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有了它,垃圾也能转“危”为“安”!浙大这个国家级大奖不简单!

楼主:浙江大学 时间:2018-08-18 11:18:57


浙江大学能源工程学院热能工程研究所严建华教授团队,荣获今年国家科学技术进步奖二等奖项目“危险废物回转式多段热解焚烧及污染物协同控制关键技术”


“医废是头号危险废弃物,怎么能进行开放式燃烧?!那弥漫在空气中的缕缕青烟不知又产生了多少致癌二噁英啊!”2002年,我国非典爆发,短期产生的大量医疗废物只能被一些简易设计的小型焚烧装置应急焚烧掉。浙江大学能源工程学院热能工程研究所严建华教授看在眼里、急在心里,他带领的项目团队与以医疗废物为代表的危险废物的对决开始进入白热化阶段。

项目团队第一完成人严建华教授与其他成员在回转窑中试试验台旁讨论研究计划


其实早在1988年,这位工程热物理学领域的科学家与危废之间的这场持续十多年的硬战就因发生在上海市的一场突发公共卫生事件而悄然拉开创新科研的帷幕。严建华回忆道:“当年有近30万上海市民因生食被医废污染的毛蚶而患上了甲型肝炎,那场轰动一时的传染病给了我很大触动。”2000年,当两名本科生敲开他的办公室房门,请他作为校挑战杯竞赛的指导老师时,严建华为他们选择了“危险废弃物无害化处理”的研究选题。也是从那时起,他作为第一完成人的“危险废物回转式多段热解焚烧及污染物协同控制关键技术”创新研究项目正式起航了


近些年来,我国危废产量迅速增加,且来源复杂、涉及行业广,国际履约责任大。焚烧处置具有减容、减量明显、适应性广等优点,在危废处理中的占比逐年攀升。回转窑是危废焚烧处置中应用最为广泛的炉型,但在实际运行过程中存在着三大难题:结渣严重启停频繁、排放超标污染严重、组分复杂适应性差。

位于浙江大学能源清洁利用国家重点实验室的40千克/小时固体废物回转窑中试多功能热处理装置


想打胜仗,需要进行前瞻性考虑和全局性分析。严建华带领团队瞄准这三个核心难题,经过十多年基础研究和产学研联合攻关,提出了多段热解焚烧、过程协同优化、物料特性表征三大创新方法,在熔融自清渣高效稳定燃烧、低污染排放、多组分配伍给料等方面取得重大技术突破。


工欲善其事,必先利其器。他们首先解决了“用什么烧”这个问题,并原创性地开发出适应复杂组分危险废物的回转式多段热解自熔融焚烧新技术。



回转窑工作原理动画演示


在一定的燃烧条件下,将不同热值和灰熔点的危废混合焚烧,极易造成回转窑结渣缩圈,设备的持续运行时间很少超过2个月;高温燃烧可以减少结渣生成,但能耗高、损失大。怎么化解这个困扰行业多年的矛盾?讨论之后,项目团队萌发出一个想法:能不能通过燃烧优化控制,在观测到缩圈情况时仅提高回转窑尾部区域燃烧温度,使黏附在该处的固体残渣熔化流出?在此基础上,团队开发出回转窑内自熔融燃烧和结渣自清除新技术,突破了行业瓶颈,将回转窑连续稳定运行时间提高到6个月以上,并成功开发出处理量为10-100吨/日系列化装备。


危废构成复杂,组分特性差异大,很难实现充分燃烧。针对这个问题,项目团队在回转窑尾端设计了向上向下两个通道,并开发出集窑内热解焚烧、气相组分空间燃烧、固相残渣喷动式旋转布风燃烬为一体多段热解焚烧新技术。未被燃烧殆尽的有害气体和固体残渣可以分别进入上下两个通道进行二次燃烧。这样一来不仅大大提高了危废焚烧后的减容量,还将焚烧底渣热灼减率降低到1%以下,达到国际领先水平。


不同地区的危废产量不同,标准化装备必然会遭遇水土不服的困境。为普及推广,项目团队探明了不同尺度物料在回转窑内的运动规律,建立了多相流动、窑壁和料层传热的数学模型,构建了回转式热解焚烧反应器的优化设计新方法,为成果转化插上了因地制宜的翅膀。


要想取得战争胜利,不仅要有好的装备,还需要好的战术。在回答“怎么清洁燃烧”这个问题时,团队创新性提出了复杂工况下危险废物热解焚烧自适应优化控制方法及污染物联合净化策略

项目团队成员在回转窑中试试验台旁合影(左起:陆胜勇,黄群星,池涌,严建华,蒋旭光,李晓东)


针对传统焚烧过程中采用点测量和开环控制的不足,项目团队建立了基于辐射能反投影的窑内温度场测量方法,通过两个传感器实时获取回转窑内的温度场分布特征,并开发出一套于窑内温度场分布、特征污染物浓度和运行参数等实时数据,适用于复杂工况下危废热解焚烧过程的自适应优化闭环控制新方法。给料速度、辅助燃料量、回转窑速度、风量、活性炭给料量……这些原本用手工调节的参数通过该方法实现了自动控制,不仅有效提高了焚烧系统运行的稳定性,也大大降低了污染物排放量。


危险废物因其具有高氯、重金属含量高等特征,不完全燃烧物极易发生低温异相反应,进而可能生成毒性严重的致癌物质二噁英。烟气中二噁英排放浓度一般为纳克级(10-9g/Nm3),仅使用常规的末端控制方法,二噁英达标率低。

项目团队成员李晓东教授在二噁英实验室指导研究生


怎么解决关键污染物二噁英超标排放这个难题?项目团队多面出击,研发出阻滞效率达90%以上的高效一体化复合阻滞剂,更搭建起全过程、多途径污染物协同控制体系——焚烧前进行科学配伍,焚烧中进行过程自适应优化处理,焚烧后通过硫氮基阻滞、半干法脱酸、改性活性炭喷射、高效布袋除尘、湿法脱酸5个方法联合净化。“这样一来,从烟囱排出的气体就非常干净了,二噁英排放指标优于国家标准1个数量级,也显著优于欧盟标准。”严建华介绍到采用所开发的技术能实现污染物超低排放这一优势时充满了自豪。


“拉来就烧”一度是最为普遍的危废处置办法。深知其严重危害性的严建华不禁自问,怎么可以实现“更科学地燃烧”?“骨头怎么烧,PVC怎么烧,化纤怎么烧?我们能不能尽可能多地把危废样品收集起来,搞清楚他们的特性,并建立一个数据库来指导入炉物料配伍?”有了这个想法后,他带领项目团队深入研究典型危废样品的指纹特性、理化特性和热化学动力学特性参数,率先建立了全面覆盖20大类900多个可燃危废样品的焚烧特性数据库


依托该数据库,他们建立起指导物料配伍,包含物料物性指标、污染控制指标、系统运行指标的多级指标控制体系;制定了危废配伍技术导则和进料菜单;提出了散装固态废物、桶装废物、液态废物和气态废物的优化配伍新方法;实现了多形态危废的连续可控和精确进料。为提高系统适应性、实现清洁高效稳定焚烧提供科学指导。

项目团队第一完成人严建华教授在回转窑中试试验台指导研究生


“这是一个系统工程,三个方面的研究相互制约,需要同步展开。”顶层设计之后,严建华带领项目团队在十余个寒来暑往中不断完善技术工艺,终于实现了回转窑连续稳定运行时间、焚烧底渣热灼减率、二噁英排放等核心技术指标均优于国内外同类技术,并建立起行业内最完整的危废焚烧特性数据库。


项目引领了我国危废焚烧处置技术进步、促进了区域环境保护和社会可持续发展,显著增强了危废处置产业的科技竞争力。完成单位建设的杭州危废处置项目,日处置量达82吨,是我国第一个投运的国家级示范工程,还获得我国第一张危险废物经营许可证。完成单位推广的危废焚烧项目近三年新增销售额18.4亿元,新增利润3.5亿元,创造了显著的经济效益和环保效益。“这项研究工作是不能停的,我们要进一步完善并在全国各地推广运用这项技术,还要把数据库做得更大更完整。”道阻且长,但项目团队在这场危废处置战中从未却步,且始终斗志昂扬……



内容来源:浙江大学求是新闻网(原文作者:马宇丹|摄影:周立超)

今日编辑:胡凌欣

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