中國科學(xué)院揚(yáng)州產(chǎn)業(yè)化中心，國科學(xué)院浙江研究院

　　1 熔鐵浴處理固廢簡介

　　我國廢舊塑料、橡膠輪胎、有機(jī)危廢等大量積存，傳統(tǒng)的熱裂解、焚燒、水泥窯等處理方法，溫度低，有機(jī)物沒有完全密閉隔絕，會產(chǎn)生大量有毒有害的中間產(chǎn)物，例如二噁英等有害氣體，所以必須開發(fā)瞬間能達(dá)到1400℃高溫、且能夠液漿密封型處理方法和裝置就顯著尤為重要。

　　鋼鐵冶金行業(yè)近幾十年來，開發(fā)了非高爐煉鐵技術(shù)，特別是熔融還原技術(shù)，其中一個(gè)單元操作就是鐵水浴熔融還原，在多種非高爐煉鐵領(lǐng)域得到應(yīng)用。將含碳固廢顆粒與氧氣/水蒸氣等高速噴吹進(jìn)入1500℃的金屬液熔池深部，發(fā)生溶解氧與溶解碳的快速反應(yīng)，生成高溫下穩(wěn)定的CO氣體，氫元素生成H2，硫氯元素基本固化在渣中。鐵水浴熔池充當(dāng)了催化劑、加速器、分散體、蓄熱體、反應(yīng)物載體、硫吸收劑、密封體、攪拌器、熱傳導(dǎo)體等多種功能。

　　除了能碳?xì)浠衔锍蔀闈崈羧細(xì)釩O+H2，還能通過鐵液和堿性渣固化硫氯，氣體中不含硫，而且有色重金屬危廢能夠氣化回收為鉛鋅鎘金屬產(chǎn)品。

　　適用于廢舊塑料、廢舊橡膠及輪胎、有機(jī)固廢、有機(jī)危廢、生物質(zhì)固廢、可燃固廢、高硫石油焦、高硫劣質(zhì)煤等的處理和清潔燃?xì)廪D(zhuǎn)換；同時(shí)進(jìn)行有色金屬、鋼鐵、化工的廢渣處置及有價(jià)元素回收；脫除硫氯等。

　　可以放置鐵水浴10-500噸，采用底吹、側(cè)吹裝置，將含碳固廢及氧氣鼓入鐵水浴熔池中，進(jìn)行反應(yīng)。每小時(shí)噴吹碳?xì)浠衔镱w粒達(dá)到100噸以上，99%以上轉(zhuǎn)化為潔凈燃?xì)狻?/p>

　　燃?xì)夂唵纬龎m凈化就可以使用，既可以作為燃料氣，也可以用于化工合成，例如F-T合成生產(chǎn)柴油、汽油，以及合格天然氣、烯烴等。

　　我國廢舊塑料、廢舊橡膠及輪胎、有機(jī)固廢等量大面廣，采用該方法，能夠避免傳統(tǒng)裂解、焚燒等容易產(chǎn)生二次污染的方法，直接獲得潔凈燃?xì)?，含有的重金屬能夠回收獲得金屬產(chǎn)品，硫氯在渣中固化脫除。適合多種行業(yè)，在我國以及其他國家有廣泛的應(yīng)用前景。

　　目前高爐噴吹固廢塑料、廢舊橡膠輪胎，在德國日本已經(jīng)運(yùn)行多年。我國近三十年來發(fā)展的熔融還原煉鐵技術(shù)中，HISmelt等技術(shù)中大量應(yīng)用熔池噴吹的鐵浴反應(yīng)器，在有色重金屬側(cè)頂吹熔池熔煉、玻璃窯浸沒燃燒中，也發(fā)展了此項(xiàng)單元操作，是成熟的單元技術(shù)。我國山東墨龍引進(jìn)的HISmelt熔融還原生產(chǎn)線已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行，也采用了鐵浴熔池技術(shù)。

　　此項(xiàng)技術(shù)建立固廢處理設(shè)施，單一反應(yīng)器即能夠每年處理50萬噸以上的有機(jī)固廢、危廢。每噸可燃固廢可產(chǎn)生1500-2000 M3的潔凈燃?xì)?，燃?xì)獾臒嶂颠_(dá)到11-12MJ/M3，相當(dāng)于500-600 M3天然氣的熱值，全年產(chǎn)生的清潔燃?xì)庀喈?dāng)于3億立方米天然氣。

　　如果用此項(xiàng)技術(shù)外加真空電熱處理鋼鐵中含有金屬鋅資源的固廢，特別是高爐除塵灰、電爐除塵灰中提取的含鋅次氧化鋅，單臺反應(yīng)器一年能產(chǎn)出20萬噸金屬鋅，銷售收入42億元，利潤超過10億元，產(chǎn)品作為熱鍍鋅的金屬材料，實(shí)現(xiàn)固廢資源的高附加值綜合利用。

　　制得一提的是，這種終極處理技術(shù)，是仿照地球地幔深處時(shí)刻進(jìn)行的地?；瘜W(xué)過程，地幔中的高溫鐵鎳液體合金以及其上的熔融巖漿，組成了破壞和重整一切有機(jī)物，進(jìn)而獲得煤炭、石油、天然氣、頁巖油氣等的化學(xué)和物理過程。

　　這種處理工藝技術(shù)不輸于協(xié)同處置，本身不產(chǎn)出任何金屬產(chǎn)品，熔融金屬液、渣液只是充當(dāng)了高效的觸媒催化劑等多種功能。

　　我們也不妨把這種技術(shù)稱為改變中國固廢、能源格局的7G技術(shù)，也就是Garbage and Gangue into fuel Gas, power Generation and Gasoline by Geomantle type Gasifier, 中文意思是“將垃圾和煤矸石轉(zhuǎn)化為燃料氣體、發(fā)電和汽柴油的仿地幔氣化技術(shù)”。

　　2 熔鐵浴噴吹的工業(yè)基礎(chǔ)

　　人類社會進(jìn)入工業(yè)化以來，社會生活以及生產(chǎn)過程排出的垃圾、廢棄物以驚人的數(shù)量不斷增長和積累，已經(jīng)成為人類社會必須面對的重大生態(tài)環(huán)境難題。

　　雖然人們使用填埋、焚燒、堆肥等多種手段來處理垃圾固廢，特別是其中的有機(jī)物，但目前常用的處理手段要么處理的速度和數(shù)量難以適應(yīng)固廢飛速增長的節(jié)奏，要么是在處理過程中容易產(chǎn)生新的二次污染，要么是處理的成本高企，或者是受到土地容量等的限制而難以為繼。世界各國都不同程度存在垃圾圍城、垃圾固廢侵占人類生存空間、垃圾固廢導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的難題。

　　從現(xiàn)代鋼鐵冶金、有色金屬冶金的冶煉過程中，利用噴槍將高速氣體射流吹向金屬液或者渣液，形成激烈的氣液混合流動(dòng)，帶來熔池的激烈攪拌，構(gòu)成了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)上良好的混合條件，對于金屬與渣液熔池的動(dòng)量傳遞、熱能傳遞、質(zhì)量傳遞具有良好的作用，行業(yè)內(nèi)稱之為“過程強(qiáng)化”手段，這也是現(xiàn)代冶金科學(xué)技術(shù)著力發(fā)展的一種提高效率、提高產(chǎn)率的技術(shù)路徑。

　　更進(jìn)一步，將高速氣體射流浸沒噴吹入金屬液或者渣液，以及用高速氣體射流作為載氣，將固相粒子噴吹進(jìn)入到熔融金屬液、熔融渣液內(nèi)部，構(gòu)成了所謂的熔鐵浴、熔渣浴的反應(yīng)條件，氣固液三相在氣體射流的動(dòng)能攪拌下，得到充分混合，反應(yīng)的總速率進(jìn)一步快速提升，特別是固相粒子比起塊狀固體，具有更大的比表面積，與氣泡、熔池的接觸更為良好，反應(yīng)效率大為提高。

　　在鋼鐵冶金的魚雷罐鐵水預(yù)處理、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、熔融還原煉鐵，以及有色重金屬鉛鋅銅鎳錫等的熔池熔煉的工業(yè)實(shí)踐中，將燃料、脫硫劑粉體、礦粉等噴吹入金屬液熔池、渣液熔池構(gòu)成了熔鐵浴反應(yīng)、熔渣浴反應(yīng)，已經(jīng)是相當(dāng)成熟的單元操作，體現(xiàn)出速度和效率方面的極大優(yōu)勢。

　　下面僅以鋼鐵冶金熔煉過程來詳細(xì)闡述。

　　鋼鐵工業(yè)有三個(gè)重要功能。首先是生產(chǎn)鋼鐵制品，這是為全社會所熟知的。還有兩大功能往往并不為公眾所知，那就是處理消納社會和其他工業(yè)大宗固體廢棄物的功能，以及因此而來的能源轉(zhuǎn)化功能。這后兩個(gè)功能是緊密相關(guān)的。

　　德國、日本等國的鋼鐵工業(yè)，從1980年代開始，即有意識地處理社會固體廢棄物，例如高爐噴吹廢舊塑料代替噴煤，取得很好的效果，盡管高爐噴吹廢舊塑料，并不是熔鐵浴、熔渣浴的處理方式，但是已經(jīng)具有了鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)第二功能的雛形。至于第三功能，鋼鐵企業(yè)為周邊的社區(qū)提供煤氣、電力、供暖等，已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年以上。

　　這個(gè)階段鋼鐵工業(yè)對廢棄物的消納處理，以及將煤炭能源以另外一種氣體燃料、熱蒸汽、熱水、電力等方式提供給社會，其主要功能-生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品，并沒有被沖淡，也只是一種協(xié)同式發(fā)揮其環(huán)境功能。

　　更為徹底的做法是：放棄鋼鐵的生產(chǎn)，只是利用鋼鐵冶金中比較成熟的熔鐵浴、熔渣浴反應(yīng)工藝和裝備，借鑒其成熟的單元操作，用高效的雙熔浴方式，將有機(jī)物固體廢棄物高速噴吹進(jìn)入熔浴中，并鼓入氣化劑，進(jìn)行徹底處理和轉(zhuǎn)化，將其中碳?xì)湓剞D(zhuǎn)化為潔凈合成燃?xì)?，而無機(jī)物大部分進(jìn)入到渣中，實(shí)現(xiàn)減量化、無害化處置，合成氣體既可以作為燃料氣體，也可以通過適度變換其中的H/C比例，為下一步的化工合成提供合格原料氣，由此將能夠?qū)θ祟惌h(huán)境狀況、能源格局帶來革命性的影響。圖1是典型的雙熔浴處理的流程示意圖。