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余式正:战胜二噁英 开创垃圾处理新时代

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发布时间:2019-03-06 15:32:28

         一、人类公敌二噁英

哪里有人居住哪里就有垃圾。垃圾日积月累造成垃圾围城,酿成垃圾危机。垃圾处理的主流是垃圾焚烧,垃圾中含有大量塑料,垃圾焚烧不可避免要产生二噁英。二噁英号称天下第一毒,产生后返回地面,构成对人类健康的严重威胁,如何杜绝二噁英的产生成了世界性难题。去年,英国女王把塑料当作全人类公敌,宣布对塑料宣战。其实,真正的全人类公敌是二噁英,战胜二噁英是对全人类的挑战,也是我们难得的历史机遇。

北京正仁科技有限公司董事长余式正退休不忘解民困,年长仍坚持创新,经过十几年的艰苦努力,把古老的干馏技术用于垃圾处理,发明了无二噁英、无废气排放的立式负压垃圾干馏焚烧炉发明专利ZL  201410393458.8,终于实现垃圾焚烧杜绝二噁英产生、无废气排放的彻底无害化;把废弃的垃圾变为清洁燃气收集利用,变废为宝的真正减量化和低成本、多发电,经济效益显著,可望告别靠政府补贴的高效资源化,开创垃圾无害化处理的新时代!

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1、垃圾焚烧的难点

何谓创新?创新首先需要研究现有技术存在的问题,然后找出解决问题的新办法,这就是创新。当前垃圾填埋占用土地,污染环境,不宜推广无需赘述。垃圾焚烧不可避免会产生的二噁英。不是无害化;一吨垃圾焚烧变成4000-7000立方米废气,不是减量化;需要政府补贴,资源化不充分。特别是2009年国际二噁英大会在北京召开,二噁英的问题引起高度重视,反对垃圾焚烧的群体事件时有发生。说明垃圾焚烧的难点就在于垃圾焚烧不可避免会产生二噁英。2011年16部委《关于进一步加强城市生活垃圾处理工作的意见》,给我们提出的任务是:“提高创新能力。……重点突破清洁焚烧、二英控制、飞灰无害化处置、……等关键性技术”。

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2、二噁英不是不可战胜的━━垃圾焚烧的理论创新研究研究表明,二噁英的生成有三个阶段:初始生成阶段、生成后高温分解和尾部复合阶段。而且,二噁英生成后又会重新复合,所以就难以消灭。二噁英的生成又十分复杂,要在初始阶段消灭二噁英似乎是不可能的,为此,只好在二噁英生成以后进行治理。国外推出3T+E、布袋除尘、活性炭吸附,甚至采用纯氧熔融燃烧等措施,让二噁英生成以后进行高温分解并采取急冷防止复合等办法。花费很高的处理成本,付出极大的代价。

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图1   二噁英的分子式

我们看二噁英的分子式(图1):它是由一个或两个氧原子结合两个被氯取代的苯环组成的。可见它的生成必须具备两个必要个条件:有氯和苯环存在并且发生氧化反应。原生垃圾不能没有氯和苯环存在,焚烧是氧化反应,据此专家断言:垃圾焚烧不可避免会产生二噁英是有理论根据的。

国家发改委曾经过七轮专家会议论证,有人认为垃圾除了焚烧,没有更好的办法;有人认为垃圾焚烧是无奈之举。也都确认垃圾焚烧不可避免会产生二噁英。垃圾焚烧产生二噁英引发反对垃圾焚烧的群体事件。

我们从另一个角度看,尽管二噁英的产生十分复杂,但只要控制垃圾焚烧过程,不具备产生二噁英的任一必要条件就不会产生二噁英。为此我们把垃圾焚烧的过程分为两个阶段:原生垃圾有氯和苯环存在,我们就让垃圾干馏。所谓“干馏”,就是固体有机物在隔绝空气条件下加热分解的化学反应过程,例如木材干馏生成木炭。干馏生成可燃气体(干馏煤气)、焦油和碳化物固体残渣。所谓隔绝空气就是形成没有氧存在的还原性气氛。在没有氧的状态下加热垃圾、让垃圾分解,生成燃气和碳化物。因为没有氧、不发生氧化反应当然就不产生二噁英。然后再烧干馏产生的干馏煤气或者碳化物残渣,苯环已经分解,燃烧碳化物当然不会产生二噁英!

于是,我们就把二噁英消灭在初始阶段,既无需高温分解也不存在尾部复合。实现了垃圾焚烧不产生二噁英的理想!这就是消灭二噁英、实现垃圾清洁焚烧的理论根据,是我们的研究成果!

作为中间试验,我们的第二代垃圾干馏气化炉把产生的燃气收集起来用于烧砖,排放的废气中二噁英实测含量如图2所示,三次的平均值为0.028ng/m3,远低于日本和欧盟0.1ng/m3的排放标准。通过中间试验的实践检验,证实垃圾干馏焚烧不产生二噁英的理论是正确的。

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图2    把可燃气体烧砖后二噁英排放实测结果

3、关键是确保干馏没有氧气存在

根据上面的理论分析,垃圾焚烧是否产生二噁英,关键就在于垃圾在干馏的时候,是否能够确保原生垃圾是处于隔绝空气的无氧状态。因此垃圾干馏焚烧炉的结构是关键。图3是避免产生二噁英、无废气排放的垃圾干馏焚烧炉结构示意图。干馏焚烧炉自上而下分成干燥段、干馏段、还原段、燃烧段和灰渣段:垃圾从进料喉入炉以后,先经过干燥,然后下降到干馏段进行干馏,干馏以后留下的碳化物残渣,下降到燃烧段接触空气燃烧以前,被下面碳化物燃烧产生的高温加热到高温状态,高温的碳化物成为还原剂。当燃烧产生的CO2经过时就被还原生成CO,称为熱煤气,通过中心及周围的燃气室上升,为垃圾干馏和垃圾干燥提供热量。

我们再看干燥段,原生垃圾受到上升的熱煤气加热以后,垃圾中的水分蒸发成水蒸汽,把夹杂在垃圾中的空气赶走并取而代之;再下降到接近干馏段的时候,垃圾干馏产生的干馏煤气赶走水蒸汽,原生垃圾到达干馏段时已完全干燥,意味着水蒸汽已经完全被干馏煤气所取代。夹杂在垃圾中的空气经历两次置换,确保原生垃圾完全干燥以后,即已经不存在水蒸汽的状态下进入干馏段,此时的原生垃圾就处于没有氧气存在状态,原生垃圾干馏的时候确实不产生氧化反应。也就避免了二噁英的产生。后面燃烧碳化物或者干馏煤气也不产生二噁英。

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图3  干馏焚烧炉的结构

有人不清楚干馏和热解或裂解的差别,把垃圾干馏混同垃圾热解或裂解,因此不理解垃圾为何能够避免二噁英产生。显然,干馏反应限定两个条件:一是固体有机物;二是隔绝空气,即没有氧气存在,而热解则仅是加热分解,有氧存在就可生成二噁英。还有人创造出所谓“绝氧热解”、“无氧热解”的新名词,因为热解就是加热分解,和绝氧、无氧是相互矛盾的,把他们放在一起都是不规范的。

我们说第二代垃圾焚烧炉,例如流化床垃圾焚烧炉、加拿大的控气式CAO垃圾焚烧炉等是采用垃圾热解-气化的焚烧方式,热解没有隔绝空气,所以不可避免会产生二噁英,干馏焚烧炉原生垃圾在隔绝空气状态下干馏、就避免了二噁英的产生,因此,开创了垃圾焚烧避免二噁英产生的第三代垃圾焚烧炉的新时代!

4、不排放废气原来这么简单

垃圾处理的目的是无害化、减量化和资源化。我们克服了垃圾焚烧产生二噁英的难题、解决了无害化问题以后,就不能不解决减量化的难题。过去有人认为垃圾烧掉了,眼不见就是减量化。其实不然,每吨垃圾焚烧产生4000-7000立方米的废气排放空中,废气包含温室气体和NOX、SOX等有害气体,污染环境并影响全球气候,并不是真正的减量化。

我们认为,真正的减量化是把被丢弃的垃圾变成有用的物质,即“变废为宝”、而且不产生二次污染才是真正的减量化。参看图3,垃圾燃烧产生的CO2经过还原层时就被还原生成CO熱煤气,通过中心及周围的燃气室上升,为垃圾干馏和垃圾干燥提供热量,同时收集利用,既变废气CO2为燃气CO,实现变废为宝,又没有废气排放,实现真正的减量化。

5. 垃圾日产日清就没有渗滤液和恶臭产生

过去垃圾焚烧炉点火十分麻烦,既费时又费力,需要尽量避免垃圾供应不上、产生熄火的事故。为此所有的垃圾焚烧炉都需要储存7-30天的垃圾备用。垃圾在储存期间由于垃圾腐烂而产生大量的渗滤液,同时散发出难闻的臭气,就产生新的二次污染,也不是真正的减量化。

垃圾干馏焚烧炉采用立式结构(图3),炉内积存大量的垃圾,可以封炉,几天不灭、不存在熄火的问题,因此垃圾无需储存,可以做到日产日清。垃圾不储存既不产生渗滤液,无需渗滤液处理;也避免垃圾腐烂的恶臭,无需臭气处理,实现真正的减量化。

6、垃圾焚烧技术的创新带来显著的社会效益和经济效益

社会效益

⑴、垃圾焚烧可以避免二噁英的产生,不对人体有所毒害,降服全人类公敌,群众能够放心支持垃圾干馏焚烧,破解垃圾危机;

⑵、没有废气排放,不污染空气,不污染环境,不影响全球气候,绿色环保;

⑶、没有渗滤液、没有恶臭,不影响群众生活,能够得到群众的支持;

⑷、体积小、占地面积减少90%,可以单元组合,规模随意,可实现大型化,也可小型化,可以建设在小区或者中转站,用地不受限制。  

经济效益

⑴、不产生二噁英就无需废气处理,无需飞灰处理,无需布袋除尘,无需活性炭吸附,无需余热锅炉;无需渗滤液处理,无需臭气处理,因此投资减少80%,运行成本减少70%,每吨垃圾的处理费用大约降低到60元左右;

⑵、不产生二噁英,无需把废气加热到850℃以上节约大量热源。

⑶、垃圾干燥把其中的水分变成水蒸气,过去随废气排放能源浪费,

我们用作碳化物燃烧的气化剂,回收部分热量,生成H2气,减少空气量,提高燃气热值。

⑷、设置燃烧层、续燃层和燃尽层,垃圾燃烧充分,热能充分利用;

⑸、过去垃圾焚烧发电只能采用余热锅炉和蒸汽轮机发电,发电效率不超过20%,而垃圾干馏焚烧发电采用燃气轮机利用IGCC发电,效率可达45%,效率提高一倍,每吨垃圾应该可发电500度以上,按发改委规定,卖电收入达375元,不计政府补贴,处理每吨垃圾盈利300元以上,经济效益显著。

    据此,垃圾干馏焚烧企业可以自负盈亏,甚至有厚利可图,垃圾处理有望告别公益事业,无需政府补贴。因此,垃圾干馏焚烧引领垃圾处理的主流,具有广阔的市场。

二、垃圾分类的难点与创新

 1、垃圾分类太多是自找苦吃━━垃圾分类的反思

垃圾分类或者垃圾综合利用强调“回收再利用”和“物尽其用”。实际上,所谓垃圾就是不能再用而被丢弃的废弃物,因此要“完全回收”再“物尽其用”就脱离实际。首先,有些垃圾回收以后还是无法再利用的。例如臭狗屎回收可以再喂狗吗?不能嘛!其次,有些垃圾回收以后存在着受污染再返回人们的餐桌,构成人们健康的威胁。也不能再利用。例如地沟油,国家禁止返回食品再利用。第三,强调“物尽其用”就导致分类过多,带来垃圾分选的困难。过去采用风选或者水选,都无法池底分选清楚,垃圾综合利用之所以不成功就是指导思想不切实际,遭遇到垃圾分选的难题!如果不转变垃圾分类的指导思想,垃圾分选是不可能完成的。日本垃圾分类实质上强调分为可燃垃圾和不可燃垃圾两大类,值得我们借鉴。垃圾分类应该是越简单、越方便、越安全越好。

2、垃圾中有何资源可供利用━━垃圾利用的反思

尽管垃圾的成分十分复杂,其实都可以归纳为有机物和无机物两大类。存在于有机物中的资源,是丰富的热力资源,臭狗屎也有热力资源可供利用。利用垃圾中的热力资源具有利用最普遍、最省力、最安全的特点,所以垃圾资源化利用应当转到垃圾的热力资源利用。

在自动化广泛应用的今天,垃圾分选也应当实现自动分选。有人提倡垃圾源头分类,有人则指出垃圾源头分类所投入的人力物力,其实是天价的隐性人力和高昂的隐性成本,所以,垃圾分类应该走自动分选的道路。为此我们把垃圾送入垃圾干馏焚烧炉进行干馏,通过“干馏”就把垃圾中的有机物变成燃气,无机物经高温消毒,可做建材或铺路,既实现垃圾自动分选,又避免二噁英产生。我们把垃圾在隔绝空气状态下干馏分解的分选方法称之为垃圾综合利用的“热分选”法,彻底解决了垃圾分选的难题。

3、垃圾分类与垃圾焚烧殊途同归

利用垃圾的“热分选法”进行垃圾的分选,解决了垃圾分类和垃圾资源利用的难题。于是,垃圾焚烧和垃圾综合利用就采用同样的干馏技术,同样的垃圾干馏焚烧炉,实现了垃圾焚烧和垃圾综合利用技术的统一。即垃圾焚烧和垃圾分类或垃圾综合利用的殊途同归,2009年以来国内围绕垃圾烧还是不烧开展过激烈的争论,至此可以得出结论了!于是,今后垃圾干馏焚烧必将成为垃圾处理的主流。

三、引领生物质新能源发展方向━━干馏技术应用之一

1、  能源战争唤起新能源的开发

第一次工业革命推动社会生产力进步,能源成为了国家的经济命脉。为了争夺对世界能源资源的控制权,各大国之间引发了两次世界大战,二战后美苏两个超级大国为了争夺能源资源,展开了40多年的冷战;爆发以争夺中东石油控制权的石油战争。油价飙升直接导致了2008年的经济危机。

几次石油危机伴随着腥风血雨的战争,能源问题引起各国的重视。日本吸取第一次石油危机的教训,进行了大规模产业调整,增加了节能设备的利用,提升核电发电量,在第二次石油危机中保持了33.5%的增长率,引起各国的关注,纷纷掀起研发、利用新能源的热潮。美国利用玉米制造乙醇作为汽车的动力,巴西利用甘蔗生产乙醇替代了国内50%的汽油。瑞典发展沼气代替石油。

我国新能源的发展起步较晚,开始也用玉米生产燃料乙醇,结果与人畜争食,推高了玉米的价格,发改委不得不加以限制,于是,人们把眼光转向风能和太阳能。原来以为风电是没有污染的清洁能源可以降低全球变暖的威胁,结果发现风能也并非那么理想。太阳能本身是无污染的清洁能源。但是目前太阳能发电却被戴上“高污染”的帽子,在国内出现“见光死”的现象,产品严重依赖出口。

2、替代化石燃料的新能源必具的条件

哪种新能源有可能替代化石燃料?或者说我们要发展的新能源究竟应该具备什么条件?总结国内、国外新能源发展的经验可以发现,有望替代化石能源的新能源必需要具备以下的四个条件:

⑴、资源极大丰富。一方面人们对于能源的需求与日俱增;另一方面能源不可再生,总有资源枯竭的时候。作为化石能源的替代产品,资源不够丰富就不能完成替代化石能源的使命;

⑵、生产工艺简单、生产成本低廉。如果生产工艺复杂、生产成本过高就失去实用价值。所以生产成本必须低于化石能源;

⑶、必须能够大规模生产。否则就不能满足日益高涨的能源需求;

⑷、可再生、可持续,没有污染和实现全球温室气体的零增长。化石燃料燃烧都产生温室气体,影响地球的气候,我们只能要求实现温室气体的零增长。

根据以上的条件来衡量就可以发现,过去大力发展的燃料乙醇、风能、太阳能原来都不具备这四个条件。根据我国的实际情况,只适宜采用非粮生物质来生产新能源,具有良好的发展前景。

3、突破生物质新能源的技术瓶颈

非粮生物质具有资源丰富,可持续、可再生、能实现温室气体的零增长等优势,但我国至今没能取得实质性的进展,因为存在着技术瓶颈。

当前,把生物质转换成能源有如下的几种技术:

⑴、生产燃料乙醇:资源不足,生产燃料乙醇容易引起与人畜争食。

⑵、生物质制沼气:以瑞典、德国等欧盟国家采用生物质制沼气的办法,制定了《可再生能源电力指令》、(RES-E),德国出台《可再生能源法》,《生物质条例》。生物质发电得到迅速发展。

但是生物质制沼气生产规模小,生产周期长,占地面积大、有废渣、废液。从表1可以看出,沼气中含有25-50%的CO2,碳本来就是燃料,还没有使

用就变成温室气体,是难以容忍的资源极大浪费!

⑶、非粮生物质热解气化  我国采用生物质热解气化发电技术,使部分生物质燃烧提供生物质热解的热量,热解产生的燃气用来发电,留下碳化物就称为“生物炭”,可以做燃料有的可以做活性炭。

                   表1  沼气的成分

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4、引领生物质新能源的技术新潮流

本发明垃圾干馏焚烧炉,既然垃圾都能变成燃气,生物质不存在二噁英的问题,没有大量的水分,基本上都是有机物,热值更高、更容易变成燃气。与热解的差别,就在于我们是在隔绝空气的状态下把生物质干馏分解,除了产生干馏煤气以外,燃烧生物碳产生的CO2也被还原生成CO,生物质资源全部变成燃气利用,产气效率更高,产气量倍增,经济效益倍增,还能够大型化。

用干馏焚烧炉处理生物质,日产气量可达几百万立方米不在话下,还没有CO2排放,比生物质制沼气和热解气化技术更胜一筹,说明技术更先进、效益更高,今后必将引领生物质新能源制气技术的新潮流。

四、助力燃煤清洁、高效利用——干馏技术应用之二

1、我国能源的现状和燃煤产生的危害

一方面我国是能源资源贫乏的国家,石油、天然气需要大量依靠进口,另一方面随着我国工业化的进展,我国成为世界上的能源消耗大国,能源需求激增,于是就产生了严重的能源危机。

我国虽然油、气资源匮乏,但煤炭资源丰富,过去甚至出口到日本。目前我国70%的能源依靠燃煤:每年大约烧掉几十亿吨煤:发电大部分是燃煤,锅炉烧的基本上也是燃煤,在未来几十年内,煤炭在我国能源结构中仍将占据主导地位,它是我国战略上最安全和最可靠的能源。                                    

但是,作为燃煤的生产与消费大国,我国的煤炭利用技术总体上相对落后:燃煤直接燃烧的利用效率低,造成能源浪费,污染严重,导致环境质量恶化。大家能够明显感觉到的,近年的雾霾天气就是燃煤惹的祸;大家还不清楚的是雾霾天气对于人们身体健康的严重危害。

公开资料显示,河北省2011年的煤炭消费达3.07亿吨,京津冀地区约占80%,其中燃煤发电约占三分之一。除了发电之外,钢铁、水泥等重工业自身的生产过程也会燃烧消耗大量的煤炭,并排放出大量的大气污染物,导致雾霾天气,影响群众身体健康。

据报道,2011年京津冀地区196个燃煤电厂   图4  雾霾都是燃煤惹的祸大气污染物排放导致的PM2.5污染,造成了京津地区约9900人过早死亡,并导致接近70000人次因此健康受损而去医院接受门诊治疗或住院。其中,河北省的152个燃煤电厂导致了75%的过早死亡案例。

燃煤产生的有害气体还造成酸雨。每年由于酸雨造成的损失超过1000亿元,现在也到了解决的时候了。

2、我国煤制气的反思

燃煤的清洁、高效利用是煤制气。2013年国务院常务会议部署大气污染防治十项措施,全面整治燃煤小锅炉、整治城市扬尘、加快调整能源结构,加大天然气、煤制甲烷等清洁能源供应等。结果煤制甲烷被证明是高耗水、高排放、高污染、高能耗、高成本的技术。煤制气的试点没有成功。

此外,我国还引进气流床制气。所谓气流床煤气化就是让气化剂(水蒸气与纯氧)夹带粉煤或水煤浆送入气化炉在高温、高压状态下进行并流气化。主要用于大型IGCC发电和化肥生产,但是这种技术还不成熟,竞争不过燃煤超超临界发电。许多重复引进已使我国成为国外气流床气化技术的“试验场”,盲目引进和引进技术不成熟令我国付出了惨重的代价。

从上世纪80年代引进了两段式煤气发生炉制气技术,以40-60mm的烟煤为原料,煤在煤气发生炉上段进行干馏,产生干馏煤气和半焦,干馏煤气收集利用,半焦进入两段炉的下段进行气化反应,生成气化煤气。煤的干馏和气化集中在同一气化炉内完成,生成的干馏煤气和气化煤气经优化配置后分别进行除尘、除油、冷却、脱硫等工艺处理后,洁净煤气经加压输送系统供给工业窑炉作为燃料使用。

两段式煤气发生炉技术成熟,但不能大型化。最大直径不超过5米,根本无法满足IGCC发电和煤化工的需要。

3、垃圾干馏焚烧炉助力煤制气的更新换代

垃圾干馏焚烧炉借鉴两段式煤气发生炉,克服了大型化等技术关键,反过来可以促进两段式煤气发生炉的更新换代,实现大型化和燃煤的清洁高效利用。例如:单元组合解决大型化问题;负压燃烧,彻底改变原来的灰盘结构;燃烧分区控制,解决煤气发生炉的偏烧和中心黑洞问题,并且可以提高燃气的热值,实现最佳控制;改善蒸汽包结构,更加节能。可以改进煤制气的工艺,助力燃煤清洁、高效利用。

五、结束语:我们终极目标是治理雾霾天气

当今世界存在两大危机:垃圾危机和能源危机。技术不适应实际的需求,造成垃圾围城,酿成垃圾危机。垃圾危机是对我们巨大的挑战;也是时代赋予我们的难得的机遇。显然,国外破解垃圾危机的路子不适合我国的国情,我们不能照搬,因此我国破解垃圾危机之路只能在于技术创新。我们一定要不失时机,勇于创造引领世界潮流的科技成果。当然我们也知道,我们的力量是微不足道的,要推广垃圾干馏焚烧技术实在是力不从心,因此还需要政府和大家的支持与帮助,为破解垃圾危机而尽力。