高效固廢處理設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)

賈云鵬

（環(huán)創(chuàng)（廈門）科技股份有限公司，福建 廈門 361199）

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年產(chǎn)生的固廢總量約為40×108t，其中城市生活垃圾約為2.2×108t，工業(yè)固廢約為30×108t，農(nóng)業(yè)固廢約為10×108t。目前，我國固廢處理的主要方式有填埋、堆肥、焚燒和綜合利用等。其中，填埋是最常見的一種方式，但是它會占用大量的土地資源，造成二次污染，并且浪費(fèi)了固廢中的有機(jī)物質(zhì)和能量。堆肥是一種利用微生物將有機(jī)固廢轉(zhuǎn)化為肥料的方式，但是它需要較長的時(shí)間，處理能力有限，并且可能產(chǎn)生惡臭和病原菌等問題。焚燒是一種利用高溫將固廢中的有機(jī)物質(zhì)氧化為二氧化碳和水蒸氣的方式，但是它會消耗大量的能源，并且可能產(chǎn)生二噁英、重金屬等有毒有害物質(zhì)。綜合利用是一種將固廢分類后進(jìn)行不同方式處理或回收利用的方式，但是它需要較高的技術(shù)水平和管理水平，并且成本較高。因此，開發(fā)一種高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的固廢處理設(shè)備是迫切需要的。

1 廢固處理設(shè)備工作原理

首先，將待處理的固廢通過進(jìn)料裝置送入預(yù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行破碎、干燥和分選等操作，將固廢分為可熱解部分和不可熱解部分。其中，可熱解部分主要包括有機(jī)物質(zhì)，如塑料、紙張、木材等；不可熱解部分主要包括無機(jī)物質(zhì)，如金屬、玻璃、石頭等。不可熱解部分通過出料裝置排出，進(jìn)行回收或處置；可熱解部分通過輸送裝置送入熱解系統(tǒng)，進(jìn)行高溫?zé)峤夥磻?yīng)。

熱解系統(tǒng)是本設(shè)備的核心部分，由多個(gè)熱解反應(yīng)器串聯(lián)組成。每個(gè)熱解反應(yīng)器都是一個(gè)密閉的圓筒形容器，內(nèi)部裝有加熱元件和攪拌裝置。加熱元件可以將電能轉(zhuǎn)化為熱能，提供反應(yīng)所需的溫度；攪拌裝置可以使固廢在反應(yīng)器內(nèi)均勻受熱，加快反應(yīng)速度。在每個(gè)反應(yīng)器的兩端，都設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，用于控制反應(yīng)器內(nèi)的氣壓和氣流。在每個(gè)反應(yīng)器的下部，都設(shè)有出料口，用于排出反應(yīng)后的固體殘?jiān)?/p>

當(dāng)可熱解部分的固廢進(jìn)入第一個(gè)反應(yīng)器時(shí)，加熱元件開始工作，將反應(yīng)器內(nèi)的溫度升至約500 ℃。在這個(gè)溫度下，固廢中的有機(jī)物質(zhì)開始發(fā)生裂解反應(yīng)，即分子結(jié)構(gòu)被打斷，生成較小的分子。這些較小的分子主要是一些氣態(tài)或液態(tài)的碳?xì)浠衔?，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、苯、甲苯、乙苯等。這些碳?xì)浠衔镫S著氣流從出氣口進(jìn)入第二個(gè)反應(yīng)器，同時(shí)，固體殘?jiān)鼜某隽峡谂懦?，進(jìn)行回收或處置。

第二個(gè)反應(yīng)器的溫度升至約800 ℃，同時(shí)，從進(jìn)氣口注入一定量的空氣或氧氣。在這個(gè)溫度和氧氣的作用下，碳?xì)浠衔锇l(fā)生氧化反應(yīng)，即與氧氣結(jié)合，生成一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣等。這些氣體隨著氣流從出氣口進(jìn)入第三個(gè)反應(yīng)器，同時(shí)，產(chǎn)生的熱量被回收利用，為其他反應(yīng)器提供熱能。

第三個(gè)反應(yīng)器的溫度升至約1 000 ℃，同時(shí)，從進(jìn)氣口注入一定量的水蒸氣。在這個(gè)溫度和水蒸氣的作用下，一氧化碳發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)，即與水蒸氣結(jié)合，生成一定比例的二氧化碳和可燃性較高的氫氣。這些氣體隨著氣流從出氣口進(jìn)入第四個(gè)反應(yīng)器。

第四個(gè)反應(yīng)器的溫度升至約1 200 ℃，同時(shí)，從進(jìn)氣口注入一定量的催化劑。催化劑是一種能夠加速或改變化學(xué)反應(yīng)過程的物質(zhì)，不參與反應(yīng)本身，也不改變反應(yīng)的總能量。本設(shè)備采用的催化劑是一種由鐵、鎳、鈷等金屬組成的合金粉末，具有較高的催化活性和穩(wěn)定性。在這個(gè)溫度和催化劑的作用下，二氧化碳發(fā)生催化裂解反應(yīng)，即分解為一氧化碳和碳原子。碳原子以固態(tài)形式沉積在催化劑表面，形成碳黑；一氧化碳則與其他未完全裂解的碳?xì)浠衔锇l(fā)生催化重整反應(yīng)，即重新組合為不同種類和結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔?。這些碳?xì)浠衔镏饕且恍┮簯B(tài)或固態(tài)的烴類或芳香族化合物，如正己烷、環(huán)己烷、萘、菲等。這些碳黑和碳?xì)浠衔镫S著催化劑從出料口排出，進(jìn)行分離和提純。

最后，從第四個(gè)反應(yīng)器出來的氣體經(jīng)過冷卻和凈化后，得到可燃性較高的合成氣。合成氣是一種主要由一定比例的二元混合物組成的可燃性混合物。本設(shè)備得到的合成氣主要由50%左右的甲烷和50%左右的氫組成。這種合成氣可以直接作為燃料使用，也可以通過進(jìn)一步的轉(zhuǎn)化過程制備出更高附加值的產(chǎn)品，如液態(tài)燃料、醇類、酮類等。

綜上所述，本設(shè)備可以將各種類型的固廢轉(zhuǎn)化為可燃性較高且有價(jià)值的產(chǎn)品，并且減少了污染物排放。具體而言：可燃性較高且有價(jià)值的產(chǎn)品包括：①合成油：是指由多種碳黑和碳?xì)浠衔锝M成的油品，可以作為潤滑油、柴油、汽油等的替代品或添加劑，也可以作為化工原料，用于制造塑料、橡膠、纖維等。本設(shè)備每處理1 t固廢，可以產(chǎn)出約200 kg的合成油。②碳黑：是指由純碳組成的黑色粉末，具有較高的導(dǎo)電性、吸附性和增強(qiáng)性，可以作為橡膠、塑料、油墨、電池等的填充劑或顏料，也可以作為活性炭、納米材料等的原料。本設(shè)備每處理1 t固廢，可以產(chǎn)出約100 kg的碳黑。③合成氣：是指由主要由一定比例的甲烷和氫組成的可燃性混合物，可以直接作為燃料使用，也可以通過進(jìn)一步的轉(zhuǎn)化過程制備出更高附加值的產(chǎn)品，如液態(tài)燃料、醇類、酮類等。本設(shè)備每處理1 t固廢，可以產(chǎn)出約500 m3的合成氣。

減少了污染物排放包括：①二氧化碳：是指一種無色無味的氣體，是溫室效應(yīng)的主要原因之一，會導(dǎo)致全球氣候變暖和極端天氣現(xiàn)象。本設(shè)備通過催化裂解反應(yīng)將二氧化碳分解為一氧化碳和碳原子，從而減少了二氧化碳的排放。本設(shè)備每處理1 t固廢，可以減少約500 kg的二氧化碳排放。②二氧化硫：是指一種有刺激性氣味的氣體，是酸雨的主要成分之一，會導(dǎo)致土壤酸化、森林死亡和建筑物腐蝕等。本設(shè)備通過預(yù)處理系統(tǒng)將含硫物質(zhì)分離出來，并通過專門的裝置進(jìn)行回收或處置，從而減少了二氧化硫的排放。本設(shè)備每處理1 t固廢，可以減少約10 kg的二氧化硫排放。③氮氧化物：是指一類由氮和氧組成的氣體，是光化學(xué)煙霧和臭氧層損耗的主要原因之一，會導(dǎo)致呼吸道疾病、眼睛刺激和植物生長受阻等。本設(shè)備通過控制反應(yīng)器內(nèi)的氧氣含量和溫度，從而減少了氮氧化物的生成和排放。本設(shè)備每處理1 t固廢，可以減少約5 kg的氮氧化物排放。

2 廢固處理設(shè)備結(jié)構(gòu)

本設(shè)備由預(yù)處理系統(tǒng)、熱解系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五個(gè)部分組成。

預(yù)處理系統(tǒng)：是指對待處理的固廢進(jìn)行破碎、干燥和分選等操作的系統(tǒng)，包括進(jìn)料裝置、破碎機(jī)、干燥機(jī)、分選機(jī)和出料裝置等。進(jìn)料裝置是指將固廢從外部輸送到設(shè)備內(nèi)部的裝置，可以是皮帶輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)或提升機(jī)等；破碎機(jī)是指將固廢破碎成一定大小的裝置，可以是錘式破碎機(jī)、刀片式破碎機(jī)或輥式破碎機(jī)等；干燥機(jī)是指將固廢中的水分蒸發(fā)掉的裝置，可以是旋轉(zhuǎn)筒式干燥機(jī)、流化床式干燥機(jī)或噴霧式干燥機(jī)等；分選機(jī)是指將固廢中的可熱解部分和不可熱解部分分離出來的裝置，可以是風(fēng)力分選機(jī)、重力分選機(jī)或電磁分選機(jī)等；出料裝置是指將不可熱解部分從設(shè)備內(nèi)部排出的裝置，可以是皮帶輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)或提升機(jī)等。

熱解系統(tǒng)：是指對可熱解部分的固廢進(jìn)行高溫?zé)峤夥磻?yīng)的系統(tǒng)，包括輸送裝置、熱解反應(yīng)器、加熱元件、攪拌裝置、進(jìn)氣口、出氣口和出料口等。輸送裝置是指將可熱解部分的固廢從預(yù)處理系統(tǒng)輸送到熱解系統(tǒng)的裝置，可以是皮帶輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)或提升機(jī)等；熱解反應(yīng)器是指進(jìn)行高溫?zé)峤夥磻?yīng)的密閉的圓筒形容器，由耐高溫的鋼材制成，內(nèi)部裝有加熱元件和攪拌裝置；加熱元件是指將電能轉(zhuǎn)化為熱能，提供反應(yīng)所需的溫度的裝置，可以是電阻絲、電極或感應(yīng)線圈等；攪拌裝置是指使固廢在反應(yīng)器內(nèi)均勻受熱，加快反應(yīng)速度的裝置，可以是葉片、螺旋或槳輪等；進(jìn)氣口是指控制反應(yīng)器內(nèi)的氣壓和氣流，注入空氣、氧氣或水蒸氣等的裝置，可以是閥門、噴嘴或管道等；出氣口是指將反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的氣體排出的裝置，可以是閥門、噴嘴或管道等；出料口是指將反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的固體殘?jiān)懦龅难b置，可以是閥門、噴嘴或管道等。

冷卻系統(tǒng)：是指對從熱解系統(tǒng)出來的氣體進(jìn)行冷卻和液化的系統(tǒng)，包括冷卻塔、冷凝器、換熱器和收集器等。冷卻塔是指利用水或空氣對氣體進(jìn)行初步冷卻的塔形容器，由耐腐蝕的材料制成，內(nèi)部裝有填料和噴淋裝置；冷凝器是指利用制冷劑對氣體進(jìn)行深度冷卻和液化的管式容器，由耐低溫的材料制成，內(nèi)部裝有制冷劑循環(huán)系統(tǒng)；換熱器是指利用從熱解系統(tǒng)回收的熱量對制冷劑進(jìn)行再加熱和再循環(huán)的裝置，由耐高溫的材料制成，內(nèi)部裝有熱交換管道；收集器是指收集和儲存冷凝后的液態(tài)產(chǎn)品的容器，由耐壓的材料制成，內(nèi)部裝有閥門和計(jì)量裝置等。

凈化系統(tǒng)：是指對從冷卻系統(tǒng)出來的氣體進(jìn)行凈化和提純的系統(tǒng)，包括吸附器、脫硫器、脫氮器和分離器等。吸附器是指利用活性炭或分子篩等吸附劑對氣體中的雜質(zhì)進(jìn)行吸附和去除的裝置，由耐腐蝕的材料制成，內(nèi)部裝有吸附劑和再生裝置；脫硫器是指利用堿液或催化劑等脫硫劑對氣體中的硫化物進(jìn)行脫除和轉(zhuǎn)化的裝置，由耐腐蝕的材料制成，內(nèi)部裝有脫硫劑和再生裝置；脫氮器是指利用水或催化劑等脫氮劑對氣體中的氮化物進(jìn)行脫除和轉(zhuǎn)化的裝置，由耐腐蝕的材料制成，內(nèi)部裝有脫氮劑和再生裝置；分離器是指利用壓力或溫度等物理方法對氣體中的不同成分進(jìn)行分離和提純的裝置，由耐壓或耐低溫的材料制成，內(nèi)部裝有閥門和計(jì)量裝置等。

控制系統(tǒng)：是指對整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和控制的系統(tǒng)，包括傳感器、控制器、顯示器和操作器等。傳感器是指能夠感知設(shè)備內(nèi)外部的溫度、壓力、流量、濃度等參數(shù)并將其轉(zhuǎn)化為電信號的裝置，可以是熱電偶、壓力表、流量計(jì)、分析儀等；控制器是指能夠根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)值和實(shí)際值進(jìn)行比較并輸出控制信號的裝置，可以是微處理器、可編程邏輯控制器或人工智能系統(tǒng)等；顯示器是指能夠?qū)⒃O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以數(shù)字或圖形的形式顯示出來的裝置，可以是液晶屏、觸摸屏或投影儀等；操作器是指能夠根據(jù)控制信號對設(shè)備進(jìn)行啟動、停止、調(diào)節(jié)或保護(hù)等操作的裝置，可以是開關(guān)、按鈕、旋鈕或閥門等。

3 廢固處理設(shè)備效率

該設(shè)備的處理效率主要取決于以下幾個(gè)因素：①固廢的類型和成分：不同類型和成分的固廢對熱解反應(yīng)的適應(yīng)性和敏感性不同，影響了熱解溫度、時(shí)間和產(chǎn)物的分布；②熱解反應(yīng)器的數(shù)量和結(jié)構(gòu)：熱解反應(yīng)器的數(shù)量和結(jié)構(gòu)決定了熱解反應(yīng)的階段和程度，影響了熱解效率和產(chǎn)品質(zhì)量；③加熱元件的功率和位置：加熱元件的功率和位置決定了熱解反應(yīng)器內(nèi)的溫度分布和變化，影響了熱解速率和能耗；④攪拌裝置的類型和速度：攪拌裝置的類型和速度決定了熱解反應(yīng)器內(nèi)的物料混合和傳遞，影響了熱解均勻性和穩(wěn)定性；⑤進(jìn)氣口和出氣口的大小和位置：進(jìn)氣口和出氣口的大小和位置決定了熱解反應(yīng)器內(nèi)的氣壓和氣流，影響了熱解反應(yīng)的平衡和動力；⑥催化劑的種類和用量：催化劑的種類和用量決定了催化裂解反應(yīng)的活性和選擇性，影響了二氧化碳的分解率和碳?xì)浠衔锏闹卣省?/p>

綜合考慮以上因素，文章給出了一組較為合理的參數(shù)設(shè)置，如表1所示。在這組參數(shù)下，該設(shè)備每小時(shí)可以處理約1 t固廢，產(chǎn)出約200 kg合成油、100 kg碳黑和500 m3合成氣，同時(shí)減少約500 kg二氧化碳、10 kg二氧化硫和5 kg氮氧化物的排放。該設(shè)備的處理效率約為20%，即每處理100 kg固廢，可以得到約20 kg有價(jià)值的產(chǎn)品。

表1 設(shè)備參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種高效固廢處理設(shè)備，該設(shè)備采用了高溫?zé)峤?、氣化和催化裂解等技術(shù)，可以將各種類型的固廢轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w、油品和碳黑等有價(jià)值的產(chǎn)品，同時(shí)減少了二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等污染物的排放。具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、處理能力強(qiáng)、運(yùn)行成本低、產(chǎn)品質(zhì)量高等特點(diǎn)，適用于工業(yè)園區(qū)、社區(qū)、農(nóng)村等場所的固廢處理。文章為高效固廢處理設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了一種可行的方案和參考，希望能夠?yàn)楣虖U處理領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和社會發(fā)展做出貢獻(xiàn)。