仿地幔双熔浴全能型有机废物转化洁净燃气

　　中国科学院扬州产业化中心，国科学院浙江研究院

　　1 熔铁浴处理固废简介

　　我国废旧塑料、橡胶轮胎、有机危废等大量积存，传统的热裂解、焚烧、水泥窑等处理方法，温度低，有机物没有完全密闭隔绝，会产生大量有毒有害的中间产物，例如二噁英等有害气体，所以必须开发瞬间能达到1400℃高温、且能够液浆密封型处理方法和装置就显着尤为重要。

　　钢铁冶金行业近几十年来，开发了非高炉炼铁技术，特别是熔融还原技术，其中一个单元操作就是铁水浴熔融还原，在多种非高炉炼铁领域得到应用。将含碳固废颗粒与氧气/水蒸气等高速喷吹进入1500℃的金属液熔池深部，发生溶解氧与溶解碳的快速反应，生成高温下稳定的CO气体，氢元素生成H2，硫氯元素基本固化在渣中。铁水浴熔池充当了催化剂、加速器、分散体、蓄热体、反应物载体、硫吸收剂、密封体、搅拌器、热传导体等多种功能。

　　除了能碳氢化合物成为洁净燃气CO+H2，还能通过铁液和碱性渣固化硫氯，气体中不含硫，而且有色重金属危废能够气化回收为铅锌镉金属产品。

　　适用于废旧塑料、废旧橡胶及轮胎、有机固废、有机危废、生物质固废、可燃固废、高硫石油焦、高硫劣质煤等的处理和清洁燃气转换；同时进行有色金属、钢铁、化工的废渣处置及有价元素回收；脱除硫氯等。

　　可以放置铁水浴10-500吨，采用底吹、侧吹装置，将含碳固废及氧气鼓入铁水浴熔池中，进行反应。每小时喷吹碳氢化合物颗粒达到100吨以上，99%以上转化为洁净燃气。

　　燃气简单除尘净化就可以使用，既可以作为燃料气，也可以用于化工合成，例如F-T合成生产柴油、汽油，以及合格天然气、烯烃等。

　　我国废旧塑料、废旧橡胶及轮胎、有机固废等量大面广，采用该方法，能够避免传统裂解、焚烧等容易产生二次污染的方法，直接获得洁净燃气，含有的重金属能够回收获得金属产品，硫氯在渣中固化脱除。适合多种行业，在我国以及其他国家有广泛的应用前景。

　　目前高炉喷吹固废塑料、废旧橡胶轮胎，在德国日本已经运行多年。我国近三十年来发展的熔融还原炼铁技术中，HISmelt等技术中大量应用熔池喷吹的铁浴反应器，在有色重金属侧顶吹熔池熔炼、玻璃窑浸没燃烧中，也发展了此项单元操作，是成熟的单元技术。我国山东墨龙引进的HISmelt熔融还原生产线已经投产运行，也采用了铁浴熔池技术。

　　此项技术建立固废处理设施，单一反应器即能够每年处理50万吨以上的有机固废、危废。每吨可燃固废可产生1500-2000 M3的洁净燃气，燃气的热值达到11-12MJ/M3，相当于500-600 M3天然气的热值，全年产生的清洁燃气相当于3亿立方米天然气。

　　如果用此项技术外加真空电热处理钢铁中含有金属锌资源的固废，特别是高炉除尘灰、电炉除尘灰中提取的含锌次氧化锌，单台反应器一年能产出20万吨金属锌，销售收入42亿元，利润超过10亿元，产品作为热镀锌的金属材料，实现固废资源的高附加值综合利用。

　　制得一提的是，这种终极处理技术，是仿照地球地幔深处时刻进行的地幔化学过程，地幔中的高温铁镍液体合金以及其上的熔融岩浆，组成了破坏和重整一切有机物，进而获得煤炭、石油、天然气、页岩油气等的化学和物理过程。

　　这种处理工艺技术不输于协同处置，本身不产出任何金属产品，熔融金属液、渣液只是充当了高效的触媒催化剂等多种功能。

　　我们也不妨把这种技术称为改变中国固废、能源格局的7G技术，也就是Garbage and Gangue into fuel Gas, power Generation and Gasoline by Geomantle type Gasifier, 中文意思是“将垃圾和煤矸石转化为燃料气体、发电和汽柴油的仿地幔气化技术”。

　　2 熔铁浴喷吹的工业基础

　　人类社会进入工业化以来，社会生活以及生产过程排出的垃圾、废弃物以惊人的数量不断增长和积累，已经成为人类社会必须面对的重大生态环境难题。

　　虽然人们使用填埋、焚烧、堆肥等多种手段来处理垃圾固废，特别是其中的有机物，但目前常用的处理手段要么处理的速度和数量难以适应固废飞速增长的节奏，要么是在处理过程中容易产生新的二次污染，要么是处理的成本高企，或者是受到土地容量等的限制而难以为继。世界各国都不同程度存在垃圾围城、垃圾固废侵占人类生存空间、垃圾固废导致生态环境恶化的难题。

　　从现代钢铁冶金、有色金属冶金的冶炼过程中，利用喷枪将高速气体射流吹向金属液或者渣液，形成激烈的气液混合流动，带来熔池的激烈搅拌，构成了反应动力学上良好的混合条件，对于金属与渣液熔池的动量传递、热能传递、质量传递具有良好的作用，行业内称之为“过程强化”手段，这也是现代冶金科学技术着力发展的一种提高效率、提高产率的技术路径。

　　更进一步，将高速气体射流浸没喷吹入金属液或者渣液，以及用高速气体射流作为载气，将固相粒子喷吹进入到熔融金属液、熔融渣液内部，构成了所谓的熔铁浴、熔渣浴的反应条件，气固液三相在气体射流的动能搅拌下，得到充分混合，反应的总速率进一步快速提升，特别是固相粒子比起块状固体，具有更大的比表面积，与气泡、熔池的接触更为良好，反应效率大为提高。

　　在钢铁冶金的鱼雷罐铁水预处理、高炉炼铁、转炉炼钢、熔融还原炼铁，以及有色重金属铅锌铜镍锡等的熔池熔炼的工业实践中，将燃料、脱硫剂粉体、矿粉等喷吹入金属液熔池、渣液熔池构成了熔铁浴反应、熔渣浴反应，已经是相当成熟的单元操作，体现出速度和效率方面的极大优势。

　　下面仅以钢铁冶金熔炼过程来详细阐述。

　　钢铁工业有三个重要功能。首先是生产钢铁制品，这是为全社会所熟知的。还有两大功能往往并不为公众所知，那就是处理消纳社会和其他工业大宗固体废弃物的功能，以及因此而来的能源转化功能。这后两个功能是紧密相关的。

　　德国、日本等国的钢铁工业，从1980年代开始，即有意识地处理社会固体废弃物，例如高炉喷吹废旧塑料代替喷煤，取得很好的效果，尽管高炉喷吹废旧塑料，并不是熔铁浴、熔渣浴的处理方式，但是已经具有了钢铁工业实现第二功能的雏形。至于第三功能，钢铁企业为周边的社区提供煤气、电力、供暖等，已经持续了数十年以上。

　　这个阶段钢铁工业对废弃物的消纳处理，以及将煤炭能源以另外一种气体燃料、热蒸汽、热水、电力等方式提供给社会，其主要功能-生产钢铁产品，并没有被冲淡，也只是一种协同式发挥其环境功能。

　　更为彻底的做法是：放弃钢铁的生产，只是利用钢铁冶金中比较成熟的熔铁浴、熔渣浴反应工艺和装备，借鉴其成熟的单元操作，用高效的双熔浴方式，将有机物固体废弃物高速喷吹进入熔浴中，并鼓入气化剂，进行彻底处理和转化，将其中碳氢元素转化为洁净合成燃气，而无机物大部分进入到渣中，实现减量化、无害化处置，合成气体既可以作为燃料气体，也可以通过适度变换其中的H/C比例，为下一步的化工合成提供合格原料气，由此将能够对人类环境状况、能源格局带来革命性的影响。图1是典型的双熔浴处理的流程示意图。