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        淺談危險(xiǎn)廢物協(xié)同焚燒的多路徑交互作用機(jī)制

        2021-12-21 02:22:52
        關(guān)鍵詞:半焦多路徑窯爐

        趙 巖

        (沈陽(yáng)環(huán)境科學(xué)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110167)

        目前國(guó)內(nèi)的危險(xiǎn)廢物焚燒技術(shù)體系主要是基于國(guó)外的相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)建立起來(lái)的,在引進(jìn)消化和自主創(chuàng)新的過(guò)程中,雖然國(guó)內(nèi)的設(shè)備制造和工藝集成水平得到了顯著提升,但對(duì)于危險(xiǎn)廢物窯爐內(nèi)焚燒機(jī)理的基礎(chǔ)研究卻明顯滯后,相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道很少。由于國(guó)內(nèi)危險(xiǎn)廢物的數(shù)量和種類日益增多,成分和性質(zhì)日趨紛繁,焚燒窯爐內(nèi)涉及到的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程也更加復(fù)雜。危險(xiǎn)廢物的燃燒反應(yīng)機(jī)理,特別是多種廢物協(xié)同焚燒的交互反應(yīng)機(jī)制不僅與殘?jiān)鼰嶙茰p率、二噁英濃度、一氧化碳濃度等被嚴(yán)格限制的排放指標(biāo)密切相關(guān),而且直接影響了給料量、窯爐溫度分布、供風(fēng)量、輔助燃料量和煙氣流量等設(shè)施運(yùn)行參數(shù)。因此,對(duì)此方面基礎(chǔ)研究的缺失,已經(jīng)成為了制約我國(guó)危險(xiǎn)廢物焚燒處置技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。我國(guó)科技部發(fā)布的《“固廢資源化”重點(diǎn)專項(xiàng)2019年度項(xiàng)目申報(bào)指南》已經(jīng)明確提出,研究多種有機(jī)危廢協(xié)同穩(wěn)定焚燒交互反應(yīng)機(jī)制,為核心裝備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到100%的危廢協(xié)同穩(wěn)定強(qiáng)制焚燒技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

        1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

        國(guó)內(nèi)外對(duì)于危險(xiǎn)廢物焚燒過(guò)程的研究,主要集中于反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)[1-2]和運(yùn)行條件[3-4]等外部因素[5-6]對(duì)物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律[7-8]、燃燒火焰[9-10]和溫度分布[11-12]以及焚燒效率[13-14]等方面的影響。其中,國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究成果主要來(lái)源于工程實(shí)踐中的數(shù)據(jù)總結(jié)和經(jīng)驗(yàn)積累;基礎(chǔ)研究工作則主要來(lái)自于國(guó)外學(xué)者,研究方法為數(shù)值模擬、小試實(shí)驗(yàn)以及二者結(jié)合。然而,目前國(guó)內(nèi)外還缺乏對(duì)廢物本身燃燒反應(yīng)機(jī)理的探索,尤其是對(duì)多種危險(xiǎn)廢物協(xié)同焚燒交互反應(yīng)機(jī)制的研究。由于上述基礎(chǔ)研究的缺失,目前國(guó)內(nèi)所有的危險(xiǎn)廢物焚燒設(shè)施均僅僅依靠以物料的相容性、含水率、熱值、形態(tài)、污染元素等為主要指標(biāo)的粗放配伍方式,通過(guò)加權(quán)平均來(lái)控制窯爐的入口條件,而對(duì)窯爐內(nèi)各種廢物的脫水、熱解和燃燒特性以及多種廢物之間的相互作用效應(yīng)的認(rèn)識(shí)明顯不足,缺乏對(duì)多種廢物協(xié)同焚燒過(guò)程的調(diào)控意識(shí)。

        2 交互作用機(jī)制分析

        一般而言,窯爐內(nèi)危險(xiǎn)廢物的焚燒過(guò)程可以分為三個(gè)步驟:(1)廢物水分的析出,即脫水干燥;(2)廢物揮發(fā)分的釋放,即熱解;(3)廢物半焦及揮發(fā)分的燃燒反應(yīng)。其中第一個(gè)步驟是物理過(guò)程,后兩個(gè)步驟是化學(xué)反應(yīng)。熱解是危險(xiǎn)廢物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的第一步,它決定了氣、液、固三相產(chǎn)物的生成量、結(jié)構(gòu)和性質(zhì);而固相產(chǎn)物即半焦的燃燒是整個(gè)危險(xiǎn)廢物焚燒過(guò)程中最為緩慢的步驟,它的反應(yīng)速率直接決定了《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18484-2020)中最重要的限制指標(biāo)之一——?dú)堅(jiān)鼰嶙茰p率以及整個(gè)焚燒系統(tǒng)的處置效率;此外,氣相和液相產(chǎn)物的產(chǎn)率和性質(zhì)又與二燃室中的氣相燃燒過(guò)程直接相關(guān),并對(duì)焚燒系統(tǒng)最終排放的一氧化碳、二噁英、惡臭物質(zhì)(或VOCs)等大氣污染物濃度產(chǎn)生影響。因此,針對(duì)危險(xiǎn)廢物的熱解反應(yīng)和半焦的燃燒反應(yīng)展開(kāi)基礎(chǔ)研究,應(yīng)該是探索多種廢物協(xié)同焚燒機(jī)理的主要方向。

        不同種類的可焚燒危險(xiǎn)廢物,在有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和無(wú)機(jī)質(zhì)的組成含量方面均存在很大差異。在化學(xué)結(jié)構(gòu)方面,不同危險(xiǎn)廢物有機(jī)質(zhì)中的芳香環(huán)、脂肪鏈、含氧、氮、硫等官能團(tuán)的含量顯著不同;在無(wú)機(jī)組分方面,不同危險(xiǎn)廢物中Na、K、Ca、Mg、Fe等金屬元素的含量具有明顯差異,而已有大量關(guān)于生物質(zhì)和煤[15]等固體燃料的研究表明,這些金屬對(duì)有機(jī)質(zhì)的熱解和燃燒反應(yīng)具有復(fù)雜的催化作用。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)和功能。上述兩方面的差異決定了不同種類危險(xiǎn)廢物熱解生成揮發(fā)分的產(chǎn)率和組成以及半焦的燃燒反應(yīng)性均顯著不同。

        近年來(lái)對(duì)低階煤和生物質(zhì)等低階燃料的研究表明,熱解過(guò)程中的揮發(fā)分—半焦交互作用,這樣一種在目前所有工業(yè)化應(yīng)用的燃燒和氣化反應(yīng)器中均普遍存在的現(xiàn)象,對(duì)低階燃料的熱化學(xué)反應(yīng)過(guò)程具有不容忽視的影響。這種交互作用具體體現(xiàn)在以下三個(gè)路徑:

        (1)揮發(fā)分中小體積的活性基團(tuán),如H自由基和羥基,與半焦發(fā)生相互反應(yīng),置換出半焦中的Na、K、Ca等催化活性金屬;

        (2)大分子揮發(fā)分在半焦表面發(fā)生熱分解,而小分子自由基則滲透進(jìn)半焦基質(zhì)中而對(duì)揮發(fā)分前驅(qū)體產(chǎn)生穩(wěn)定化作用,二者均會(huì)對(duì)半焦的化學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響;

        (3)揮發(fā)分中攜帶的一些氣相催化活性金屬在半焦表面發(fā)生沉積。

        在窯爐中多種危險(xiǎn)廢物協(xié)同焚燒的熱解階段,也一定存在著這種多路徑的揮發(fā)分—半焦交互作用:來(lái)自其中一種廢物的揮發(fā)分,將與其他廢物的半焦發(fā)生作用;同時(shí),來(lái)自其他廢物的揮發(fā)分,也將與這種廢物的半焦發(fā)生作用。此外,在半焦燃燒階段,不同廢物的半焦直接接觸并混合在一起,這將導(dǎo)致Na、K、Ca等催化活性金屬在不同半焦表面之間的遷移,即發(fā)生半焦—半焦交互作用。最終,上述多路徑的揮發(fā)分—半焦和半焦—半焦交互作用將對(duì)混合揮發(fā)分的產(chǎn)率和組成,以及混合半焦的化學(xué)結(jié)構(gòu)、催化活性金屬含量和燃燒反應(yīng)性產(chǎn)生顯著影響。以兩種危險(xiǎn)廢物的協(xié)同焚燒為例,圖1和圖2分別給出了多路徑交互作用發(fā)生的情形及其對(duì)混合半焦和揮發(fā)分影響的邏輯關(guān)系。

        圖1 兩種危險(xiǎn)廢物協(xié)同焚燒過(guò)程中的交互作用

        圖2 交互作用對(duì)混合半焦和揮發(fā)分影響的邏輯關(guān)系

        然而,深?yuàn)W的自然原理總是隱藏在紛繁的表面現(xiàn)象之后,需要人們?nèi)ゲ粩嗵剿?、發(fā)現(xiàn)與思考。一些針對(duì)生物質(zhì)和煤混合燃燒及氣化的基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn),上述多路徑交互作用對(duì)混合半焦燃燒或氣化反應(yīng)性的最終影響是復(fù)雜的。一些學(xué)者認(rèn)為交互作用抑制了混合半焦的反應(yīng)性;而另一些學(xué)者則得到了相反的結(jié)論;還有一些學(xué)者發(fā)現(xiàn),隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行,交互作用對(duì)反應(yīng)性的影響由抑制轉(zhuǎn)向促進(jìn);同時(shí),一些學(xué)者則指出交互作用的影響效果與物料的種類及混合比例密切相關(guān)。因此,可以預(yù)見(jiàn),危險(xiǎn)廢物協(xié)同焚燒交互作用的影響將更加復(fù)雜。

        3 交互作用研究方向

        綜上所述,筆者認(rèn)為危險(xiǎn)廢物協(xié)同焚燒的多路徑交互作用研究應(yīng)從以下幾個(gè)方面開(kāi)展:(1)典型危險(xiǎn)廢物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和催化活性金屬對(duì)熱解反應(yīng)的聯(lián)合影響機(jī)制。(2)危險(xiǎn)廢物半焦的化學(xué)結(jié)構(gòu)和催化活性金屬對(duì)半焦燃燒反應(yīng)的聯(lián)合影響機(jī)制。(3)揮發(fā)分—半焦交互作用對(duì)典型危險(xiǎn)廢物協(xié)同熱解和半焦協(xié)同燃燒的多路徑影響機(jī)制。(4)半焦—半焦交互作用對(duì)典型危險(xiǎn)廢物半焦協(xié)同燃燒的多路徑影響機(jī)制。(5)建立包含典型危險(xiǎn)廢物的大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、催化活性金屬含量、熱解及半焦燃燒失重特征、動(dòng)力學(xué)參數(shù)等理化特性數(shù)據(jù)的焚燒處置數(shù)據(jù)庫(kù)。(6)研究和建立充分考慮交互作用機(jī)制,立足于協(xié)同焚燒過(guò)程調(diào)控的精細(xì)化配伍方案。

        4 結(jié)論

        由于危險(xiǎn)廢物種類繁多,結(jié)構(gòu)和性質(zhì)差異巨大,多種廢物協(xié)同焚燒過(guò)程中,熱解階段的揮發(fā)分—半焦以及燃燒階段的半焦—半焦交互作用均將是復(fù)雜的。對(duì)此展開(kāi)研究,不僅有助于深入理解和認(rèn)識(shí)危險(xiǎn)廢物協(xié)同熱解和燃燒反應(yīng)的基本科學(xué)原理與規(guī)律,而且將進(jìn)一步豐富和完善現(xiàn)有關(guān)于危險(xiǎn)廢物熱解和燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論,為我國(guó)危險(xiǎn)廢物焚燒處置科學(xué)、技術(shù)和裝備的發(fā)展提供新的科學(xué)數(shù)據(jù),并填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外對(duì)于危險(xiǎn)廢物協(xié)同熱解和燃燒交互作用機(jī)制研究的空白。

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