为了更加美好的环境—绝缘组件的回收利用

发布时间：2009-10-07 来源：ABB评论

        输配电公用设施部门产生大量的环氧树脂、有机硅和陶瓷废料，尤其在更新 老化的基础设施过程中。不久的将来，为帮助建设高能效的电网，需要采用 智能电网技术, 新设备将替换陈旧的装备，这就不可避免地加重了废弃物处 理的问题。目前，还没有成熟的技术能将寿命期满的绝缘组件再加以回收利 用。这种废物往往最终采用填埋方式处理。
        为减少 ABB 产品对环境的不良影响，满足客户日益严格 的环境法规的要求，ABB 展开了一系列产品回收利 用的可行性研究。这些研究发现绝缘零部件有 可能被回收或再利用，这为输配电产品开 创了更宽阔的可持续发展道路。
        有机硅 1) 橡胶及其它热固性材 料，因其优秀的绝缘特性和 稳定性能， 常广泛应用于电力设 备中。每年，制造商和公共设施部 门都会产生大量的绝缘部件碎片废 料。应该实施切实可行的废物管理 政策，不是填埋这些废料部件，而 是加以回收或再利用。
        生命周期研究表明，回收利用 和通过焚烧回收能量是处理聚 合物废料的最有效方法。
        最新评估显示，西欧每年塑料制品 的消费量达四千万吨 [1]，其中热固 性塑料占百分之二十。这种大规模 的塑料消费不可避免地产生大量垃 圾，每年约为 2200 万吨，再利用率 不足 40 % [1]。聚合物废物可以进行 回收再利用、焚烧或填埋处理。生 命周期的多项研究结果表明，回收 利用和通过焚烧回收能量是处理这 些废物最有效的方法。应避免采用 填埋方式，因为这样无法从这些废 弃物中回收到任何物质或能量。
        如果废料“洁净”且可用，就比较 容易收集、拆解和再加工为新产品。 但如果不符合这些条件，那么可回 收能源的焚化法也许是最合适的处 理方法。聚合物废物作为燃料用于 发电或供热的优势是，大多数聚合 物具有很高的能量。但关键是要控 制焚烧条件，因为聚合物通常含有 氯、氟、溴、硫或其它添加剂，燃 烧过程中可能会排放出有害物质， 因此焚烧炉要配有高效空气污染控 制装置。对包含有害有机添加剂的 聚合物废物的处理首先是精心地控 制焚烧过程，保证这些化合物的销 毁和消散。决定一个产品或产品零 件是应该进行回收利用还是进行焚 烧非常复杂，应该区别情况处理。
        欧洲废物管理指令通过限制填 埋的方法，鼓励提高回收和再 利用的比例。
        在电力行业，很多产品都含有在热 固性塑料中嵌入金属的部件，这些 可用环氧树脂或硅胶包裹 (见图 1 )。 目前正在通过实验对聚合物绝缘体 内的有价值部分进行回收利用的可 行性研究。

        整个欧洲的废物管理指令通过限制 填埋的方法，来鼓励提高回收和再 利用的比例。最近提出的限制条款 包括：
        奥地利：限制填埋附加条款 (2004 年)
        丹麦：对适合焚烧的可燃废物禁止 填埋的条令 (1997 年)
        法国：对非残余废物禁止填埋的条 令 (2002 年)
        德国：对未处理的废物禁止填埋的 条令 (1993 年) 以及对可燃废物禁止 填埋的条令 (2001 年)
        荷兰：对所有可重复使用或收回的 废料禁止填埋的条令 (1995 年)
        瑞典：对未处理的城市固体废物禁 止填埋的条令 (1996 年)，对可燃废 弃物禁止填埋的条令 (2002 年)，以 及对有机废物禁止填埋的条令 (2005 年)
        类似的新指令，例如欧洲 议会和欧盟理事会 2003 年 1 月 27 日发布的 2002/96/EC 号关于报废电子电气设备指 令 (WEEE) 规定，应该对所 有“电子电气设备”(EEE)2) 进行回收，并禁止将这些电 子废弃物进行填埋处理 [2]。 现在和将来对电子废弃物更 多的限制意味着高电压设备制造商 和最终用户应该了解其它相关的废 弃物管理方法。
        废弃热固性塑料的处置方法
        固化热固性塑料不属于危险废物， 可以采取填埋方式处理。事实 上，90 % 以上的此类废物都采用这 种方式处理 [1]。但随着废弃材料大 量增加，加之处理这些废物的空间 有限，因此需要采用更先进、可持 续的技术再利用这些材料。 为了避免采用填埋方式，建议采取以 下几种新方法再利用热固性废料：
        作为建筑材料再利用
        机械再生
        回收能源
        降解
        重新利用环氧树脂固体废弃物的一 种简便方法，就是将其添加到混凝 土或沥青等施工材料中。但对于施 工所需的材料来说，这些废料量太 小，而且分散在广阔的区域，因此 再利用这些废料作为建筑材料从经 济效益上来说吸引力不大。此外， 环氧树脂材料广泛应用于电气设备 绝缘，这就意味着在重复利用之前 必须要清除内部的各种金属零部件 (铁芯，绕组)。有些公司采用低温处 理含金属嵌件的环氧零件，进行分 离和再利用，但所回收得到的材料 质量低劣。
        回收橡胶材料， 包括液态硅橡 胶 (LSR)，目前为止仅限于机械分离 法，如碾磨。橡胶属于高弹性、交 联 (硫化) 高分子材料，因此不能被熔化或处理。这一特点限制 了其在沥青和运动场材料生 产的再利用。但新的橡胶解 交联法目前正在研究中，如 果成功，将大大扩大再生橡 胶材料的使用范围。
        热固性塑料的能量回收是另 一个具有吸引力的再利用方 法。一般来说，热固性塑料的能量 高——其所含热值的低限 (LHVs) 根 据填料量的不同可以在 10 MJ/kg 到 20 MJ/kg 不等——作为取暖和发电 的燃料极具吸引力。但是，热固性 塑料燃烧时会产生大量因填料生成 的无机废弃物。这就需要采取最经 济的方式对其进行处理，同时确保 对环境的影响降到最低。从积极的 方面来看，燃烧热固性塑料所造成 的空气污染比较安全，如果对燃烧 过程精心控制，就不会产生有害物 质 [3]。
        通过光降解、化学降解或生物降解 可降低塑料的分子量，这同样是对 热固性聚合物进行回收再利用的一 个颇具吸引力的方法。热裂解是一 种特殊形式的化学降解，人们对其有特别的兴趣，兼具环保 和经济两方面的效益，而 且无需在回收材料和能量 之前分离成分。
        重新利用环氧树脂固 体废弃物的一种简便 方法，就是将其添加 到混凝土或沥青等施 工材料中。
        ABB 研究的解决方案
        ABB 正在研究几种针对绝缘零部件 回收再利用的方案。
        热裂解
        热裂解是热固性塑料再利用的一个 有吸引力的方法。在无氧环境进行 热降解，会产生三类不同的物质 (见 图 2 )：

        在实验室的试验中，研发了一种主 要由电热器和热电偶构成的裂解反 应器 (见图 3 )，旨在反应器内大范 围地调节温度。

        对热固性塑料进行热降解过程中所 产生的气体，在进入燃烧室燃烧之 前必须先进行净化。依次通过除雾 器 3) 和旋液分离器 4) 来对其净化，使 气体中的杂质凝结生成液体物质达 到分离净化的效果。
        热裂解可用于热降解树脂废弃 物，由此产生的油料和气体可 作为燃料使用，对金属部件可 以进行回收再利用。
        在实验室里，根据加工废弃物量和 热裂解所采用的温度不同，对环氧 树脂废料的热降解大约需要 3 到 5 个 小时。低温热裂解的温度条件是 450 °C，而高温裂解过程则在 750 °C 或 850 °C 的条件下进行。
        截至目前，已试验了三套方 案。适当分解有机材料是优 化的方向 (目标是把固体残 留物的碳含量降到最低)，同 时回收可再利用的高质量金 属部件 (见图 4 )。

        结果表明，热裂解可用于热 降解树脂废弃物，并可对金 属部件进行回收利用。热裂 解过程中产生的气体和油料 可以作为燃料使用，以便对废弃产 品中的能源进行回收。
        新的尝试——用于水泥生产工艺 利用环氧树脂废弃物的一种方法 就是将其作为水泥工业中加热窑 炉的燃料。由于所含能量相对较 高，因而可作为熟料烧结过程中的 辅料。此外，无机填料 (多数成份 为 SiO2 或 Al2O3) 可作为熟料一部 分。把环氧固化粉末喷射到 (最好与 粉煤灰混合) 水泥回转窑的火焰中 (见图 5 )，在水泥窑正常运行的情况 下，会产生有害的氮氧化物。这些都源于燃料中氮化合物氧化 (燃料中 的氮氧化物) 和空气中氮的热固定 (热氮氧化物)。通过把环氧固化粉 末加入到燃料中，有可能减少氮氧 化物。使用的燃料类型和燃烧温度 (当温度超过 1,400 °C 时，生成的氮 氧化物明显增加)，将影响产生的氮 氧化物的数量和类型。在水泥生产 过程中，水泥窑的燃烧区和预分解 仓的燃烧区的温度高达 1,500 °C， 这样的温度促进了氮氧化物的生 成。引入的环氧固化粉末所具有的 催化作用，可促使氮氧化物还原为零 价氮。氮氧化物是水泥窑中产生的最 有害的成分，给水泥生产商带来重大 的环境问题。采用湿法生产技术 5)， 氮氧化物的排放量每吨熟料可超 过 4 公斤 [4]。

        利用环氧树脂废料来减少氮氧化物 排放的计划还没有得到验证，但一 些实验室对废弃陶瓷绝缘体的处置 试验已经表明，可以采用类似的方 法来减少氮氧化物的排放 [5]。实验 室试验结果表明，柴油与经过研磨 的废旧陶瓷绝缘体粉末进行混合， 在燃烧器中燃烧时可以减少氮氧化 物的排放量。
        加入陶瓷粉末可大大减少柴油 和天然气燃烧过程中产生的 氮氧化物。
        为了在实验中增加氮氧化物的产 生，单位体积柴油中，吡啶 C5H5N 含量增加 10 % 重量，这就使烟道 中的可燃气氮氧化物的浓度超过 2,000 mg/m3。这种浓度更容易使 人们发现在柴油中添加陶瓷粉末对 产生氮氧化物的浓度的影响。为了 确定热氮氧化物对流程的影响，可 以再通过其它的测试，即使用相同 的实验室设备，但不用柴油，而改 用天然气作为燃料来进行试验。在 这种情况下，撤除石油燃烧器，安 装带有粉末注射系统的天然气燃烧 器 (6 千瓦热容量) (见图 6 )。所有氮 氧化物的浓度都按照 3 % 的氧气含量 进行重新计算，以便对比带有或不 带有粉末喷射的燃烧试验的结果。 结果表明，加入陶瓷粉末可大大减 少两种燃料燃烧过程中产生的氮氧 化物。氮氧化物浓度的减少幅度如 图 7 显示，图 7a 中氮氧化物的浓度 比图 7b 中氮氧化物的浓度高一个数 量级。除了热氮氧化物，前者还包 括由于增加吡啶所产生的燃料氮氧 化物。有趣的是，图 8a 中氮氧化物 浓度的减少幅度与燃烧器的远近有 关，越远程度越高，图 8b 中的趋势 正好相反。这是两种燃料不同温度 分布概况以及燃烧室火焰区氮氧化 物形成的不同机制所造成。不论这 些趋势如何，图 7 和图 8 都表明在 柴油和天然气中增加陶瓷粉末都可 以帮助减少燃烧过程中氮氧化物的 排放量。
        氮氧化物排放的减少可以用陶瓷粉 末成分所产生的催化作用来解释(见图 8 )。这可能和 DeSoete [6] 的观 察结果相同，他指出，附在煤胞6) 和 空石英反应器壁上的还原剂 (如一氧 化碳) 可以消除氮氧化物。DeSoete 提出一些反应动力模型，用来说明 在飞灰、气态煤灰、和煤胞烟炱上 的 NO 和 HCN 的消除过程。在所有 情况下，氮的成分都被有效消除。 在陶瓷绝缘物体中发现的成分与煤 灰中发现的成分相类似，这表明与 使用陶瓷粉末促进氮氧化物减少的 机制类似。但目前，尚不了解金属 氧化物浓度对陶瓷粉表面氮氧化物 和一氧化碳减少的反应动力学。含 有矿物填料的环氧树脂粉末对氮氧 化物排放减少也应该有类似的良好 影响。值得注意的是，常用于环氧 树脂混合物染料的氧化铁 (Fe2O3)， 是一种有强大催化作用的物质。 ABB 已经确定了对绝缘组件进 行回收和再利用的一些方法。

        废旧避雷器
        最近，硅橡胶避雷器已经广泛应用 于一系列的中高压系统。聚合物避 雷器包括带有金属法兰的聚合物外 套和由铝、钢或铜制成的端子 (金属 氧化物变阻器 7) 是避雷器最重要的 部件)。
        ABB 旨在为输配电产品开创更 广阔的可持续发展道路。
        金属氧化物变阻器烧结 8) 制成，主 要成分包括氧化锌 (90 %) 和其它氧 化物 (主要是重金属)。由于硅橡胶 这类的材料还比较新，所以还没有 可商业化的有效回收废旧避雷器的 方法。
        ABB 拥有专利技术，可重新利 用热固性零部件。
        对 LSR 绝缘件回收利用的各种可能 方式进行了调查研究。分解硅橡胶 材料的方法有限。最常见的处理方 法是燃烧 (焚烧)。但硅橡胶的燃烧 温度一般要超过 900°C，可能导致 重金属的排放。硅橡胶本身有较高 的燃烧热值 (17,000 千焦耳/千克)， 与无烟煤的热值 (从 25,000 到 30,000 千焦耳/千克) 相差不大。
        考虑到回收利用的所有规范，实验 室测试采用热裂解过程对硅橡胶进 行热降解。同样的实验装置也用于 环氧树脂废物处理。测试在不同的 温度下进行，以便优化工艺参数， 使内部零件 (主要是氧化锌变阻器和 其它金属部件) 可以被良好的循环再 利用 (见图 9 )。在未优化情况下， 一些零部件会被烧毁，无法再回收 使用 (见图 10 )。在这一阶段，尚未 调研回收变阻器的电气性能及其再 利用的可能性。

        远景展望
        ABB 在实验室所做的试验研究证 明，现有技术可对不同类型热固性 零部件进行再利用 (回收)。ABB 已 获得这项技术专利，也为其商业化 提供了机会。但要取得成功，需要 废物处置机构在地方政府的大力支 持下，起草出台一项有效收集废旧 部件的适当政策。最终减少填埋的 热固性废物数量，提高制造商对有 价值部件回收再利用的比例。