产生，实现废塑料处理的彻底无害化。     2. 利用焦炉热解生活垃圾新工艺 为解决传统城市垃圾(生活垃圾、医疗垃圾等)焚烧过程产生的二恶英等污染问题，上世纪7O年代以来。国外开发了垃圾热解技术。垃圾热解是将生活垃圾中的有机成分在无氧或缺氧状态下加热，使之分解为燃气、焦油和半焦的化学过程，与焚烧相比，垃圾热解有利于能源的高效利用且对环境更加友好。垃圾热解过程实际上是一种干馏过程，东北大学国家环境保护生态工业重点实验室结合冶金工业中焦炉的高温干馏技术，开发了利用焦炉热解生活垃圾新工艺— — 外热式固定床垃圾热解工艺。该工艺中热解室和燃烧室为间壁式结构，是交替布置的。垃圾经预处理后送人热解室，在隔绝空气条件下和高温的作用下热解，同时产生热解气体、焦油、半焦和灰渣等；热解气体经过冷却、净化后，一部分送入燃烧室燃烧，为垃圾热解提供足够的热量。剩余部分作为城市燃气外供；燃烧室采用蓄热式燃烧技术以最大限度地回收燃烧室的高温烟气，被预热助燃空气的温度可达1 000℃。排烟温度控制在200 oC以下。焦油经萃取分离后生产燃料油或其它化工原料。热解结束后遗留在燃烧室内的固体产物，即半焦和灰渣等从热解室推出，经冷却分选后再加以利用。     3. 高炉喷吹废塑料技术 在炼铁工业中，人们为了降低炼铁成本，采用喷吹煤粉代替部分焦炭的工艺，这早已是一项成熟的技术，将废塑料分类、清洗、干燥等处理后，制造成粒径为6 mm 的颗粒，可以代替部分煤粉用于高炉炼铁。废塑料经过分选、破碎、去除聚氯乙烯，烧结成颗粒后喷入高炉下部，喷吹进高炉的废塑料颗粒在炉内高温f2 000 和还原气氛下，被气化成H 和CO，随热风上升的过程中，它们作为还原剂将铁矿石还原成铁，从高炉出来的富化煤气可用于发电或预热空气。废塑料在气化中产生的H2／CO比值要大于等量的煤粉，H：的扩散能力与还原能力均大于CO，因此用废塑料代替煤粉有利用于降低高炉焦比：同时由于塑料的灰分和硫含量很低，可以减少高炉的石灰用量，进而也减少高炉产渣量和炼铁成本：塑料的平均热值约为44 000 kJ／kg．大于煤粉的热值(25 000～31 000 kJ／kg)．也有利于提高高炉的生产效率。此外，经过处理好的废塑料被喷入高炉后可有50％以上作为还原剂被直接利用，可以节约40％的焦炭，剩余60％的焦炭完全可以满足高炉炉料的透气性和承载载荷的需要。 4. 利用电弧炉熔融处理垃圾焚烧灰技术 垃圾集中焚烧处理能减容、减量、消毒灭菌，处理方式在国内得到大力推广。垃圾经焚烧后将产生约3％的飞灰和30％的底灰，这些灰(尤其是飞灰)含有相当量的重金属和二恶英等污染成分。其中二恶英的化学稳定性极强，很难化学分解或生物降解，但在高温（1 400℃以上)条件下可彻底分解。高温熔融是近年来发展的新技术，它减容显著。彻底分解灰中的二恶英。并使重金属蒸发或者固定在熔渣Si、O网格中，产生的熔渣还可作为陶瓷、路基、水泥的原料，在减容化、无害化、资源利用方面具有明显的优势。日本等发达国家已开发了多种垃圾焚烧灰熔融技术，如电弧炉熔融技术、等离子体炉熔融技术、反射面炉熔融技术及旋转面炉熔融技术。如上技术中，因电弧炉具有电弧温度高、电热转变能力大、电热效率高、炉内气氛和炉子操作容易控制等优点。电弧炉熔融技术在国外颇受青睐。