CN109486532A - 一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于危险废弃物洁净转化利用相关技术领域，并公开了一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统，其包括预热单元、太阳能聚焦单元、固废还原单元、飞溅冷凝单元和冷却单元，其中危险废弃物与焦炭按一定比例混合并掺入玻璃化剂，经过预热后进入固废还原单元，吸收二次聚焦的高温太阳能在1400‑1600K发生碳热还原反应。反应后的气态产物经过飞溅冷凝单元回收其中的金属Zn，其余气体返回预热器冷却后，经过洗涤净化处理收集燃气。反应后的凝聚态产物落入冷却装置中，回收其中的其他金属。通过本发明，能够高效利用聚焦太阳能代替传统燃料对工业危废进行回收利用，显著降低了能耗，同时避免了化石燃料燃烧产生的温室气体和其他污染物。

Description

一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统
技术领域
本发明属于危险废弃物洁净转化利用相关技术领域，更具体地，涉及一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统。
背景技术
固体废弃物来源广泛，如城市垃圾焚烧残渣、废弃电池、脏废料、污染土壤、污泥和粉尘，以及冶金工业的其他副产品等。需要特别注意的是，这些固体废弃物中通常含有不能排放到环境中的有毒成分，也即需要针对其中的危险废弃物采取专门的处置方案，相应不仅可将这些有毒物质回收转化为有用的商品，而且还直接关系到工业发展与生态环境之间的平衡，同时可以一定程度上缓解资源短缺危机。
传统的危险固体废弃物处置方案包括采用的是高温处理技术，包括等离子炉、鼓风炉、感应炉、焚烧法等。然而，这些现有技术在回收利用工业危废的过程中，消耗了大量的电力和热量，同时也产生了大量的温室气体和其他污染物如二噁英等。此外，整个回收过程中，为获得更高的热量消耗了更多的能源，为处理工业危废带来的污染，产生了其他污染：如电力通常是通过燃烧化石燃料产生的高温热转换而来，可见使用电力在一定程度上也并不清洁。又如，当焦炭作为还原剂和能量来源时，1kg电弧炉粉尘(EAFD)在1500K的碳热还原所需理论热量为3000kJ，同时至少排放了0.7kg CO2，而且实际上由于传热效率低下，排放量要远远高于理论值。相应地，本领域亟需寻找更为清洁安全和节省耗能的解决方案，以便更好地符合现代化危险固体废弃物处置的实际需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统，其中不仅引入了太阳能聚光单元与危险固体废弃物还原单元有机相结合的思路，而且对其关键组成模块及其相互设置方式进行重新设计、尤其是针对不同类金属成分的回收路径进行了研究，相应与现有设备相比显著减少了所需能耗，同时有效避免了化石燃料燃烧产生的温室气体和其他污染物，并且具备操控方便、回收效率高等特点。
相应地，按照本发明，提供了一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统，该系统包括预热单元、太阳能聚焦单元、固废还原单元、飞溅冷凝单元和冷却单元，其特征在于：
所述预热单元用于导入待回收的危险固体废弃物，这些危险固体废弃物在此处与焦炭按照一定比例混合并掺入玻璃化剂，接着进行预热处理至500K～700K的第一温度范围，然后继续输送至所述固废还原单元；
所述固废还原单元设置在所述太阳能聚焦单元的附近侧，用于将该太阳能聚焦单元所二次汇集的太阳能予以吸收，然后在1400K～1600K的第二温度范围内使得危险固体废弃物及其混合物发生碳热还原反应，由此生成其中包含有金属Zn的气态产物、以及其中包含其他金属和非金属成分的凝聚态产物；
所述飞溅冷凝单元与所述固废还原单元的第一出口端可控相连通，其用于接收所述气态产物，并经过冷凝处理回收其中的金属Zn，其余气体则返回至所述预热单元，并经洗涤净化处理以收集燃气；
所述冷却单元与所述固废还原单元的第二出口端可控相连通，其用于接收所述凝聚态产物，并经过冷却处理回收其中的被还原成单质的其他金属和非金属成分。
作为进一步优选地，所述危险固体废弃物优选包括下列物质中的一种或组合：电弧炉粉尘、汽车粉碎残渣、废旧锌锰电池和镀锌废料等。
作为进一步优选地，所述险固体废弃物与焦炭优选按照5:1～20:1的质量比进行混合。
作为进一步优选地，所述玻璃化剂优选为SiO2。
作为进一步优选地，所述太阳能聚焦单元优选包括定日镜场，并配套有双曲面反射镜，保证反应器内部温度恒定保持在1500K左右。
作为进一步优选地，所述固废还原单元优选包括吸收腔，该吸收腔的内部设置有热交换材料且用于吸收来自所述定日镜场的太阳能。
作为进一步优选地，所述吸收腔优选呈现外腔包裹着内腔的结构形式，并且采用石墨材质来制成。
作为进一步优选地，所述固废还原单元中产生的高温气态产物的温度为1300-1400K，其首先进入所述飞溅冷凝单元以分离其中的金属，获得高纯度的Zn；剩余气体温度为1100-1200K，进入所述预热单元加热原料；最后进入所述净化单元，获得纯净的燃气。而且净化单元的气体出口优选布置引风机，保证整套系统中气体环境处于负压状态，以免有毒气体扩散。
作为进一步优选地，所述冷却单元被设置位于所述固废还原单元的正下方，反应的凝聚态产物直接落入其中；以此方式，防止其中的金属再次氧化。凝聚态产物含有多种金属单质，如Fe、Pb、Cu等，可以直接用于高炉的炼铁生产或作为燃料电池的燃料。
作为进一步优选地，上述系统优选还包括控制终端，该控制终端与所述预热单元、太阳能聚焦单元、固废还原单元、飞溅冷凝单元和冷却单元分别信号相连，并采集这些部件的实际工作参数进行实时监控管理。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有的各类设备相比，在引入太阳能聚焦单元与固废还原单元有机相结合的思路基础上，还进一步对其关键组成模块及其相互设置方式、以及各类物质的回收路径等方面进行了重新设计，较多的实际测试表明，其不仅显著减少了化石能源的消耗，降低了其他污染物的排放，而且还有效提高了所生成的燃气品质，同时方便快捷地直接回收了各类金属及其他材料，因而尤其适用于各类清洁安全来回收利用危险固体废弃物的应用场合。
附图说明
图1是按本发明所构建的聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统的整体构造示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-定日镜场2-双曲面反射镜3-固废还原单元4-预热单元5-飞溅冷凝单元6-净化单元7-冷却单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按本发明所构建的聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统的整体构造示意图。如图1所示，该系统主要包括预热单元、太阳能聚焦单元、固废还原单元、飞溅冷凝单元和冷却单元，下面将对其逐一进行具体解释说明。
如图1示范性所示，预热单元4用于导入待回收的危险固体废弃物(图中用a表示)，这些危险固体废弃物在此处与焦炭按照一定比例混合并掺入玻璃化剂，接着进行预热处理至500K～700K的第一温度范围，然后继续输送至固废还原单元3。
固废还原单元3可以采取各种适当的形式，在本发明中优选设置为一个内部具备吸收腔的结构，譬如内部设置有泡沫陶瓷之类的热交换材料以用于吸收来自定日镜场1的太阳能，然后在1400K～1600K的第二温度范围内使得危险固体废弃物及其混合物发生碳热还原反应，由此生成其中包含有金属Zn的气态产物、以及其中包含其他金属和非金属成分的凝聚态产物。
此外，飞溅冷凝单元5与所述固废还原单元3的第一出口端可控相连通，其用于接收所述气态产物，并经过冷凝处理回收其中的金属Zn(图中用b来表示)，其余气体则返回至所述预热单元4，并经洗涤净化处理以收集燃气(此处可采用净化单元6，燃气用d来表示)。
另一方面，冷却单元7与所述固废还原单元3的第二出口端可控相连通，其用于接收所述凝聚态产物，并经过冷却单元7的冷却处理回收其中的其他金属和非金属成分(图中采用c来表示)。在上述方案中，凝聚态产物直接落入冷却装置中快速冷却，防止其中的金属再次氧化，凝聚态产物可直接利用。
此外，按照本发明的一个优选实施方式，所述的固废还原单元优选是一种双腔式太阳能反应器，二次聚焦的高温太阳能将石墨内腔加热至1500-1600K，外腔包裹着内腔，保证外腔中的反应物能够充分加热发生还原反应。
按照本发明的另一优选实施方式，所述的定日镜场1用于收集太阳能并反射至双曲面反射镜2以获得聚焦太阳能，聚焦太阳能再由双曲面反射镜2反射至太阳能反应器3顶部的复合抛物面聚光器(CPC)进一步增加入射能量强度，最后穿透石英玻璃窗进入太阳能反应器3的石墨内腔，用以提供碳热还原反应所需的高温环境。
为了更详细的说明本发明方法，下面结合具体的实施例进一步说明。
实施例1
选取电弧炉粉尘(EAFD)作为要回收的危险固体废弃物。将EAFD与焦炭按质量比5:1混合，掺入玻璃化剂SiO2，预热器可将原料加热至500-600K，进入太阳能反应器后，吸收二次聚焦的高温太阳能在1400-1500K发生碳热还原反应。反应的气态产物主要是Zn和CO，还有少量的Pb与Cl等，经过飞溅冷凝器回收的Zn纯度在95％以上，最后经过净化可以得到纯净的燃气，主要成分是CO。反应的凝聚态产物主要包含Fe、Pb等金属，直接落入冷却装置中冷却至常温，可直接回收利用。
实施例2
选取汽车粉碎机残渣(ASR)作为要回收的危险固体废弃物。ASR含有约38％的C，只需添加少量焦炭并掺入玻璃化剂SiO2。预热器可将原料加热至500-600K，进入太阳能反应器后，吸收二次聚焦的高温太阳能在1400-1500K发生碳热还原反应。反应的气态产物主要是H2和CO，还有少量的Zn等，经过飞溅冷凝器可以回收Zn。最后经过净化可以得到纯净的燃气，主要成分是H2和CO。反应的凝聚态产物主要包含Fe、Pb、Cu等金属，直接落入冷却装置中冷却至常温，可直接回收利用。
综上，本发明通过将太阳能聚焦单元与固废还原单元有机相结合并且对其联合工作的方式特别是不同类型的产物回收路径进行研究和设计，较多的实际测试表明，能够高效利用聚焦太阳能代替传统燃料对工业危废进行回收利用，可以提供温度超过1500K的清洁热能，减少了大量能耗，同时避免了化石燃料燃烧产生的温室气体和其他污染物。此外，其不仅能够反应生成高品质的合成气与无毒无害的玻璃化炉渣，而且能够在大大降低运行电耗的同时显著提高整体的能量效率，因而尤其适用于各类对生产质量及效率存在更高要求的危险固废还原应用场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统，该系统包括预热单元、太阳能聚焦单元、固废还原单元、飞溅冷凝单元和冷却单元，其特征在于：
所述预热单元(4)用于导入待回收的危险固体废弃物，这些危险固体废弃物在此处与焦炭按照一定比例混合并掺入玻璃化剂，接着进行预热处理至500K～700K的第一温度范围，然后继续输送至所述固废还原单元(3)；
所述固废还原单元(3)设置在所述太阳能聚焦单元的附近侧，用于将该太阳能聚焦单元所二次汇集的太阳能予以吸收，然后在1400K～1600K的第二温度范围内使得危险固体废弃物及其混合物发生碳热还原反应，由此生成其中包含有金属Zn的气态产物、以及其中包含其他金属和非金属成分的凝聚态产物；
所述飞溅冷凝单元(5)与所述固废还原单元(3)的第一出口端可控相连通，其用于接收所述气态产物，并经过冷凝处理回收其中的金属Zn，其余气体则返回至所述预热单元(4)，并经洗涤净化处理以收集燃气；
所述冷却单元(7)与所述固废还原单元(3)的第二出口端可控相连通，其用于接收所述凝聚态产物，并经过冷却处理回收其中的被还原成单质的其他金属和非金属成分。
2.如权利要求1所述的一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统，其特征在于，所述危险固体废弃物优选包括下列物质中的一种或组合：电弧炉粉尘、汽车粉碎残渣、废旧锌锰电池和镀锌废料等。
3.如权利要求1或2所述的一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统，其特征在于，所述险固体废弃物与焦炭优选按照5:1～20:1的质量比进行混合。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统，其特征在于，所述太阳能聚焦单元优选包括定日镜场，并配套有双曲面反射镜，保证反应器内部温度恒定保持在1500K左右。
5.如权利要求4所述的一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统，其特征在于，所述固废还原单元优选包括吸收腔，该吸收腔的内部设置有热交换材料且用于吸收来自所述定日镜场的太阳能。
6.如权利要求5所述的一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统，其特征在于，所述吸收腔优选呈现外腔包裹着内腔的结构形式，并且采用石墨材质来制成。
7.如权利要求1-6任意一项所述的一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统，其特征在于，所述固废还原单元中产生的高温气态产物的温度为1300-1400K，其首先进入所述飞溅冷凝单元以分离其中的金属，获得高纯度的Zn；剩余气体温度为1100-1200K，进入所述预热单元加热原料；最后进入所述净化单元，获得纯净的燃气。而且净化单元的气体出口优选布置引风机，保证整套系统中气体环境处于负压状态，以免有毒气体扩散。
8.如权利要求1-7任意一项所述的一种聚焦太阳能高温回收危险固体废弃物的系统，其特征在于，所述冷却单元被设置位于所述固废还原单元的正下方，反应的凝聚态产物直接落入其中。
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