清华教授:我们的垃圾焚烧技术,完胜日本人
2020-11-22 09:40

清华教授:我们的垃圾焚烧技术,完胜日本人

本文来自微信公众号:CC讲坛(ID:ccjt2014),原文标题:《张衍国:让工业化插上生态文明的翅膀》,主讲人:张衍国(清华大学能源与动力工程系教授),题图来自视觉中国



基于对未来文明的思考,三十年深耕“废物”,他将创新的垃圾焚烧技术与生态肥料制备技术跨界结合,实现超低的污染物排放,超宽的处理范围,以废治废,增质提效,为实现生态文明3.0版的工业时代有机循环,脚踏实地做实事。


大家现在经济发展了,物质也丰富了,天没那么蓝了,水也没那么清了,废物却越来越多。



我们吃的东西没有小时候那么好的味道,有时候我们还会担心吃的东西里,是不是有对我们身体不好的,那么这些就是我们需要面对的废物处理的问题,在这个废物处理的领域里头,核心的一个问题就是说怎么样实现废物的循环利用,能够把工业化生存产生的各种各样不好的东西转化成无害的,而且是有用的东西,然后把这些形成一个良好的循环,让生态始终维持一个好的状态来让我们的绿水青山始终保持本色。



我当时选择这个方向的时候,实际上还有点意思,因为我来自广东的农村,小时候真的就在绿水青山里头长大,对生态的感受很深,来到了北京在清华上完学留校以后,当时选择专业方向还真有一点困扰,但心里头有一种自己的情怀,我学的是能源与动力工程,但是我后来在做废物处理,其实已经有一点跨行了,当时我那导师他是科学院的院士,也是我们学科的创始人。


当时就跟我讲,他说,你小伙子想做这个事可以,但是要准备坐十年的冷板凳,当时我印象很深,为什么要坐十年的冷板凳呢?这个东西很复杂不那么好搞,我当时印象特别深的是什么,就是我们那个垃圾池臭的简直是没办法, 感受极深!我们去欧洲看人家垃圾场,垃圾的品质跟我们完全不一样,这也就决定了我们的装置简单的从发达国家拿一个成熟的技术,放在我们国家解决不了这个问题。


我们当时系里头有煤燃烧的国家重点实验室,有煤燃烧的国家工程中心,应该讲在国际上做煤燃烧我们都有一席之地,我那时候有些同事也跟我说,你小子干什么不好,非要跑去烧垃圾,垃圾有什么好烧的,不就是比煤热值低一点吗?做了一下之后才知道不是那么回事,我们的这个煤跟垃圾相比是很简单的东西了,垃圾的成分是你想象不到有多少,去了垃圾场你才会知道。



我这一辈子跑了几百个垃圾场,国内国外的我们都跑过很多,那是真的超乎人的想象,那么它的问题的复杂性恰恰就来源于这东西品种非常多,而且是变动的。


这就是因为我们的生产、生活、消费各种东西,它会产生无数种、无数类别的,是动态变化的成分的东西,煤相对固定。而且我们从领域上来讲,做能源的人是什么,我设计什么东西你就给我什么我来用。


用完以后我追求更高的效率,更清洁的排放,但是废物它不是这样,给你什么你就得处理什么,所以这个难度非常大,这个就是超过我们原来这些在学校里做研究的人的想象,所以绝对不是一个简单的问题,实际上非常复杂。


这个里头怎么样才能把它给你什么就得处理什么,同时又得把排放做得很好,成本还不能太高了,就是又想马儿跑,又想要马儿少吃草,其实是很有点挑战性,所以当时在面对这些问题的时候,一直在问自己的一个问题,能不能搞一个炉子,把什么东西都搁在一起处理干净,而不是说我拿一类东西,比如说生活垃圾搞一个炉子烧一烧,市政里头的污泥搞一个,工业垃圾再搞一个,不行餐厨再来一个,能不能搞一个东西都把它处理干净,这样就能够很大程度上解决。


燃料的适应性强了以后经济性就好了,当然垃圾始终是要求排放要特别好。就是说都能烧,还要烧得特别干净。所以在这我们经过二、三十年的研究开发,逐步逐步的完善找到了一个窍门,因为我这个人思维比较发散,经常是反着想,比如说我们以前烧垃圾的炉排炉,它是这么一个燃烧过程,循环流化床又是那么一个燃烧过程,那我这能不能反过来?你想把很多东西搁在一个炉子里,就不能按照一个常规的方式,说一对一 、二对二去是解决不了这个问题。


所以我当时就想,我们原来循环流化床烧垃圾的时候,都要求是温度均匀稳定,但是很多东西矛盾就来了,你烧这一种东西,烧塑料的时候均匀稳定可以,但是你要烧树头、树皮、锯末、树枝这些东西可能就不一定行了,再给你一块废轮胎可能就更不行了。好。我们把这些东西搁到一起看看能不能把它处理好,我就构思了一个特殊的东西。



我把这里头各种各样的炉子的特征给它抽出来,抽完了以后,我能不能把两三个炉子合到一个炉子里头去,所以我们就搞了一个叫湍动流化床气化焚烧的技术,这湍动化以后,就把你原来各种各样的废料,反应速度快慢都不一样的,我都把它搞成反应速度都一样的东西,然后产生一些中间产物,就是可燃的气体,这个气体再通过一个高温的燃烧,高到多少呢,1000℃、 1100℃、 1200℃。我们这个国家的标准是850℃,欧盟、日本、美国的标准是850℃或者950℃,我们可以给它烧到1000℃ 、1200℃,烧了很高温度以后它就烧得很彻底。



再一个就是垃圾里头有一些低熔点的东西,比如说钠、钾,这些碱金属很容易熔,那得温度做得很低,所以这样我们在整个里头做了一个很不均匀的这么一个东西,是反过来的,这一下子就解决了我们刚才讲的这些需求里头最关键的问题,就说你按照我设定的这个曲线,就能够把所有的垃圾都搁在一个炉子里,同时全部都给它处理掉,终于我们做成了一台250吨的炉子,这个炉子运转下来出乎我们的预料。



运转完了以后,日本人还有一点不太服气,组了一个二十几个人的团,去观摩我们这个技术到底是不是吹牛的,能不能做到。我们技术上完胜!


我们拿下了这个项目,我们做到了几个第一,一个就是说我们在这个里头,所有的东西加进去以后,能够非常连续稳定的温度变动方向很小的,尽管它不均匀,但是该高的高、该低的低,这是日本人原来最不服气的地方,说这不可能,一个炉子一定不会是这样,它总是波动的,在我们这就很稳定。


第二个,我们温度能烧到1100℃,所以我们在这烧垃圾里头,对于二恶英大家特别敏感,这个二恶英是什么东西呢,就是在地球上已知的最毒的物质,它的毒性是我们氰化钾的1000倍,所以大家觉得这东西太可怕了,在这里头我们国家早期标准,二恶英的排放是1.0纳克每标准立方,欧盟、日本和我们2014年开始执行的国标是0.1纳克每标准立方,我们现在能做到多少呢?0.01纳克每标准立方。



所以我们尽管是一个很土的行业,这个东西很难搞,但是我们在这里头已经站在最前沿,来处理这些东西,所以我们这些成果在国际期刊上发表,国际会议上发表了以后,我跟我的博士生得了奖。这时还不知道为什么人家发了邮件来,我还把它直接给丢到垃圾邮箱里头去了,一直等到我们同行的几个大学的教授给我打电话,你真得了奖了。我说那不是骗人的吗,对方说不是。因为它不是自己申请,就说明国际同行对我们是非常认可的。



我们把垃圾烧好了,我们的绿水青山实际上还有另外一个问题,我们有1000多个县,每个县里头还有很多的农村和乡镇的人口,我们有6亿人,每年在这些县里头还有一吨左右的垃圾,还有几亿吨以上的养殖的粪物,咱们现在吃肉很随便了,就跟以前的地主老财一样是吧,想吃什么肉就有什么肉,但这个背后是什么呢,会有大量的养殖粪物的排放,而且这些东西里头它不光是量很大,成分也跟传统的咱们家庭养的东西不一样,所以这会带来一些新的挑战,绿水青山一定不能落了这一块。



所以我们在这个里头做的时候,县域里头、乡村、县城该有的品种跟大城市都一样,能烧的东西我们就用前面刚才讲的焚烧炉,好,我们有一个最好的焚烧炉可以解决这个问题,而且我们这个炉子应该讲是功能比较完整的,就是说它是不光什么都能烧排放好,还可大可小,小到50吨,大到500吨甚至1000吨一台炉。


剩下来的问题就是刚才讲的我们有这么多的养殖场,另外一个就是大量的秸秆,包括林业废弃物,还有农业生产里头带来的东西,我们这些东西带来的影响,不光是污染环境,而且我们直接种菜、直接拿来堆肥,做别的东西都会带来一些实际的障碍,比如说这里边的病毒怎么办,能不能控制住,能不能把它灭掉,包括我们养殖里头有很多抗生素,还有激素类的东西,怎么能把它消灭掉,然后不要再进入食物链,能够把比较干净可靠的肥料再来去循环。


所以这就是我们需要解决的新的一个问题,在这里头我也是跨了另外一个界,这个就是一不小心从能源跑到环境,又从环境跑到了农业,我给我的学生上课的时候,我问了他们两个问题,上的是热能工程,教学生怎么设计发电厂,我说我给你一块肉,你吃到肚子里跟这块肉丢到炉子里放出的能量是不是一样,这个学生就想是不是一样,有的说一样,有的说不一样,然后我说在这里头我们用的热的东西,我还可以拿来做肥料,这个想法完全不搭界。


你想你搞发电的跟肥料有什么关系,我就给他讲了我的一个基本的设想,因为我是做什么的,我做超临界水解 温度压力非常高的情况下,在水的临界点以上,这个物质会有很奇特的一些性质,但是我们拿来处理这些粪污,想办法把它变成肥料的话,还得做得便宜一点,还不能够成本太高了。



所以我们就给它降温降压,在十几公斤的压力下,在200℃的时候,这用纯的、热的不添加任何其他的化学物质的情况下,能够把肥料做得非常漂亮,这个跨界的好处就是什么呢,它把刚才讲的这些原来我们做热能燃烧的人的长处和一些需求结合起来了,这样就真正的解决了问题。比如刚才说的抗生素的问题,抗生素78℃到80℃它就分解了,在我这200℃的时候,它扛不过一秒钟就没了。


活体,不管你是什么病毒,病害还有其它的一些虫卵什么东西,在200℃ 、十几个大气压下,也就是在零点几秒全部都没有了。



好,这样以后就彻底分解。再一个这个技术好在哪?还可以把我们的这个木质素、纤维素、果胶、淀粉类的东西都充分的小分子化,这样出来的肥料一次就是稳定的,它不需要再去堆,所以我们这个技术我们就号称不用发酵。一旦不用发酵制这个肥料它速度非常快,快到什么程度呢,我们从原料、拉粪的车、拉秸秆的车进厂卸料开始,三到四个小时以后你就把肥料直接拉走了。



这个时候完全是工业化的思路,颠覆了我们传统的堆肥三天、五天,十五天甚至六、七十天的这种厌氧的情况,这些都不需要,这些方法处理下来的肥料的质量非常的好,好在哪?不能嘴巴说,我们的种出来的菜让农民用了指标好,国标我们的有机质要求是45%,我们可以达到80%。


国标里头氮、磷、钾这种有益元素 5%,我们做到了将近10%,所以这个肥料用下去以后,我们在当地的农民种完以后,不光不怎么长虫,关键的是产量非常高、口感非常好,所以大家一吃都觉得就是小时候的菜的味道,比如种出来的西红柿、黄瓜,一吃就知道。



产量高,质量也好,而且你可以大规模的工业化的路子,很快就把你原来的粪污废料全部都处理掉,这个时候就完整的形成了刚才讲的废物处理的一整套的处理的过程,该烧的给你烧了,该处理成肥料处理成肥料了,这两个一叠加在一起,就变成以废治废。



我们这两个技术里头不需要添加别的燃料,全部都是废的垃圾、污泥、树皮、锯末、秸秆,然后那头就是粪污,或者是加上一些秸秆做出来的肥料,所以可以非常完美的解决我们现在的这些问题,在这个里头农村和县域里头废物处理,实际上除了技术问题还有一个很大的挑战,就是谁买单,谁来出钱。



那么在这个里头,以前往往就是靠收费,靠政府的财政补贴,所以为什么我们县域的污水垃圾处理,一直都是个老大难的问题,除了技术问题主要是经济上是个瓶颈,我们这个模式里头有一个独特的优势,不光是技术上以废治废,而且变废为宝,变成值钱的有机肥以后,可以反哺整个的公益体系,这样的话自己就可以跑起来,夸张一点说就是既要马儿好,现在马儿可以不吃草,我光把这废的全给你处理掉就行了。



 在我们新的条件,比如说我们现在搞垃圾分类了,对我们这个原来是什么都能烧,那分类了以后更好,该烧的可以烧,适合去做肥料全部都去做肥料,这样我们整个的技术和未来的发展一定会给我们带来一个更好的前景。


我们二三十年下来做了这两套全新的技术,有几十项的发明专利来支撑,也在国内外有应用的案例,这样我相信为我们未来的生态文明的发展,尤其是在工业化条件下,我们用生态文明的思路和理念来治理,我们就可以过上物质非常丰富,同时又享受绿水青山的生活。


本文来自微信公众号:CC讲坛(ID:ccjt2014),主讲人:张衍国(清华大学能源与动力工程系教授)

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