“醫(yī)廢是頭號危險廢棄物，怎么能進行開放式燃燒?!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建華教授看在眼里、急在心里，他帶領(lǐng)的項目團隊與以醫(yī)療廢物為代表的危險廢物的對決開始進入白熱化階段。
其實早在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。嚴建華回憶道：“當年有近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，那場轟動一時的傳染病給了我很大觸動?！?000年，當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，嚴建華為他們選擇了“危險廢棄物無害化處理”的研究選題。也是從那時起，他作為第一完成人的“危險廢物回轉(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，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，但在實際運行過程中存在著三大難題：結(jié)渣嚴重啟停頻繁、排放超標污染嚴重、組分復(fù)雜適應(yīng)性差。
想打勝仗，需要進行前瞻性考慮和全局性分析。嚴建華帶領(lǐng)團隊瞄準這三個核心難題，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”這個問題，并原創(chuàng)性地開發(fā)出適應(yīng)復(fù)雜組分危險廢物的回轉(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)運行時間很少超過2個月;高溫燃燒可以減少結(jié)渣生成，但能耗高、損失大。怎么化解這個困擾行業(yè)多年的矛盾?討論之后，項目團隊萌發(fā)出一個想法：能不能通過燃燒優(yōu)化控制，在觀測到縮圈情況時僅提高回轉(zhuǎn)窯尾部區(qū)域燃燒溫度，使黏附在該處的固體殘渣熔化流出?在此基礎(chǔ)上，團隊開發(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)定運行時間提高到6個月以上，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，很難實現(xiàn)充分燃燒。針對這個問題，項目團隊在回轉(zhuǎn)窯尾端設(shè)計了向上向下兩個通道，并開發(fā)出集窯內(nèi)熱解焚燒、氣相組分空間燃燒、固相殘渣噴動式旋轉(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渣可以分別進入上下兩個通道進行二次燃燒。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，達到國際領(lǐng)先水平。
不同地區(qū)的危廢產(chǎn)量不同，標準化裝備必然會遭遇水土不服的困境。為普及推廣，項目團隊探明了不同尺度物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的運動規(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”這個問題時，團隊創(chuàng)新性提出了復(fù)雜工況下危險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)焚燒過程中采用點測量和開環(huán)控制的不足，項目團隊建立了基于輻射能反投影的窯內(nèi)溫度場測量方法，通過兩個傳感器實時獲取回轉(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行參數(shù)等實時數(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)通過該方法實現(xiàn)了自動控制，不僅有效提高了焚燒系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，也大大降低了污染物排放量。
危險廢物因其具有高氯、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)，進而可能生成毒性嚴重的致癌物質(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，二噁英達標率低。
怎么解決關(guān)鍵污染物二噁英超標排放這個難題?項目團隊多面出擊，研發(fā)出阻滯效率達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——焚燒前進行科學(xué)配伍，焚燒中進行過程自適應(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個方法聯(lián)合凈化?！斑@樣一來，從煙囪排出的氣體就非常干凈了，二噁英排放指標優(yōu)于國家標準1個數(shù)量級，也顯著優(yōu)于歐盟標準?！眹澜ㄈA介紹到采用所開發(fā)的技術(shù)能實現(xiàn)污染物超低排放這一優(yōu)勢時充滿了自豪。
“拉來就燒”一度是最為普遍的危廢處置辦法。深知其嚴重危害性的嚴建華不禁自問，怎么可以實現(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，并建立一個數(shù)據(jù)庫來指導(dǎo)入爐物料配伍?”有了這個想法后，他帶領(lǐng)項目團隊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、污染控制指標、系統(tǒng)運行指標的多級指標控制體系;制定了危廢配伍技術(shù)導(dǎo)則和進料菜單;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;實現(xiàn)了多形態(tài)危廢的連續(xù)可控和精確進料。為提高系統(tǒng)適應(yīng)性、實現(xiàn)清潔高效穩(wěn)定焚燒提供科學(xué)指導(dǎo)。
“這是一個系統(tǒng)工程，三個方面的研究相互制約，需要同步展開。”頂層設(shè)計之后，嚴建華帶領(lǐng)項目團隊在十余個寒來暑往中不斷完善技術(shù)工藝，終于實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)窯連續(xù)穩(wěn)定運行時間、焚燒底渣熱灼減率、二噁英排放等核心技術(shù)指標均優(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。
項目引領(lǐng)了我國危廢焚燒處置技術(shù)進步、促進了區(qū)域環(huán)境保護和社會可持續(xù)發(fā)展，顯著增強了危廢處置產(chǎn)業(yè)的科技競爭力。完成單位建設(shè)的杭州危廢處置項目，日處置量達82噸，是我國第一個投運的國家級示范工程，還獲得我國第一張危險廢物經(jīng)營許可證。完成單位推廣的危廢焚燒項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)濟效益和環(huán)保效益?！斑@項研究工作是不能停的，我們要進一步完善并在全國各地推廣運用這項技術(shù)，還要把數(shù)據(jù)庫做得更大更完整。”道阻且長，但項目團隊在這場危廢處置戰(zhàn)中從未卻步,且始終斗志昂揚……
來源:浙江大學(xué) 作者:馬宇丹
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