劉 璐

一、引言

危險(xiǎn)廢物是我國環(huán)境的重要污染源之一，如果處置不當(dāng)，極易造成土壤、大氣和水體污染，嚴(yán)重威脅人類生存安全和生態(tài)環(huán)境安全?！秶椅ｋU(xiǎn)廢物名錄》規(guī)定了49類危險(xiǎn)廢物，危險(xiǎn)工業(yè)廢液污染面涉及廣泛、污染強(qiáng)度大、成分復(fù)雜、處理難度大。其主要處理方法有生化降解法、高級氧化法、濕式氧化法和焚燒法等。

二、化學(xué)鏈?zhǔn)饺紵喗?/h2>

焚燒法是目前處理此類廢液最主要的技術(shù)選擇。但是，傳統(tǒng)燃燒為有火焰燃燒，廢液含水率過高，需要額外加入燃料，且排放大量二氧化碳和氮氧化物。而化學(xué)鏈燃燒（Chemical-Looping Combustion，簡稱“CLC”）技術(shù)借助載氧體的作用，燃料與空氣不需要直接接觸，由載氧體將空氣中的氧傳遞到燃料中，在燃燒過程中生成高濃度的CO2或便于CO2分離的氣相混合物，同時(shí)消除其他污染物的生成及排放。在化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)中，載氧體在空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器之間循環(huán)。在燃料反應(yīng)器中，載氧體被燃料還原，反應(yīng)生成CO2和H2O：

冷卻水后，可以得到高濃度的二氧化碳，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的分離。

在空氣反應(yīng)器中，載氧體被空氣中的氧氣氧化：

采用傳統(tǒng)熱燃燒方法，排放大量CO2；采用垃圾化學(xué)鏈燃燒，是“固-固”反應(yīng)，反應(yīng)速率慢，燃燒效率低。而廢液化學(xué)鏈?zhǔn)饺紵菬o火焰燃燒，廢液中大量水分可以驅(qū)動固體燃料氣化，提高固體燃料的化學(xué)鏈?zhǔn)饺紵?，?shí)現(xiàn)能源梯級利用。既達(dá)到廢物處理的目的，又可以實(shí)現(xiàn)廢物資源化利用。

三、化學(xué)鏈?zhǔn)饺紵芯窟M(jìn)展

CLC首先由德國科學(xué)家Richter于1983年提出；［1］隨后1987年日本學(xué)者Ishida和我國學(xué)者金紅光研究員發(fā)現(xiàn)CLC具有內(nèi)分離CO2的先天優(yōu)點(diǎn)；［2，3］2004年瑞典學(xué)者 Lyngfelt等人實(shí)現(xiàn)了串行流化床化學(xué)鏈燃燒，證明CLC可以實(shí)現(xiàn)CO2內(nèi)分離。［4］目前，一些國家將化學(xué)鏈燃燒動力系統(tǒng)作為最具前景的CO2捕獲技術(shù)的戰(zhàn)略選擇，并依靠它來實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的CO2零能耗分離。瑞典查爾姆斯科技大學(xué)建立了10kWth化學(xué)鏈燃燒循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)臺，并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究；西班牙CSIC建立了雙鼓泡床化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)臺，并進(jìn)行了相關(guān)研究；韓國建立了50kWth化學(xué)鏈燃燒的示范電站；奧地利維也納科技大學(xué)建立了120kW以氣體為燃料的化學(xué)鏈燃燒示范裝置，并已運(yùn)行成功?；瘜W(xué)鏈燃燒動力系統(tǒng)已成為世界能源環(huán)境系統(tǒng)研究的重要方向，是解決CO2減排的主要發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)之一。

化學(xué)鏈燃燒的研究主要分為三個(gè)部分，一是載氧體的選擇、測試與開發(fā)，二是反應(yīng)器的研究，三是化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)器系統(tǒng)中試驗(yàn)證及系統(tǒng)分析。目前，化學(xué)鏈燃燒技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了單一化化學(xué)鏈燃燒發(fā)展到化學(xué)鏈CO2捕集、化學(xué)鏈制H2、化學(xué)鏈重整、化學(xué)鏈氣化等一系列新技術(shù)，也經(jīng)歷了最初的氣體燃料化學(xué)鏈燃燒到固體燃料化學(xué)鏈燃燒。主要成果有：Cao、Pan等利用TGA研究了CuO載氧體的化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)性，燃料選用煤、生物質(zhì)以及城市垃圾，實(shí)驗(yàn)表明，CuO具有很高的反應(yīng)活性。Berguerand等利用10kW循環(huán)流化床研究了鈦鐵礦載氧體的石油焦、南非煤的化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)特性。Leion等探討了Fe基載氧體的反應(yīng)活性。在化學(xué)鏈燃燒的燃料反應(yīng)器內(nèi)，溫度通常在850℃～1000℃范圍內(nèi)，固體燃料的氣化速率慢，為速率控制步驟，因此會使一部分固體燃料在沒有完全轉(zhuǎn)化之前就已經(jīng)進(jìn)入空氣反應(yīng)器，與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)生成二氧化碳，并且被氮?dú)馑♂?。Mattisson等人提出氧氣解耦化學(xué)鏈燃燒概念（chemical-looping with oxygen uncoupling，簡稱“CLOU”），利用載氧體的釋氧特性，將固體燃料在燃料反應(yīng)器內(nèi)的轉(zhuǎn)化分為兩步，首先是載氧體釋放出O2的過程，然后是釋放出的O2與固體燃料進(jìn)行常規(guī)的燃燒，生成CO2和H2O，釋放出O2的載氧體返回空氣反應(yīng)器，與空氣中的O2再次發(fā)生反應(yīng)生成金屬氧化物，從而完成一次循環(huán)。Mattisson等人提出Cu、Mn、Co可以作為CLOU的載氧體，并對Cu載氧體進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。雖然Cu2O和CuO能實(shí)現(xiàn)CLOU過程，但其吸氧和釋氧能力較弱，且溫度高（大于950℃），極易引起Cu的高溫?zé)Y(jié)。肖睿等以天然鐵礦石為載氧體，研究了壓力下載氧體的循環(huán)反應(yīng)性能，發(fā)現(xiàn)壓力對載氧體的反應(yīng)活性具有一定的促進(jìn)作用。目前，研究重點(diǎn)關(guān)注，通過控制載氧體表面形貌促進(jìn)晶格氧的傳遞速率，提高氣體及煤化學(xué)鏈燃燒效率。

然而，有機(jī)廢液驅(qū)動垃圾氣化化學(xué)鏈燃燒，應(yīng)該從多個(gè)角度進(jìn)行研究。一是從顆粒角度，有機(jī)廢液分子將與載氧體顆粒發(fā)生高溫氣-固的反應(yīng)；二是從反應(yīng)器角度，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式以及氣固兩相流動特性也決定著化學(xué)鏈氣化/燃燒性能；三是從系統(tǒng)級別角度，化學(xué)鏈燃燒需要與其他部件，如燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、發(fā)電設(shè)備以及CO2壓縮設(shè)備等進(jìn)行耦合，以此完成廢液驅(qū)動垃圾氣化化學(xué)鏈燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)化與利用，并捕集CO2。

四、結(jié)語

與以氣體為燃料的化學(xué)鏈燃燒相比，有機(jī)廢液驅(qū)動垃圾氣化化學(xué)鏈燃燒過程中載氧體的反應(yīng)特性、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式以及系統(tǒng)性能都體現(xiàn)出巨大的不同。主要體現(xiàn)在：有機(jī)廢液及垃圾成分復(fù)雜，包含可燃和非可燃組分；其中可燃組分除了與載氧體表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，同時(shí)還發(fā)生氣化反應(yīng)，積碳反應(yīng)；而非可燃組分一部分以飛灰或者煤渣的方式排出，另一部分被廢液氣化/燃燒產(chǎn)物驅(qū)動氣化，氣化氣與載氧體發(fā)生化學(xué)鏈?zhǔn)饺紵Ｒ虼?，有機(jī)廢液驅(qū)動垃圾氣化化學(xué)鏈燃燒在單反應(yīng)過程中載氧體結(jié)構(gòu)和性能漸變、有效燃燒速率與表面鈍化速率之間的關(guān)聯(lián)，均有其獨(dú)特的規(guī)律；多循環(huán)反應(yīng)過程中表面元素沉積及其對燃燒特性的調(diào)控也不同于單反應(yīng)過程。