高效固廢處理設備的設計與開發

賈云鵬

（環創（廈門）科技股份有限公司，福建 廈門 361199）

根據統計，我國每年產生的固廢總量約為40×108t，其中城市生活垃圾約為2.2×108t，工業固廢約為30×108t，農業固廢約為10×108t。目前，我國固廢處理的主要方式有填埋、堆肥、焚燒和綜合利用等。其中，填埋是最常見的一種方式，但是它會占用大量的土地資源，造成二次污染，并且浪費了固廢中的有機物質和能量。堆肥是一種利用微生物將有機固廢轉化為肥料的方式，但是它需要較長的時間，處理能力有限，并且可能產生惡臭和病原菌等問題。焚燒是一種利用高溫將固廢中的有機物質氧化為二氧化碳和水蒸氣的方式，但是它會消耗大量的能源，并且可能產生二噁英、重金屬等有毒有害物質。綜合利用是一種將固廢分類后進行不同方式處理或回收利用的方式，但是它需要較高的技術水平和管理水平，并且成本較高。因此，開發一種高效、環保、經濟的固廢處理設備是迫切需要的。

1 廢固處理設備工作原理

首先，將待處理的固廢通過進料裝置送入預處理系統，進行破碎、干燥和分選等操作，將固廢分為可熱解部分和不可熱解部分。其中，可熱解部分主要包括有機物質，如塑料、紙張、木材等；不可熱解部分主要包括無機物質，如金屬、玻璃、石頭等。不可熱解部分通過出料裝置排出，進行回收或處置；可熱解部分通過輸送裝置送入熱解系統，進行高溫熱解反應。

熱解系統是本設備的核心部分，由多個熱解反應器串聯組成。每個熱解反應器都是一個密閉的圓筒形容器，內部裝有加熱元件和攪拌裝置。加熱元件可以將電能轉化為熱能，提供反應所需的溫度；攪拌裝置可以使固廢在反應器內均勻受熱，加快反應速度。在每個反應器的兩端，都設有進氣口和出氣口，用于控制反應器內的氣壓和氣流。在每個反應器的下部，都設有出料口，用于排出反應后的固體殘渣。

當可熱解部分的固廢進入第一個反應器時，加熱元件開始工作，將反應器內的溫度升至約500 ℃。在這個溫度下，固廢中的有機物質開始發生裂解反應，即分子結構被打斷，生成較小的分子。這些較小的分子主要是一些氣態或液態的碳氫化合物，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、苯、甲苯、乙苯等。這些碳氫化合物隨著氣流從出氣口進入第二個反應器，同時，固體殘渣從出料口排出，進行回收或處置。

第二個反應器的溫度升至約800 ℃，同時，從進氣口注入一定量的空氣或氧氣。在這個溫度和氧氣的作用下，碳氫化合物發生氧化反應，即與氧氣結合，生成一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣等。這些氣體隨著氣流從出氣口進入第三個反應器，同時，產生的熱量被回收利用，為其他反應器提供熱能。

第三個反應器的溫度升至約1 000 ℃，同時，從進氣口注入一定量的水蒸氣。在這個溫度和水蒸氣的作用下，一氧化碳發生水煤氣變換反應，即與水蒸氣結合，生成一定比例的二氧化碳和可燃性較高的氫氣。這些氣體隨著氣流從出氣口進入第四個反應器。

第四個反應器的溫度升至約1 200 ℃，同時，從進氣口注入一定量的催化劑。催化劑是一種能夠加速或改變化學反應過程的物質，不參與反應本身，也不改變反應的總能量。本設備采用的催化劑是一種由鐵、鎳、鈷等金屬組成的合金粉末，具有較高的催化活性和穩定性。在這個溫度和催化劑的作用下，二氧化碳發生催化裂解反應，即分解為一氧化碳和碳原子。碳原子以固態形式沉積在催化劑表面，形成碳黑；一氧化碳則與其他未完全裂解的碳氫化合物發生催化重整反應，即重新組合為不同種類和結構的碳氫化合物。這些碳氫化合物主要是一些液態或固態的烴類或芳香族化合物，如正己烷、環己烷、萘、菲等。這些碳黑和碳氫化合物隨著催化劑從出料口排出，進行分離和提純。

最后，從第四個反應器出來的氣體經過冷卻和凈化后，得到可燃性較高的合成氣。合成氣是一種主要由一定比例的二元混合物組成的可燃性混合物。本設備得到的合成氣主要由50%左右的甲烷和50%左右的氫組成。這種合成氣可以直接作為燃料使用，也可以通過進一步的轉化過程制備出更高附加值的產品，如液態燃料、醇類、酮類等。

綜上所述，本設備可以將各種類型的固廢轉化為可燃性較高且有價值的產品，并且減少了污染物排放。具體而言：可燃性較高且有價值的產品包括：①合成油：是指由多種碳黑和碳氫化合物組成的油品，可以作為潤滑油、柴油、汽油等的替代品或添加劑，也可以作為化工原料，用于制造塑料、橡膠、纖維等。本設備每處理1 t固廢，可以產出約200 kg的合成油。②碳黑：是指由純碳組成的黑色粉末，具有較高的導電性、吸附性和增強性，可以作為橡膠、塑料、油墨、電池等的填充劑或顏料，也可以作為活性炭、納米材料等的原料。本設備每處理1 t固廢，可以產出約100 kg的碳黑。③合成氣：是指由主要由一定比例的甲烷和氫組成的可燃性混合物，可以直接作為燃料使用，也可以通過進一步的轉化過程制備出更高附加值的產品，如液態燃料、醇類、酮類等。本設備每處理1 t固廢，可以產出約500 m3的合成氣。

減少了污染物排放包括：①二氧化碳：是指一種無色無味的氣體，是溫室效應的主要原因之一，會導致全球氣候變暖和極端天氣現象。本設備通過催化裂解反應將二氧化碳分解為一氧化碳和碳原子，從而減少了二氧化碳的排放。本設備每處理1 t固廢，可以減少約500 kg的二氧化碳排放。②二氧化硫：是指一種有刺激性氣味的氣體，是酸雨的主要成分之一，會導致土壤酸化、森林死亡和建筑物腐蝕等。本設備通過預處理系統將含硫物質分離出來，并通過專門的裝置進行回收或處置，從而減少了二氧化硫的排放。本設備每處理1 t固廢，可以減少約10 kg的二氧化硫排放。③氮氧化物：是指一類由氮和氧組成的氣體，是光化學煙霧和臭氧層損耗的主要原因之一，會導致呼吸道疾病、眼睛刺激和植物生長受阻等。本設備通過控制反應器內的氧氣含量和溫度，從而減少了氮氧化物的生成和排放。本設備每處理1 t固廢，可以減少約5 kg的氮氧化物排放。

2 廢固處理設備結構

本設備由預處理系統、熱解系統、冷卻系統、凈化系統和控制系統五個部分組成。

預處理系統：是指對待處理的固廢進行破碎、干燥和分選等操作的系統，包括進料裝置、破碎機、干燥機、分選機和出料裝置等。進料裝置是指將固廢從外部輸送到設備內部的裝置，可以是皮帶輸送機、螺旋輸送機或提升機等；破碎機是指將固廢破碎成一定大小的裝置，可以是錘式破碎機、刀片式破碎機或輥式破碎機等；干燥機是指將固廢中的水分蒸發掉的裝置，可以是旋轉筒式干燥機、流化床式干燥機或噴霧式干燥機等；分選機是指將固廢中的可熱解部分和不可熱解部分分離出來的裝置，可以是風力分選機、重力分選機或電磁分選機等；出料裝置是指將不可熱解部分從設備內部排出的裝置，可以是皮帶輸送機、螺旋輸送機或提升機等。

熱解系統：是指對可熱解部分的固廢進行高溫熱解反應的系統，包括輸送裝置、熱解反應器、加熱元件、攪拌裝置、進氣口、出氣口和出料口等。輸送裝置是指將可熱解部分的固廢從預處理系統輸送到熱解系統的裝置，可以是皮帶輸送機、螺旋輸送機或提升機等；熱解反應器是指進行高溫熱解反應的密閉的圓筒形容器，由耐高溫的鋼材制成，內部裝有加熱元件和攪拌裝置；加熱元件是指將電能轉化為熱能，提供反應所需的溫度的裝置，可以是電阻絲、電極或感應線圈等；攪拌裝置是指使固廢在反應器內均勻受熱，加快反應速度的裝置，可以是葉片、螺旋或槳輪等；進氣口是指控制反應器內的氣壓和氣流，注入空氣、氧氣或水蒸氣等的裝置，可以是閥門、噴嘴或管道等；出氣口是指將反應器內產生的氣體排出的裝置，可以是閥門、噴嘴或管道等；出料口是指將反應器內產生的固體殘渣排出的裝置，可以是閥門、噴嘴或管道等。

冷卻系統：是指對從熱解系統出來的氣體進行冷卻和液化的系統，包括冷卻塔、冷凝器、換熱器和收集器等。冷卻塔是指利用水或空氣對氣體進行初步冷卻的塔形容器，由耐腐蝕的材料制成，內部裝有填料和噴淋裝置；冷凝器是指利用制冷劑對氣體進行深度冷卻和液化的管式容器，由耐低溫的材料制成，內部裝有制冷劑循環系統；換熱器是指利用從熱解系統回收的熱量對制冷劑進行再加熱和再循環的裝置，由耐高溫的材料制成，內部裝有熱交換管道；收集器是指收集和儲存冷凝后的液態產品的容器，由耐壓的材料制成，內部裝有閥門和計量裝置等。

凈化系統：是指對從冷卻系統出來的氣體進行凈化和提純的系統，包括吸附器、脫硫器、脫氮器和分離器等。吸附器是指利用活性炭或分子篩等吸附劑對氣體中的雜質進行吸附和去除的裝置，由耐腐蝕的材料制成，內部裝有吸附劑和再生裝置；脫硫器是指利用堿液或催化劑等脫硫劑對氣體中的硫化物進行脫除和轉化的裝置，由耐腐蝕的材料制成，內部裝有脫硫劑和再生裝置；脫氮器是指利用水或催化劑等脫氮劑對氣體中的氮化物進行脫除和轉化的裝置，由耐腐蝕的材料制成，內部裝有脫氮劑和再生裝置；分離器是指利用壓力或溫度等物理方法對氣體中的不同成分進行分離和提純的裝置，由耐壓或耐低溫的材料制成，內部裝有閥門和計量裝置等。

控制系統：是指對整個設備的運行狀態進行監測和控制的系統，包括傳感器、控制器、顯示器和操作器等。傳感器是指能夠感知設備內外部的溫度、壓力、流量、濃度等參數并將其轉化為電信號的裝置，可以是熱電偶、壓力表、流量計、分析儀等；控制器是指能夠根據設定的目標值和實際值進行比較并輸出控制信號的裝置，可以是微處理器、可編程邏輯控制器或人工智能系統等；顯示器是指能夠將設備的運行狀態以數字或圖形的形式顯示出來的裝置，可以是液晶屏、觸摸屏或投影儀等；操作器是指能夠根據控制信號對設備進行啟動、停止、調節或保護等操作的裝置，可以是開關、按鈕、旋鈕或閥門等。

3 廢固處理設備效率

該設備的處理效率主要取決于以下幾個因素：①固廢的類型和成分：不同類型和成分的固廢對熱解反應的適應性和敏感性不同，影響了熱解溫度、時間和產物的分布；②熱解反應器的數量和結構：熱解反應器的數量和結構決定了熱解反應的階段和程度，影響了熱解效率和產品質量；③加熱元件的功率和位置：加熱元件的功率和位置決定了熱解反應器內的溫度分布和變化，影響了熱解速率和能耗；④攪拌裝置的類型和速度：攪拌裝置的類型和速度決定了熱解反應器內的物料混合和傳遞，影響了熱解均勻性和穩定性；⑤進氣口和出氣口的大小和位置：進氣口和出氣口的大小和位置決定了熱解反應器內的氣壓和氣流，影響了熱解反應的平衡和動力；⑥催化劑的種類和用量：催化劑的種類和用量決定了催化裂解反應的活性和選擇性，影響了二氧化碳的分解率和碳氫化合物的重整率。

綜合考慮以上因素，文章給出了一組較為合理的參數設置，如表1所示。在這組參數下，該設備每小時可以處理約1 t固廢，產出約200 kg合成油、100 kg碳黑和500 m3合成氣，同時減少約500 kg二氧化碳、10 kg二氧化硫和5 kg氮氧化物的排放。該設備的處理效率約為20%，即每處理100 kg固廢，可以得到約20 kg有價值的產品。

表1 設備參數設置

4 結語

文章設計和開發了一種高效固廢處理設備，該設備采用了高溫熱解、氣化和催化裂解等技術，可以將各種類型的固廢轉化為可燃氣體、油品和碳黑等有價值的產品，同時減少了二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等污染物的排放。具有結構簡單、操作方便、處理能力強、運行成本低、產品質量高等特點，適用于工業園區、社區、農村等場所的固廢處理。文章為高效固廢處理設備的設計與開發提供了一種可行的方案和參考，希望能夠為固廢處理領域的技術進步和社會發展做出貢獻。