刘晨
摘 要：本文介绍几种企业和城市无废低碳改造可以选择和开发的技术，探讨无废低碳改造技术应用中的应用。
关键词：无废技术；低碳技术
0 概述
我国正在140多个城市和地区进行无废城市建设，主要针对垃圾、污泥、工业固废的无害化处理。企业不仅产生工业固废，还有废气、废水、废热需要处理利用，以废气治理为例，需要颗粒物、二氧化硫、氮氧化物常规污染物超低排放；超低了还得减排VOCs、CO、重金属、二噁英、除酸等新污染物，还得节能减少碳排放。大多企业都超低了还是经常出现大气污染，不得不再停限搬，排放总量巨大环境容量不足已经是很多区域性的难题。废水、固废处理也都存在种种问题。
目前许多行业企业大范围亏损，原材料、能源价格上涨、需求不足是普遍性原因，环境治理负担沉重、能源资源利用效率低也是重要原因，特别是企业可以有所作为的领域。企业和城市无废低碳既是国家城市建设的要求，也是企业解决问题的关键途径。企业和城市无废低碳改造有很多技术可供选择，本文重点简介以下几项共用技术：
1) 烟废气余热极限回收技术
2) 烟废气循环减量技术
3) 煤炭清洁高效低碳利用技术
4) 城市污泥处理利用技术
5) 城市垃圾水洗分类技术
现将相关技术的原理、用途和应用状况分别简介如下。
1 烟废气余热极限回收技术
几十年来，我国大气污染治理，从除尘、脱硫、脱硝、超低排放，到如今的新污染物控制，如今三项常规污染物排放总量已经降低到上世纪八九十年代的水平，成就显著，但也到底了。新污染物都包括什么还不明确，怎么治理更是问题，有必要进行深度分析研究。如图1所示，在很多工业过程中，水蒸发吸热变为水蒸汽，水蒸汽遇冷后变成白烟，最终以水雾、CPM可凝结颗粒物、余热的形式排入大气层。研究表明，我国2022年能耗总量50多亿吨标准煤，能源利用率不到40%，30多亿标准煤是以水蒸汽形式的低温余热浪费的，因此，余热不仅是大气污染的源头，也是能源、水资源的浪费。主要是低温余热和间隙性余热，比如火电乏汽循环水冷却塔、高温渣余热。粗略估算，我国每年以余热导致的水蒸汽排放量160亿吨，煤电排放水蒸汽量超过50%，其它依次为钢铁、煤化工等。
图1 烟气余热极限回收的作用
白烟不仅是大气污染的最大源头，更是现在环境、水力、能源等部门标准规范管控的漏洞，仅从余热和水资源极限回收利用已经足够，比如某市估算煤电、钢铁等企业年排放水蒸汽4亿吨，回收60%顶替取黄河取水，年节水超两亿吨，正好解决了黄河水超采，回收的余热相当于节煤200万吨、减少二氧化碳排放近500万吨。回收烟气中的水蒸汽，还可以深度净化烟气减少新污染物排放、阻隔烟气残余污染物的排放，允许在各种烟气治理过程中，处理和利用废水，把废水变新水，协同解决城市大气污染和废水排放问题。
采用烟气喷淋冷凝+热泵技术回收利用水蒸汽和余热极限回收烟废气余热技术具有以下特点：
1) 烟气水份和余热回收到大气平均温度25°C，实现极限回收
2) 烟气采用直接喷淋冷凝换热，不增加阻损
3) 喷淋换热在线布置，或离线旁路布置，施工和故障不影响运行
4) 分别采用余热制冰、二氧化碳制冰+蒸汽压缩，实现0—130°C大温差循环冷却，减少循环水量节电，余热利用节煤，并提高发电企业的灵魂性。余热利用后可以逐步淘汰各种循环水冷却塔、空冷器等设备，并且制冰还可以长输利用，比如用于中央空调蓄冷节电，。
5) 通过与烟气新钙法脱硫改造结合，减少脱硫电耗80%，不产生脱硫废水和废石膏，回收化肥和化工产品原料，任何工业烟气处理过程都可以成为一个污水处理厂。
2 烟废气循环减量技术
几十年来，我国大气污染治理从消烟除尘，到脱硫、脱硝，一直都只控制浓度，不控制排放量，通过停限搬淘汰产等措施解决环境容量不足，虽然临时性解决了区域污染，但大幅度加大社会经济成本。按大气容量理论，污染物包括常规和非常规污染物，实践已经证明只控制常规污染物，不能保障空气质量，碳减排还没有成熟可靠的解决方法。
研究表明，以钢铁企业为例，烟废气，根据温度和含氧量，可以粗略分为如下三类：
1) 常温常氧废气：比如密闭料场、煤场，原料转运、装卸、混料等废气，其实就是环境空气增多了颗粒物
2) 高温常氧废气：比如高炉出铁场废气、烧结矿冷却废气、转炉二次三次废气，含颗粒物+余热
3) 高温低氧烟气：比如烧结大烟道烟气、焦炉烟道气、高炉煤气、转炉煤气、各种加热燃烧烟气等，含颗粒物+余热+多种污染物+二氧化碳
前两类烟废气占比80%以上，都可以简单处理、循环利用不排放。如图1所示，所谓烟废气循环利用，就是将烟废气不处理、或简化处理后循环利用，用于源头的冷却、密封、燃烧等，替代进入系统的洁净空气，简单说就是用烟废气替换新空气，因为再超低近零的烟废气，也比环境空气质量差，少排、不排是最高效低成本的、协同解决新污染物控制、节能减碳的方法。
以钢铁联合企业为例，我国长流程钢企平均吨钢排放烟废气量43.5t/t，与节水改造前的吨钢耗水量接近，主要通过废水循环利用，目前平均吨钢新水消耗不到3t/t。借鉴节水的成功经验，80%烟废气都可以通过不处理、简单处理后自循环或串级循环利用，实现近零排放。涉及燃烧和工艺过程的烟气也可以采取技术措施循环利用源头减量，企业不仅不再需要停限搬，企业超低排放、创A改造的投资、成本、能耗、碳排、新污染物控制目标都可以低成本、甚至有效益实现。研究结果，通过这种方式进行超低排放和节能减碳改造，吨钢成本最低减少100元。
图2 烟废气循环利用方法
3 煤炭清洁高效低碳利用技术
煤炭清洁高效低碳利用技术涉及两个方面，一个烟气-空气系统，几千年来煤炭一直采用空气助燃，产生的烟气中80%是氮气，主要源自空气，按照吨煤排烟13吨、含氮气8吨估算，全国仅煤电热力燃烧每年排放近200亿吨氮气，变为污染烟气，这是燃煤烟气除尘、脱硫、脱硝成本居高不下的最主要原因，进行新污染物控制、燃烧后捕碳成本还得增加，企业真得难以承受。
研究烟气循环利用技术，容易实施，对原设备改造量最少。方案特点：
1) 烟气自循环，需要超低排放净化处理的烟气量可减少80%、甚至零排放
2) 烟气除尘、脱硫、脱硝运行成本大幅降低
4) CO2会在炉内被还原为CO，抑制NO生成，并节煤
5) 排烟量少、CO2浓度高，可大幅减少捕捉成本
另一方面，逐步改变、禁止煤炭直接入炉燃烧，煤分两段制气，首先制气回收氢、甲烷煤气，然后用焦炭还原二氧化碳制气，高浓度CO煤气纯氧循环燃烧、或外供做化工原料利用，实现用煤不排碳、节煤降成本。理论估算，每吨纯碳能还原3.7吨二氧化碳，产生4.7吨一氧化碳，一氧化碳首先是能源，可替煤替焦替石油替天然气，还是基础煤化工中间原料，有很多其它用途，短流程碳循环是近中期解决我国煤炭的碳中和难题最可行的途径。
图3 煤炭两段制气技术
4 城市污泥处理利用技术
2020年我国污水处理厂泥处置量超过1.4亿吨，~70%采用填埋，存在二次污染隐患，国家在逐步禁止填埋，鼓励无害化资源化利用。电厂、水泥企业都在掺烧，由于污泥中污染物含量和水分限制，环保部门限制掺烧率不超过5%，掺烧企业由地方政府补贴吨污泥（含水份80%）200-300元，最主要的是污泥含水20-60%，运输和燃烧过程能源浪费多。浙江省有十几家企业，采用喷雾干燥深度脱水+焚烧实现了无害化，但没有实现资源化，更主要的是处理日100吨以下众多中小型污水处理厂所产污泥不经济，需要研究新的利用技术。
我们推荐污泥无害化资源处置利用方法见图4，保留现有污染处理流程不变，旁路将脱水污泥首选烟气余热喷雾干化，节省污泥干化的投资和运行成本，煤电、水泥、钢铁、煤化工等行业可以不再受限制的掺烧，不降低热效率，再与烟气除湿、循环利用结合就能彻底实现无害化。2022年煤电供热年耗煤19亿吨，钢铁、水泥等原材料吞吐量都超过20亿吨，可以轻松处置利用城市污泥。
图4 污水处理厂污泥处理利用技术
利用污泥自热喷雾干化，不再直接单烧含水污泥，而是与生物质、煤等混合造球制气，通过烧生物质煤气实现资源化，余热以自用为主，比如供暖、生活热水、夏天制冷空调，还可以直接外供生物球、煤气，这种方法特别适合县城及村镇等中小型污水处理企业污泥的处置处理。
5 城市垃圾水洗分类技术
我国垃圾处理逐步不许填埋，也没有地方再填埋，一直力推垃圾焚烧发电，但垃圾焚烧发电也是问题多多，最大问题是排放二噁英嫌疑，专家企业都认为没有问题，因为检测都达标，但周边百姓都不认可，因为每年就检测几次、每次都提前通知，在不检测、不正常的工况下，不可能排放达标。二是热利用率太低，垃圾焚烧发电的热利用率只有23%，70%以上的热量是汽轮机乏汽冷却塔和烟囱排入大气层浪费的，是大气污染源头，更是水、余热资源浪费，垃圾渗滤液、飞灰处理成本都太高。分析原因，主要是因为垃圾没分类，或分类不彻底，塑料、25%的水份都进炉燃烧，产生二噁英、热利用率低和处理成本高都是不可避免的，研究水洗分类技术是一个可行的办法，特别是对于历史存量填埋垃圾。
城市垃圾水选分类技术利用水洗，通过水选、重选及磁选等多种方式组合对垃圾进行分选，类似选矿工艺，根据金属、玻璃和沙子等无机材料比重比水大得多，而塑料和生物降解有机物等于或小于水的比重，将未分类、或分类不彻底垃圾推入水中，通过类似洗衣机的水洗机，先分离出垃圾中~50%的水分，垃圾水分循环利用，富裕水分处理后回用。主要水洗分类工序和设备包括：
-水选
-重选
-筛分
-磁选/滴流感应
-水轮机
-风干机
水洗过程中，比重大的物质下沉到分选罐的底部，包括黑色金属、有色金属、玻璃、沙石等，分类出来传送到加工处理线，分选出可以直接回用物质和残余物质（通常约为初始重量的15%）。
比重轻的无机废弃物，与比重重的物质中分选出来，通过一个斜槽向下传送到一个粗破碎器。在那里，有机废弃物浸泡在液体中，使其中的成分尽可能多地吸收水分。由于塑料不能吸收液体，可生物降解材料的比重更轻，可以使用气流导向分选出来，并离开剩余物质，送入单独的回收容器，垃圾水洗分类后采用生物处理工艺流程如图5所示。
图5 城市垃圾水洗分类工艺流程图
垃圾水洗分类的好处，首先将垃圾中的水分分离出来，还将垃圾中的钢铁、有色金属、玻璃等分离出来，特别是将塑料分离直接回用，彻底消除了焚烧产生二噁英的根源。经过水洗分离出水分、可直接回用物质、不可燃烧残渣之后，剩余的垃圾只有原始重量的15%，大幅度实现了垃圾的减量化和直接资源化回用。可直接回用物质包括钢铁、有色金属、玻璃、塑料瓶、塑料袋、纸板等，可无害化填埋物质沙石、水泥、砖块等。生物有机液可以用生物沼气系统制成煤气，供市民直接利用，剩余的用于发电、供热，也可以喷雾干燥后，在煤电、水泥、钢铁、焦化等行业掺烧，不增加成本，降低能耗。对于新生和已经填埋的存量垃圾，优先选择将生物液干化后掺烧，对于原有的垃圾焚烧厂，可以改为烧气，原锅炉和发电设备直接保留利用。
垃圾水洗分类技术是已经应用十几年的成熟技术，在国外已经有处理750t/d的垃圾处理厂运行多年，国内云南某厂也已经建设完成，即将投入运行，日处理150t/d。