陸華，陳紀(jì)賽，王振剛，楊學(xué)賓

(1.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006；2.南京中船綠洲環(huán)保有限公司，南京 210039；3.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

修船表面處理通常需要除去船體涂裝表面附著的銹蝕、舊漆膜、灰塵、油污等各種異物，表面達(dá)到一定的清潔度，增加其與新油漆涂膜的附著力。船體表面工程除銹和除漆會(huì)產(chǎn)生鐵銹、漆渣，表面噴涂會(huì)產(chǎn)生漆霧和可揮發(fā)性有機(jī)廢氣。采用超高壓純水射流[1]進(jìn)行修船表面清理時(shí)，還會(huì)伴隨有海洋微生物等雜質(zhì)。超高壓水表面處理可采用旋轉(zhuǎn)式、多噴嘴、吸盤式設(shè)計(jì)。超高壓純水射流除銹普遍采用250 MPa、250 kW的超高壓大功率機(jī)組。超高壓水表面清理技術(shù)用于舷側(cè)鋼板清理時(shí)，表面清潔度可達(dá)Sa21/2級(jí)，處理效率≥28.3 m2/h,裝置粉塵排放值為0.15 mg/m3，污水懸浮物檢測(cè)值為1 970～2 100 mg/L[2]。

含有涂料的廢渣作為危險(xiǎn)廢物，成分復(fù)雜，以及處理難度大，目前主要的處理方法有：回收再利用、焚燒法、熱解法、填埋法等[3]。由于品質(zhì)降低，回收再利用方法后生成的二次產(chǎn)品使用受到很多限制。焚燒法是將廢物加熱至1 100 ℃，停留時(shí)間大于2 s，廢渣中的有機(jī)物分解為CO2和H2O。熱解法[4]是將廢物加熱至700～800 ℃，有機(jī)物高溫分解并生成小分子的可燃?xì)怏w，不能分解的成為殘?jiān)峤鉁囟仍礁?，熱解氣中大分子烴的占比越小，燃燒熱值越高。填埋法是對(duì)漆渣廢物進(jìn)行簡單處理或固化后，采取一定的隔離措施埋入地下。

針對(duì)修船表面超高壓水除銹廢渣產(chǎn)生的鐵銹漆皮等危險(xiǎn)廢物，本文采用干燥脫水和干餾汽化的危險(xiǎn)廢物減量化與無害化處理技術(shù)，并分析討論了干燥脫水和干餾氣化兩個(gè)工藝環(huán)節(jié)的顯熱或潛熱加熱量理論計(jì)算。以某一實(shí)際工程為例，計(jì)算了水分的加熱量、水分蒸發(fā)的潛熱加熱量、水蒸氣顯熱加熱量和除銹廢渣的加熱量。

1 脫水處理

廢渣中的水包括游離水和吸附水[5]，游離水可以通過過濾等機(jī)械法脫除，吸附水是油漆中的有機(jī)物包裹住的水。分子水很難物理去除，一般需加熱或加入弱堿改性劑、堿溶液對(duì)漆渣脫水。

1)抽濾脫水。漆渣抽濾脫水后含水率為60%左右，壓濾脫水的含水率還可降低3～5%，通過弱堿改性劑脫水后含水率降至21%～43%[6]。

2)水熱脫水。水熱法油漆廢渣脫水的最佳反應(yīng)條件[7]：水熱溫度220 ℃、水熱時(shí)間4 h、含水率77.5%、投堿量0.17 g?？倻p量率和干重減量率分別為79.1%和52.1%，含水率為47.2%。

3)加熱干燥。廢渣被輸送至干燥筒內(nèi)，被安置在干燥筒內(nèi)的升降件帶動(dòng)，不斷地被熱風(fēng)干燥，直到廢渣被排出筒外。

2 干餾氣化

舊漆膜廢渣主要包含涂漆、面漆等，化學(xué)成分有天然樹脂、人造樹脂、合成樹脂等，基本是干性油或半干性油改性而成，包含天然樹脂、人造樹脂、合成樹脂類等芳香烴含量為60%左右，醇醚類和酯類含量20%以上，其他還有顏料等。油漆廢渣比紙張、樹葉的熱解作用容易，比煤的熱解難。隨著熱解溫度的提高，CmH的含量逐漸減少，熱解氣體質(zhì)量占到油漆廢渣質(zhì)量的39%～42%，熱解殘?jiān)嫉?8.2%～21.4%。油漆廢渣中高分子樹脂在高溫?zé)峤夂?，可分解為小分子的可燃?xì)怏w。

圖1所示為采用干餾熱解工藝的除銹廢渣無害化處理工藝流程。干餾法將無氧干餾和缺氧分解技術(shù)有機(jī)結(jié)合，對(duì)修船產(chǎn)生的危險(xiǎn)廢物進(jìn)行減量化與無害化處理，使其中有機(jī)物的減量化可達(dá)95%以上，而未被完全分解的固體物中的碳化物通過焚燒為無毒無害的灰渣。余熱回收裝置將工藝過程產(chǎn)生的余熱采用余熱回收板式換熱器，用于加熱干燥爐和干餾熱解爐，降低系統(tǒng)加熱所需的燃料或電量消耗。

圖1 采用干餾熱解工藝的除銹廢渣無害化處理工藝流程

2.1 干餾原理

廢渣在隔絕空氣條件下受熱變化，包括脫水、熱解、縮合等3個(gè)階段。

1)脫水。干餾初期溫度相對(duì)較低，一般為40～105 ℃，廢渣中的水分蒸發(fā)。

2)熱解。溫度自105 ℃繼續(xù)升高至900 ℃左右后，有機(jī)物中的大分子化合物熱解為小分子可燃?xì)怏w。

3)縮合。溫度升高過程中，油漆廢渣不斷析出水和有機(jī)物蒸氣，逐漸縮合成殘?jiān)?/p>

低溫段的熱解活化能較低，隨著溫度升高，熱解活化能增大，熱解終溫越高，廢渣熱解的失重率越高。

2.2 干餾過程

干餾熱解的主要過程如下。

1)干燥脫水。除銹廢渣被輸送至干燥筒內(nèi)，被安置在筒體內(nèi)的升降件帶動(dòng)，從底部到頂部翻轉(zhuǎn)，充分與熱風(fēng)接觸，廢渣中的水分被蒸發(fā)而實(shí)現(xiàn)脫水。沿著筒體軸心方向，廢渣被不斷干燥，一直到排出筒外。

2)干餾氣化。干餾爐采用間接供熱，有機(jī)廢氣催化燃燒后產(chǎn)生的余熱、一級(jí)側(cè)部輔助加熱器產(chǎn)生的高溫氣體，加熱可旋轉(zhuǎn)的干餾爐體。爐體內(nèi)的廢渣油漆中大分子有機(jī)化合物在低氧狀態(tài)下受的熱分解，產(chǎn)生小分子可燃?xì)怏w，經(jīng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入催化燃燒室，氧化反應(yīng)后最終生成CO2和H2O。殘?jiān)鼜臓t體末端輸出，冷卻后被收集。

2.3 主要設(shè)備

主要設(shè)備有干燥爐、干餾爐、殘?jiān)占?、操作控制系統(tǒng)。

1)干燥爐。用于除銹廢渣的干燥、脫水。主要部件：提升機(jī)構(gòu)、加熱設(shè)備、螺旋輸送機(jī)。

2)干餾爐。用于除銹廢渣中油漆成分的高溫?zé)峤?，將大分子有機(jī)化合物分解為小分子可燃?xì)怏w。主要部件：密封上料機(jī)構(gòu)、干餾反應(yīng)釜、燃燒室、灰渣收集室。

3)殘?jiān)占鳌⒏绅s爐排出的殘?jiān)鋮s后，集中收集。主要部件：螺旋出渣機(jī)，殘?jiān)占涞取?/p>

4)操作控制系統(tǒng)。主要操作控除銹廢渣干餾熱解設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)人工操作和自動(dòng)操作。主要部件：操作臺(tái)、電控柜、控制柜、監(jiān)視器、計(jì)算機(jī)、報(bào)警器等。

3 加熱量計(jì)算

干燥脫水和干餾熱解兩個(gè)工藝環(huán)節(jié)的加熱量，均包括廢渣中水分的加熱量qa、水分蒸發(fā)的潛熱加熱量qb、水蒸氣顯熱加熱量qc、除銹廢渣的加熱量qd。

3.1 計(jì)算公式

除銹廢渣中水分被加熱到出口溫度tb所需顯熱加熱量：

qa=cwmxw(tb-ta)

(1)

式中：qa為除銹廢渣中水分加熱量，kJ/h；cw為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；m為除銹廢渣總質(zhì)量，kg/h；xw為除銹廢渣中水分質(zhì)量占比，%；tb為出口處廢渣溫度，℃；ta為進(jìn)口處廢渣溫度，℃。

水分蒸發(fā)潛熱加熱量：

qb=maqr

(2)

式中：qb為水分蒸發(fā)潛熱加熱量，kJ/h；ma為水分蒸發(fā)質(zhì)量，kg/h；qr為水的汽化潛熱，kJ/kg。

水蒸氣顯熱加熱量：

qc=cvma(tc-tb)

(3)

式中：qc為水蒸氣顯熱加熱量，kJ/h；cv為水蒸氣的比熱容，kJ/(kg·℃)；ma為除銹廢渣中水分蒸發(fā)質(zhì)量，kg/h；tc為出口處水蒸氣的溫度，℃；tb為出口處廢渣溫度，℃。

除銹廢渣的加熱量：

qd=cv(m-ma)(tb-ta)

(4)

式中：qd為除銹廢渣的加熱量，kJ/h；cv為除銹廢渣的比熱容，kJ/(kg·℃)。

除銹廢渣總的干燥脫水(或干餾熱解)加熱量：

qt=qa+qb+qc+qd

(5)

式中：qt為除銹廢渣的總干燥加熱量，kJ/h。

3.2 計(jì)算案例

除銹廢渣產(chǎn)生量為300 kg/h時(shí)的加熱量計(jì)算結(jié)果見表1。設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)：除銹廢渣總質(zhì)量300 kg/h、廢渣中水分質(zhì)量占比60%、水分蒸發(fā)質(zhì)量為160 kg/h、仍含部分水分的廢渣脫水后質(zhì)量為140 kg/h；根據(jù)水、水蒸氣和廢渣的比熱容、水蒸氣的汽化潛熱等熱物性參數(shù)，設(shè)備的進(jìn)口、出口廢渣溫度、水蒸氣溫度，分別計(jì)算水分加熱量、水分蒸發(fā)潛熱加熱量、水蒸氣顯熱加熱量、除銹廢渣的加熱量，最后計(jì)算可得除銹廢渣的總干燥加熱量為425 480 kJ/h，約為118 kW。

表1 除銹廢渣總質(zhì)量為300 kg/h的加熱量計(jì)算

4 結(jié)論

針對(duì)修船表面超高壓水除銹產(chǎn)生的廢渣，采用干餾熱解技術(shù)，將廢漆中的大分子有機(jī)化合物在低氧或無氧、高溫條件下熱解成為小分子的可燃?xì)怏w，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)廢物的減量化與無害化處理。

1)除銹廢渣通過干餾熱解后剩余的殘?jiān)鼮闊o害的無機(jī)物廢渣，有物減量率可達(dá)90%以上。

2)除銹廢渣產(chǎn)生量為300 kg/h時(shí)，干燥脫水和干餾熱解2個(gè)工藝環(huán)節(jié)的理論計(jì)算加熱量約為118 kW。