消滅危廢之“危”——記危險(xiǎn)廢物回轉(zhuǎn)式多段熱解焚燒及污染物協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)
其實(shí)早在1988年，這位工程熱物理學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家與危廢之間的這場持續(xù)十多年的硬戰(zhàn)就因發(fā)生在上海市的一場突發(fā)公共衛(wèi)生事件而悄然拉開創(chuàng)新科研的帷幕。嚴(yán)建華回憶道：“當(dāng)年有近30萬上海市民因生食被醫(yī)廢污染的毛蚶而患上了甲型肝炎，那場轟動一時(shí)的傳染病給了我很大觸動。”2000年，當(dāng)兩名本科生敲開他的辦公室房門，請他作為校挑戰(zhàn)杯競賽的指導(dǎo)老師時(shí)，嚴(yán)建華為他們選擇了“危險(xiǎn)廢棄物無害化處理”的研究選題。也是從那時(shí)起，他作為第一完成人的“危險(xiǎn)廢物回轉(zhuǎn)式多段熱解焚燒及污染物協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)”創(chuàng)新研究項(xiàng)目正式起航了。
“醫(yī)廢是頭號危險(xiǎn)廢棄物，怎么能進(jìn)行開放式燃燒?!那彌漫在空氣中的縷縷青煙不知又產(chǎn)生了多少致癌二噁英啊!”2002年，我國非典爆發(fā)，短期產(chǎn)生的大量醫(yī)療廢物只能被一些簡易設(shè)計(jì)的小型焚燒裝置應(yīng)急焚燒掉。浙江大學(xué)能源工程學(xué)院熱能工程研究所嚴(yán)建華教授看在眼里、急在心里，他帶領(lǐng)的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)與以醫(yī)療廢物為代表的危險(xiǎn)廢物的對決開始進(jìn)入白熱化階段。
其實(shí)早在1988年，這位工程熱物理學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家與危廢之間的這場持續(xù)十多年的硬戰(zhàn)就因發(fā)生在上海市的一場突發(fā)公共衛(wèi)生事件而悄然拉開創(chuàng)新科研的帷幕。嚴(yán)建華回憶道：“當(dāng)年有近30萬上海市民因生食被醫(yī)廢污染的毛蚶而患上了甲型肝炎，那場轟動一時(shí)的傳染病給了我很大觸動。”2000年，當(dāng)兩名本科生敲開他的辦公室房門，請他作為校挑戰(zhàn)杯競賽的指導(dǎo)老師時(shí)，嚴(yán)建華為他們選擇了“危險(xiǎn)廢棄物無害化處理”的研究選題。也是從那時(shí)起，他作為第一完成人的“危險(xiǎn)廢物回轉(zhuǎn)式多段熱解焚燒及污染物協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)”創(chuàng)新研究項(xiàng)目正式起航了。
近些年來，我國危廢產(chǎn)量迅速增加，且來源復(fù)雜、涉及行業(yè)廣，國際履約責(zé)任大。焚燒處置具有減容、減量明顯、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，在危廢處理中的占比逐年攀升�；剞D(zhuǎn)窯是危廢焚燒處置中應(yīng)用最為廣泛的爐型，但在實(shí)際運(yùn)行過程中存在著三大難題：結(jié)渣嚴(yán)重啟停頻繁、排放超標(biāo)污染嚴(yán)重、組分復(fù)雜適應(yīng)性差。
想打勝仗，需要進(jìn)行前瞻性考慮和全局性分析。嚴(yán)建華帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)這三個(gè)核心難題，經(jīng)過十多年基礎(chǔ)研究和產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，提出了多段熱解焚燒、過程協(xié)同優(yōu)化、物料特性表征三大創(chuàng)新方法，在熔融自清渣高效穩(wěn)定燃燒、低污染排放、多組分配伍給料等方面取得重大技術(shù)突破。
工欲善其事，必先利其器。他們首先解決了“用什么燒”這個(gè)問題，并原創(chuàng)性地開發(fā)出適應(yīng)復(fù)雜組分危險(xiǎn)廢物的回轉(zhuǎn)式多段熱解自熔融焚燒新技術(shù)。
在一定的燃燒條件下，將不同熱值和灰熔點(diǎn)的危廢混合焚燒，極易造成回轉(zhuǎn)窯結(jié)渣縮圈，設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間很少超過2個(gè)月;高溫燃燒可以減少結(jié)渣生成，但能耗高、損失大。怎么化解這個(gè)困擾行業(yè)多年的矛盾?討論之后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)萌發(fā)出一個(gè)想法：能不能通過燃燒優(yōu)化控制，在觀測到縮圈情況時(shí)僅提高回轉(zhuǎn)窯尾部區(qū)域燃燒溫度，使黏附在該處的固體殘?jiān)刍鞒?在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出回轉(zhuǎn)窯內(nèi)自熔融燃燒和結(jié)渣自清除新技術(shù)，突破了行業(yè)瓶頸，將回轉(zhuǎn)窯連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間提高到6個(gè)月以上，并成功開發(fā)出處理量為10-100噸/日系列化裝備。
危廢構(gòu)成復(fù)雜，組分特性差異大，很難實(shí)現(xiàn)充分燃燒。針對這個(gè)問題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在回轉(zhuǎn)窯尾端設(shè)計(jì)了向上向下兩個(gè)通道，并開發(fā)出集窯內(nèi)熱解焚燒、氣相組分空間燃燒、固相殘?jiān)鼑妱邮叫D(zhuǎn)布風(fēng)燃燼為一體的多段熱解焚燒新技術(shù)。未被燃燒殆盡的有害氣體和固體殘?jiān)梢苑謩e進(jìn)入上下兩個(gè)通道進(jìn)行二次燃燒。這樣一來不僅大大提高了危廢焚燒后的減容量，還將焚燒底渣熱灼減率降低到1%以下，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
不同地區(qū)的危廢產(chǎn)量不同，標(biāo)準(zhǔn)化裝備必然會遭遇水土不服的困境。為普及推廣，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)探明了不同尺度物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律，建立了多相流動、窯壁和料層傳熱的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了回轉(zhuǎn)式熱解焚燒反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)新方法，為成果轉(zhuǎn)化插上了因地制宜的翅膀。
要想取得戰(zhàn)爭勝利，不僅要有好的裝備，還需要好的戰(zhàn)術(shù)。在回答“怎么清潔燃燒”這個(gè)問題時(shí)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出了復(fù)雜工況下危險(xiǎn)廢物熱解焚燒自適應(yīng)優(yōu)化控制方法及污染物聯(lián)合凈化策略。
針對傳統(tǒng)焚燒過程中采用點(diǎn)測量和開環(huán)控制的不足，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)建立了基于輻射能反投影的窯內(nèi)溫度場測量方法，通過兩個(gè)傳感器實(shí)時(shí)獲取回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度場分布特征，并開發(fā)出一套基于窯內(nèi)溫度場分布、特征污染物濃度和運(yùn)行參數(shù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，適用于復(fù)雜工況下危廢熱解焚燒過程的自適應(yīng)優(yōu)化閉環(huán)控制新方法。給料速度、輔助燃料量、回轉(zhuǎn)窯速度、風(fēng)量、活性炭給料量……這些原本用手工調(diào)節(jié)的參數(shù)通過該方法實(shí)現(xiàn)了自動控制，不僅有效提高了焚燒系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，也大大降低了污染物排放量。
危險(xiǎn)廢物因其具有高氯、重金屬含量高等特征，不完全燃燒物極易發(fā)生低溫異相反應(yīng)，進(jìn)而可能生成毒性嚴(yán)重的致癌物質(zhì)二噁英。煙氣中二噁英排放濃度一般為納克級(10-9g/Nm3)，僅使用常規(guī)的末端控制方法，二噁英達(dá)標(biāo)率低。
怎么解決關(guān)鍵污染物二噁英超標(biāo)排放這個(gè)難題?項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)多面出擊，研發(fā)出阻滯效率達(dá)90%以上的高效一體化復(fù)合阻滯劑，更搭建起全過程、多途徑污染物協(xié)同控制體系——焚燒前進(jìn)行科學(xué)配伍，焚燒中進(jìn)行過程自適應(yīng)優(yōu)化處理，焚燒后通過硫氮基阻滯、半干法脫酸、改性活性炭噴射、高效布袋除塵、濕法脫酸5個(gè)方法聯(lián)合凈化。“這樣一來，從煙囪排出的氣體就非常干凈了，二噁英排放指標(biāo)優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)1個(gè)數(shù)量級，也顯著優(yōu)于歐盟標(biāo)準(zhǔn)。”嚴(yán)建華介紹到采用所開發(fā)的技術(shù)能實(shí)現(xiàn)污染物超低排放這一優(yōu)勢時(shí)充滿了自豪。
“拉來就燒”一度是最為普遍的危廢處置辦法。深知其嚴(yán)重危害性的嚴(yán)建華不禁自問，怎么可以實(shí)現(xiàn)“更科學(xué)地燃燒”?“骨頭怎么燒，PVC怎么燒，化纖怎么燒?我們能不能盡可能多地把危廢樣品收集起來，搞清楚他們的特性，并建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫來指導(dǎo)入爐物料配伍?”有了這個(gè)想法后，他帶領(lǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)深入研究典型危廢樣品的指紋特性、理化特性和熱化學(xué)動力學(xué)特性參數(shù)，率先建立了全面覆蓋20大類900多個(gè)可燃危廢樣品的焚燒特性數(shù)據(jù)庫。
依托該數(shù)據(jù)庫，他們建立起指導(dǎo)物料配伍，包含物料物性指標(biāo)、污染控制指標(biāo)、系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)的多級指標(biāo)控制體系;制定了危廢配伍技術(shù)導(dǎo)則和進(jìn)料菜單;提出了散裝固態(tài)廢物、桶裝廢物、液態(tài)廢物和氣態(tài)廢物的優(yōu)化配伍新方法;實(shí)現(xiàn)了多形態(tài)危廢的連續(xù)可控和精確進(jìn)料。為提高系統(tǒng)適應(yīng)性、實(shí)現(xiàn)清潔高效穩(wěn)定焚燒提供科學(xué)指導(dǎo)。
“這是一個(gè)系統(tǒng)工程，三個(gè)方面的研究相互制約，需要同步展開。”頂層設(shè)計(jì)之后，嚴(yán)建華帶領(lǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在十余個(gè)寒來暑往中不斷完善技術(shù)工藝，終于實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)窯連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間、焚燒底渣熱灼減率、二噁英排放等核心技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于國內(nèi)外同類技術(shù)，并建立起行業(yè)內(nèi)最完整的危廢焚燒特性數(shù)據(jù)庫。
項(xiàng)目引領(lǐng)了我國危廢焚燒處置技術(shù)進(jìn)步、促進(jìn)了區(qū)域環(huán)境保護(hù)和社會可持續(xù)發(fā)展，顯著增強(qiáng)了危廢處置產(chǎn)業(yè)的科技競爭力。完成單位建設(shè)的杭州危廢處置項(xiàng)目，日處置量達(dá)82噸，是我國第一個(gè)投運(yùn)的國家級示范工程，還獲得我國第一張危險(xiǎn)廢物經(jīng)營許可證。完成單位推廣的危廢焚燒項(xiàng)目近三年新增銷售額18.4億元，新增利潤3.5億元，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。“這項(xiàng)研究工作是不能停的，我們要進(jìn)一步完善并在全國各地推廣運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，還要把數(shù)據(jù)庫做得更大更完整。”道阻且長，但項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在這場危廢處置戰(zhàn)中從未卻步,且始終斗志昂揚(yáng)……
