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      摘要:超臨界水氧化技術(SCWO),將超臨界水作為反應介質,實現有機物氧化分解。超臨界水使氧化劑、有機物、水形成都是一相,解決了相間物質傳輸阻力,使固相、氣相間的多相反應成為單相反應下進行。SCWO反應條件:溫度達到400~600℃,壓力30~50MPa,在極短時間內實現對有機成分破壞效果,且反應的非常徹底,去除率達99%以上。超臨界水氧化反應后,有機化合物氧化成二氧化碳和水,磷、硫轉換成硫酸鹽、磷酸鹽。氯轉化為氮氣或氯離子金屬鹽。
      超臨界水氧化技術在城市固廢處理中的應用

      發布者:禹州華德|2022-07-28| 返回列表

        近年來,隨著工業化、城鎮化進程的加快,我國的城市固廢產生量呈現出逐漸增長態勢。根據生態環保部發布的《2018年全國大、中城市固體廢物污染環境防治年報》公布的數據顯示:2017年,全國202個大、中城市一般固廢、工業危廢、醫療廢物和生活垃圾產生量分別為13.1億t、0.401億t、78.1萬t和2.19億t,較上一年度均有不同程度增長。固廢的處理應堅持:減量化、資源化和無害化原則,通過預處理(破碎、固化、分選等)、填埋、焚燒、堆肥等,實現“三化”處理效果。

        1、超臨界水氧化技術原理介紹

        1.1 工藝原理

        超臨界水氧化技術(SCWO),將超臨界水作為反應介質,實現有機物氧化分解。超臨界水使氧化劑、有機物、水形成都是一相,解決了相間物質傳輸阻力,使固相、氣相間的多相反應成為單相反應下進行。SCWO反應條件:溫度達到400~600℃,壓力30~50MPa,在極短時間內實現對有機成分破壞效果,且反應的非常徹底,去除率達99%以上。超臨界水氧化反應后,有機化合物氧化成二氧化碳和水,磷、硫轉換成硫酸鹽、磷酸鹽。氯轉化為氮氣或氯離子金屬鹽。

        1.2 超臨界水特點

        超臨界水傳輸性質及物理特點介于液體與氣體之間,與普通水相比,粘度較低、密度易改變、極性較小、易擴散、表面張力較低等等特點。且在室溫水中難溶的化合物超臨界氧化技術條件下易溶,也對某些室溫易溶下化合物在超臨界氧化技術條件下難溶。對有機物溶解度較高,鹽類溶解度則較低。

        1.3 超臨界水氧化技術優點

        采取超臨界水氧化技術處理城市固廢具有:

        (1)處理效率高。

        SCWO處理工藝中形成的碳氫化合物、水體以及氧氣均為一相,無傳質阻力,具有很高氧化效率,對有機物的去除效果能夠達到99%。

        (2)設備結構簡單。

        SCWO能夠使固廢在超臨界水環境中實現均相反應,速率快,停留時間低于60s,設備結構簡單,體積小,投入低。

        (3)沒有二次污染。

        SCWO是在封閉的環境中進行,固廢中的有毒、有害及難降解有機物在高溫、適當壓力和停留時間條件下氧化成CO2、H2O,以及磷酸鹽、硫酸鹽等無機組分。

        (4)能源節約效果。

        SCWO處理城市固廢,在有機物質量分數>2%會發生自熱反應,無需供熱,多余熱能可回收再利用。

        2、超臨界水氧化技術在城市固廢中的應用

        2.1 處理市政污泥

        SCWO對城市污水處理廠污泥具有分解徹底的效果。Shanableh等,在污泥固體濃度5%、固液兩相COD46500mg/L,在選擇超臨界水氧化技術處理市政污泥,既徹底破壞污泥,揮發酸等中間產物也徹底解決。Goto等人利用SCWO處理市政污泥,在溫度達450℃、壓力達30MPa,以及反應時間4min諸條件下,市政污泥的處理效果達99.4%。與其他工藝相比(見表1),SCWO處理市政污泥具有流程短、無二次污染,無殘灰,可適用各種有毒有害物質的處理,去除效率高達99%以上,反應結構簡單,投資少,可有效減少排水效果。

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        2.2 尼龍降解

        Meng等人利用SCWO處理尼龍塑料固廢,在溫度380℃、壓力28MPa、反應時間為30min條件下,尼龍被徹底降解為單體。

        2.3 聚乙烯分解回收

        蘇曉麗等人利用SCWO處理聚乙烯,溫度在450℃增至480℃,超臨界氧化水迅速分解聚乙烯,油收率超過90%。

        2.4 聚苯乙烯降解

        馬沛生選用SCWO工藝降解聚苯乙烯及聚苯乙烯與聚丙烯混合塑料,在380℃,聚苯乙烯在SCWO中1h實現徹底降解。聚苯乙烯/聚丙烯混合塑料(質量比7:3),在390℃,也在1h內實現徹底降解。

        2.5 降解廢橡膠

        杜昭輝等人,選用SCWO,將廢橡膠在5min反應時間中,液相混合油品回收達59.2%。

        2.6 其他

        佐古猛采用SCWO技術處理城市固廢焚燒飛灰中的二噁英,幾乎實現了100%去除效果。

        3、超臨界水氧化技術不足及優化

        3.1 不足

        SCWO盡管在城市固廢處理中擁有諸多的優勢,但也技術應用上也存在一些短板,主要是腐蝕和鹽沉積問題。前者,是由于SCWO應用過程中對溫度、壓力、pH值等有著苛刻要求,有機物中的鹵素、硫或磷,在超臨界水中分解產生酸,腐蝕設備,一些無機離子會加劇不銹鋼容器腐蝕。后者,由于SCWO工藝技術中的鹽溶解度很小,在反應過程中產生鹽沉積,堵塞反應器,降低反應中的換熱率,系統壓降增加。

        3.2 優化

        針對腐蝕問題,主要通過耐壓耐腐蝕材料開發研究,實際應用中研制出的一些陶瓷或新金屬材料,改善耐腐蝕性。此外,也有在SCWO中添加催化劑,以及水、硝酸強氧化劑降低反應溫度、壓力,降低容器的腐蝕。針對鹽沉積垢,從源頭提高固體鹽溶解度或避免固體鹽形成。此外,通過SCWO反應機理的深入研究,利用臨界液、氣兩態中氫鍵結構變化研究,改善工藝的應用效果。近年來,催化超臨界水氧化技術研究也成為熱點。

        4、結語

        隨著城市固廢產生量的持續增長,做好固廢“三化”處理成為擺在現實中不得不面對的一道難題,合理選用SCWO技術,能夠在城市固廢處理中取得良好效果,值得實際應用推廣。

      (來源:安徽省環境科學研究院)


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