劉晨
摘 要：本文介紹幾種企業和城市無廢低碳改造可以選擇和開發的技術，探討無廢低碳改造技術應用中的應用。
關鍵詞：無廢技術；低碳技術
0 概述
我國正在140多個城市和地區進行無廢城市建設，主要針對垃圾、污泥、工業固廢的無害化處理。企業不僅產生工業固廢，還有廢氣、廢水、廢熱需要處理利用，以廢氣治理為例，需要顆粒物、二氧化硫、氮氧化物常規污染物超低排放；超低了還得減排VOCs、CO、重金屬、二噁英、除酸等新污染物，還得節能減少碳排放。大多企業都超低了還是經常出現大氣污染，不得不再停限搬，排放總量巨大環境容量不足已經是很多區域性的難題。廢水、固廢處理也都存在種種問題。
目前許多行業企業大范圍虧損，原材料、能源價格上漲、需求不足是普遍性原因，環境治理負擔沉重、能源資源利用效率低也是重要原因，特別是企業可以有所作為的領域。企業和城市無廢低碳既是國家城市建設的要求，也是企業解決問題的關鍵途徑。企業和城市無廢低碳改造有很多技術可供選擇，本文重點簡介以下幾項共用技術：
1) 煙廢氣余熱極限回收技術
2) 煙廢氣循環減量技術
3) 煤炭清潔高效低碳利用技術
4) 城市污泥處理利用技術
5) 城市垃圾水洗分類技術
現將相關技術的原理、用途和應用狀況分別簡介如下。
1 煙廢氣余熱極限回收技術
幾十年來，我國大氣污染治理，從除塵、脫硫、脫硝、超低排放，到如今的新污染物控制，如今三項常規污染物排放總量已經降低到上世紀八九十年代的水平，成就顯著，但也到底了。新污染物都包括什么還不明確，怎么治理更是問題，有必要進行深度分析研究。如圖1所示，在很多工業過程中，水蒸發吸熱變為水蒸汽，水蒸汽遇冷后變成白煙，最終以水霧、CPM可凝結顆粒物、余熱的形式排入大氣層。研究表明，我國2022年能耗總量50多億噸標準煤，能源利用率不到40%，30多億標準煤是以水蒸汽形式的低溫余熱浪費的，因此，余熱不僅是大氣污染的源頭，也是能源、水資源的浪費。主要是低溫余熱和間隙性余熱，比如火電乏汽循環水冷卻塔、高溫渣余熱。粗略估算，我國每年以余熱導致的水蒸汽排放量160億噸，煤電排放水蒸汽量超過50%，其它依次為鋼鐵、煤化工等。
圖1 煙氣余熱極限回收的作用
白煙不僅是大氣污染的最大源頭，更是現在環境、水力、能源等部門標準規范管控的漏洞，僅從余熱和水資源極限回收利用已經足夠，比如某市估算煤電、鋼鐵等企業年排放水蒸汽4億噸，回收60%頂替取黃河取水，年節水超兩億噸，正好解決了黃河水超采，回收的余熱相當于節煤200萬噸、減少二氧化碳排放近500萬噸。回收煙氣中的水蒸汽，還可以深度凈化煙氣減少新污染物排放、阻隔煙氣殘余污染物的排放，允許在各種煙氣治理過程中，處理和利用廢水，把廢水變新水，協同解決城市大氣污染和廢水排放問題。
采用煙氣噴淋冷凝+熱泵技術回收利用水蒸汽和余熱極限回收煙廢氣余熱技術具有以下特點：
1) 煙氣水份和余熱回收到大氣平均溫度25°C，實現極限回收
2) 煙氣采用直接噴淋冷凝換熱，不增加阻損
3) 噴淋換熱在線布置，或離線旁路布置，施工和故障不影響運行
4) 分別采用余熱制冰、二氧化碳制冰+蒸汽壓縮，實現0—130°C大溫差循環冷卻，減少循環水量節電，余熱利用節煤，并提高發電企業的靈魂性。余熱利用后可以逐步淘汰各種循環水冷卻塔、空冷器等設備，并且制冰還可以長輸利用，比如用于中央空調蓄冷節電，。
5) 通過與煙氣新鈣法脫硫改造結合，減少脫硫電耗80%，不產生脫硫廢水和廢石膏，回收化肥和化工產品原料，任何工業煙氣處理過程都可以成為一個污水處理廠。
2 煙廢氣循環減量技術
幾十年來，我國大氣污染治理從消煙除塵，到脫硫、脫硝，一直都只控制濃度，不控制排放量，通過停限搬淘汰產等措施解決環境容量不足，雖然臨時性解決了區域污染，但大幅度加大社會經濟成本。按大氣容量理論，污染物包括常規和非常規污染物，實踐已經證明只控制常規污染物，不能保障空氣質量，碳減排還沒有成熟可靠的解決方法。
研究表明，以鋼鐵企業為例，煙廢氣，根據溫度和含氧量，可以粗略分為如下三類：
1) 常溫常氧廢氣：比如密閉料場、煤場，原料轉運、裝卸、混料等廢氣，其實就是環境空氣增多了顆粒物
2) 高溫常氧廢氣：比如高爐出鐵場廢氣、燒結礦冷卻廢氣、轉爐二次三次廢氣，含顆粒物+余熱
3) 高溫低氧煙氣：比如燒結大煙道煙氣、焦爐煙道氣、高爐煤氣、轉爐煤氣、各種加熱燃燒煙氣等，含顆粒物+余熱+多種污染物+二氧化碳
前兩類煙廢氣占比80%以上，都可以簡單處理、循環利用不排放。如圖1所示，所謂煙廢氣循環利用，就是將煙廢氣不處理、或簡化處理后循環利用，用于源頭的冷卻、密封、燃燒等，替代進入系統的潔凈空氣，簡單說就是用煙廢氣替換新空氣，因為再超低近零的煙廢氣，也比環境空氣質量差，少排、不排是最高效低成本的、協同解決新污染物控制、節能減碳的方法。
以鋼鐵聯合企業為例，我國長流程鋼企平均噸鋼排放煙廢氣量43.5t/t，與節水改造前的噸鋼耗水量接近，主要通過廢水循環利用，目前平均噸鋼新水消耗不到3t/t。借鑒節水的成功經驗，80%煙廢氣都可以通過不處理、簡單處理后自循環或串級循環利用，實現近零排放。涉及燃燒和工藝過程的煙氣也可以采取技術措施循環利用源頭減量，企業不僅不再需要停限搬，企業超低排放、創A改造的投資、成本、能耗、碳排、新污染物控制目標都可以低成本、甚至有效益實現。研究結果，通過這種方式進行超低排放和節能減碳改造，噸鋼成本最低減少100元。
圖2 煙廢氣循環利用方法
3 煤炭清潔高效低碳利用技術
煤炭清潔高效低碳利用技術涉及兩個方面，一個煙氣-空氣系統，幾千年來煤炭一直采用空氣助燃，產生的煙氣中80%是氮氣，主要源自空氣，按照噸煤排煙13噸、含氮氣8噸估算，全國僅煤電熱力燃燒每年排放近200億噸氮氣，變為污染煙氣，這是燃煤煙氣除塵、脫硫、脫硝成本居高不下的最主要原因，進行新污染物控制、燃燒后捕碳成本還得增加，企業真得難以承受。
研究煙氣循環利用技術，容易實施，對原設備改造量最少。方案特點：
1) 煙氣自循環，需要超低排放凈化處理的煙氣量可減少80%、甚至零排放
2) 煙氣除塵、脫硫、脫硝運行成本大幅降低
4) CO2會在爐內被還原為CO，抑制NO生成，并節煤
5) 排煙量少、CO2濃度高，可大幅減少捕捉成本
另一方面，逐步改變、禁止煤炭直接入爐燃燒，煤分兩段制氣，首先制氣回收氫、甲烷煤氣，然后用焦炭還原二氧化碳制氣，高濃度CO煤氣純氧循環燃燒、或外供做化工原料利用，實現用煤不排碳、節煤降成本。理論估算，每噸純碳能還原3.7噸二氧化碳，產生4.7噸一氧化碳，一氧化碳首先是能源，可替煤替焦替石油替天然氣，還是基礎煤化工中間原料，有很多其它用途，短流程碳循環是近中期解決我國煤炭的碳中和難題最可行的途徑。
圖3 煤炭兩段制氣技術
4 城市污泥處理利用技術
2020年我國污水處理廠泥處置量超過1.4億噸，~70%采用填埋，存在二次污染隱患，國家在逐步禁止填埋，鼓勵無害化資源化利用。電廠、水泥企業都在摻燒，由于污泥中污染物含量和水分限制，環保部門限制摻燒率不超過5%，摻燒企業由地方政府補貼噸污泥（含水份80%）200-300元，最主要的是污泥含水20-60%，運輸和燃燒過程能源浪費多。浙江省有十幾家企業，采用噴霧干燥深度脫水+焚燒實現了無害化，但沒有實現資源化，更主要的是處理日100噸以下眾多中小型污水處理廠所產污泥不經濟，需要研究新的利用技術。
我們推薦污泥無害化資源處置利用方法見圖4，保留現有污染處理流程不變，旁路將脫水污泥首選煙氣余熱噴霧干化，節省污泥干化的投資和運行成本，煤電、水泥、鋼鐵、煤化工等行業可以不再受限制的摻燒，不降低熱效率，再與煙氣除濕、循環利用結合就能徹底實現無害化。2022年煤電供熱年耗煤19億噸，鋼鐵、水泥等原材料吞吐量都超過20億噸，可以輕松處置利用城市污泥。
圖4 污水處理廠污泥處理利用技術
利用污泥自熱噴霧干化，不再直接單燒含水污泥，而是與生物質、煤等混合造球制氣，通過燒生物質煤氣實現資源化，余熱以自用為主，比如供暖、生活熱水、夏天制冷空調，還可以直接外供生物球、煤氣，這種方法特別適合縣城及村鎮等中小型污水處理企業污泥的處置處理。
5 城市垃圾水洗分類技術
我國垃圾處理逐步不許填埋，也沒有地方再填埋，一直力推垃圾焚燒發電，但垃圾焚燒發電也是問題多多，最大問題是排放二噁英嫌疑，專家企業都認為沒有問題，因為檢測都達標，但周邊百姓都不認可，因為每年就檢測幾次、每次都提前通知，在不檢測、不正常的工況下，不可能排放達標。二是熱利用率太低，垃圾焚燒發電的熱利用率只有23%，70%以上的熱量是汽輪機乏汽冷卻塔和煙囪排入大氣層浪費的，是大氣污染源頭，更是水、余熱資源浪費，垃圾滲濾液、飛灰處理成本都太高。分析原因，主要是因為垃圾沒分類，或分類不徹底，塑料、25%的水份都進爐燃燒，產生二噁英、熱利用率低和處理成本高都是不可避免的，研究水洗分類技術是一個可行的辦法，特別是對于歷史存量填埋垃圾。
城市垃圾水選分類技術利用水洗，通過水選、重選及磁選等多種方式組合對垃圾進行分選，類似選礦工藝，根據金屬、玻璃和沙子等無機材料比重比水大得多，而塑料和生物降解有機物等于或小于水的比重，將未分類、或分類不徹底垃圾推入水中，通過類似洗衣機的水洗機，先分離出垃圾中~50%的水分，垃圾水分循環利用，富裕水分處理后回用。主要水洗分類工序和設備包括：
-水選
-重選
-篩分
-磁選/滴流感應
-水輪機
-風干機
水洗過程中，比重大的物質下沉到分選罐的底部，包括黑色金屬、有色金屬、玻璃、沙石等，分類出來傳送到加工處理線，分選出可以直接回用物質和殘余物質（通常約為初始重量的15%）。
比重輕的無機廢棄物，與比重重的物質中分選出來，通過一個斜槽向下傳送到一個粗破碎器。在那里，有機廢棄物浸泡在液體中，使其中的成分盡可能多地吸收水分。由于塑料不能吸收液體，可生物降解材料的比重更輕，可以使用氣流導向分選出來，并離開剩余物質，送入單獨的回收容器，垃圾水洗分類后采用生物處理工藝流程如圖5所示。
圖5 城市垃圾水洗分類工藝流程圖
垃圾水洗分類的好處，首先將垃圾中的水分分離出來，還將垃圾中的鋼鐵、有色金屬、玻璃等分離出來，特別是將塑料分離直接回用，徹底消除了焚燒產生二噁英的根源。經過水洗分離出水分、可直接回用物質、不可燃燒殘渣之后，剩余的垃圾只有原始重量的15%，大幅度實現了垃圾的減量化和直接資源化回用。可直接回用物質包括鋼鐵、有色金屬、玻璃、塑料瓶、塑料袋、紙板等，可無害化填埋物質沙石、水泥、磚塊等。生物有機液可以用生物沼氣系統制成煤氣，供市民直接利用，剩余的用于發電、供熱，也可以噴霧干燥后，在煤電、水泥、鋼鐵、焦化等行業摻燒，不增加成本，降低能耗。對于新生和已經填埋的存量垃圾，優先選擇將生物液干化后摻燒，對于原有的垃圾焚燒廠，可以改為燒氣，原鍋爐和發電設備直接保留利用。
垃圾水洗分類技術是已經應用十幾年的成熟技術，在國外已經有處理750t/d的垃圾處理廠運行多年，國內云南某廠也已經建設完成，即將投入運行，日處理150t/d。