等離子氣化技術(shù)處理危險廢物工程應(yīng)用

謝孟偉　曹莉萍　董　坤　陳　彤

（山東魯抗中和環(huán)?？萍加邢薰?山東濟寧 272100）

1　等離子氣化技術(shù)介紹

等離子態(tài)是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，與固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)并列，俗稱“第四態(tài)”，是由大量相互作用但仍處在非束縛狀態(tài)下的帶電離子組成的宏觀體系。和物質(zhì)的另外三態(tài)相比，等離子體可以存在的參數(shù)范圍異常的寬廣，由于等離子體中含有離子、電子、激發(fā)態(tài)原子、分子、自由基等極活潑的化學(xué)反應(yīng)物種，使它的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)與固、液、氣三態(tài)有本質(zhì)的區(qū)別，特別突出的一點是等離子體化學(xué)反應(yīng)的能量水平高。

等離子氣化爐中的等離子火炬采用電壓為380V交流電產(chǎn)生等離子體。等離子體是氣體與電弧接觸而產(chǎn)生的一種高溫、離子化和傳導(dǎo)性的氣體狀態(tài)。由于電離氣體的導(dǎo)電性，使電弧能量迅速轉(zhuǎn)移并變成氣體的熱能，形成一種高溫氣體射流（溫度達(dá) 4000-7000℃以上）和高強度熱源。

等離子體處理危險廢物是采用等離子火炬或火爐將廢物加熱至超高溫，此時基本粒子的活動能量遠(yuǎn)大于任何分子間化學(xué)鍵的作用，物質(zhì)的微觀運動以原子熱運動為主，原有的物質(zhì)被打碎為原子物質(zhì)，以破壞有害成分或使其喪失活力，從而將復(fù)雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為簡單的無害物質(zhì)。因此等離子體處理法是一個廢料分解和再重組過程，它可將有毒有害的有機、無機廢物轉(zhuǎn)成無害甚至有價值的產(chǎn)品，減容率可達(dá)95%以上，高于傳統(tǒng)焚燒爐[1]。

2　等離子技術(shù)的優(yōu)勢

采用傳統(tǒng)焚燒法處置工業(yè)廢物確實可使廢物得到減量化，但焚燒過程產(chǎn)生的二噁英一直是備受關(guān)注的焦點，由于熱等離子體的高能量密度和高溫使得廢物反應(yīng)速度很快，不依賴于自由基的存在，可以更有效的分解有機物而不產(chǎn)生二噁英，近年來等離子體氣體技術(shù)已應(yīng)用于處理城市和工業(yè)垃圾。

采用等離子體技術(shù)處置工業(yè)固體廢物基本上不產(chǎn)生二噁英，另一突出的優(yōu)點就是爐渣為玻璃化殘渣，為惰性物質(zhì)，其滲透性極低，在國外?；勺鳛槁坊牧蟻砝谩５入x子氣化熔融技術(shù)比起其他熱解和燃燒系統(tǒng)，運行效率高，優(yōu)勢明顯。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）固體廢物的減量效率高

傳統(tǒng)的焚燒處理方法仍有大量的不可燃物和未燃盡物成為底渣，比如每噸污泥仍將有300-400kg的底渣仍然需要作為危險廢物處理。而采用等離子體氣化方式處理，玻璃化熔渣體積大約為焚燒產(chǎn)生灰渣體積的五分之一，最大程度做到了減量化。

（2）可做到固體廢物的完全無害化處理

等離子體爐運行溫度1450-1600℃，所有的有機物（包括二惡英、呋喃、傳染性病毒、病菌及其他有毒有害物質(zhì)）能夠迅速脫水、氣化和裂解，可保證凈化后排放尾氣的無害化效果。危險廢物中不可燃的無機成分經(jīng)等離子體高溫處理后變成無害渣體，可用作建筑材料，如玻璃和金屬等[2]。

危險廢物傳統(tǒng)焚燒處置方法產(chǎn)生的飛灰仍屬于危險廢物，以每天 50噸處理量的污泥焚燒廠為例，每天約有20噸的飛灰需要在固化后填埋。而等離子氣化技術(shù)產(chǎn)生的飛灰可返回爐內(nèi)重熔處理并也形成玻璃體[3]。

（3）固體廢物資源化利用

等離子體氣化的熱轉(zhuǎn)換效率比焚燒工藝高50%左右，在氣化、焚燒過程中，熱能可回收并轉(zhuǎn)換成電能。等離子體氣化產(chǎn)生的混合可燃性氣體（以H2、CO和部分有機氣體等為主要成分）無毒無害，不產(chǎn)生二次污染，不污染周邊的空氣、水源和環(huán)境，排放的氣體無黑煙，并可作為熱源直接加以利用，還可以進(jìn)一步處理，分離出氫氣和生產(chǎn)其他高價值的化工產(chǎn)品。

（4）進(jìn)料范圍廣

等離子體氣化是一種適用廣泛的廢棄物處理方式，可以處理除易爆和具有放射性以外的任何危險廢物，且無任何二次污染，對處理廢物進(jìn)料的控制要求要比焚燒處理簡單得多，可以處理大部分生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的危險廢物。從理論上講,所有能用傳統(tǒng)的焚燒爐處理的都可以用等離子體系統(tǒng)來處理。

采用高溫等離子氣化爐，可以提高爐內(nèi)溫度，提升效率，降低污染物的生成量。同時還可以適應(yīng)不同類型的物料，相對于傳統(tǒng)焚燒優(yōu)勢明顯，具體見表1。

表1　等離子氣化爐與回轉(zhuǎn)窯焚燒爐工藝對比表

3　工程應(yīng)用實例

山東某制藥企業(yè)建設(shè)一套20000t/a的危險廢物等離子氣化爐處理系統(tǒng)，主要處理其所在園區(qū)產(chǎn)生的抗生素菌渣、污泥、廢活性炭、廢藥品、廢溶劑、精餾殘渣、廢催化劑等十多種危險廢物。

3.1　工藝流程

本項目確定工藝技術(shù)方案為等離子輔助氣化熔融工藝，處理系統(tǒng)整體采用微負(fù)壓處理工藝。

圖1　工藝流程圖

抗生素菌渣、污泥等有機固廢通過刮板機進(jìn)入蒸汽干燥機，干燥后排出的廢渣含水率為20%-25%。然后再與其他固廢以及廢液通過不同的進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)入等離子氣化爐，等離子體產(chǎn)生的高溫將有機物裂解產(chǎn)生生物質(zhì)氣，進(jìn)入二燃室燃燒，燃燒后的熱煙氣進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生的蒸汽回用于前端干燥機，熱交換后的煙氣進(jìn)入廢氣處理系統(tǒng)處理后排放。

處理過程產(chǎn)生的廢水依托園區(qū)原有污水處理站處理，飛灰、不可燃?xì)堅廴诔刹ＡЩ?jīng)鑒定達(dá)到無害化效果后做鋪路用的砂石骨料等，煙氣經(jīng)過處理系統(tǒng)通過煙囪排入大氣，整個系統(tǒng)工藝流程簡單實用。

3.2　主要構(gòu)筑物

3.2.1等離子氣化爐

等離子體爐作為廢物氣化的設(shè)備，廢物在等離子體爐中依次經(jīng)歷預(yù)熱、氣化和燃燼三個階段，使廢物分解，是實現(xiàn)廢物減量化和無害化處理的主要場所。在氣化爐中需要添加焦炭作為床層，并采用預(yù)熱空氣，提高整個系統(tǒng)的熱效率。

本項目等離子體爐尺寸Φ4000×10000mm，爐膛長度約為7m，根據(jù)設(shè)計爐膛煙氣流速（3-3.5m/s左右），物料從進(jìn)料口氣化裂解至煙氣出口至少停留2s以上。因此，廢物中的有機成分在熔融爐內(nèi)有足夠的能量（反應(yīng)溫度1200℃以上）和足夠反應(yīng)時間徹底氣化并裂解成小分子形成可燃合成氣（CO、H2、CH4等）。而 1200℃以上的高溫，使危險廢物基本燃燼，不但使廢渣焚盡燒透，還從源頭避開產(chǎn)生二噁英的工況區(qū)。

物料進(jìn)入等離子體反應(yīng)爐后，其中的有機物質(zhì)在高溫（1200度）的作用下迅速反應(yīng)。反應(yīng)過程中，氧分的多少可以由氧化風(fēng)進(jìn)口的閥門控制。而無機物則在高溫作用下，熔融形成熔漿（約1450-1600度）。熔漿積累到一定量后通過出漿通道引出等離子體反應(yīng)爐。如果直接水淬，則可得到砂礫狀的無毒無害的?；?。

3.2.2二燃室

二燃室的作用主要是將等離子體爐氣化過程中產(chǎn)生的合成氣進(jìn)一步燃燒分解，使之完全轉(zhuǎn)化為 CO2、H2O及SO2、HCl、NOx等氣體。二燃室設(shè)置 2臺點火裝置，使用柴油作為燃料，二燃室內(nèi)的燃燒溫度控制在1100℃以上，煙氣停留時間至少2-4秒鐘，使有毒成分在二燃室得到充分的分解和消除。

二燃室焚燒后的灰渣自動落入出灰機內(nèi)排出，冷卻后的灰渣由爐窯下方末端排出，設(shè)置密封袋收集，返回進(jìn)料系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)入等離子體爐氧化熔融。

二燃室爐膛尺寸：3m×12m；爐膛負(fù)壓：-200pa。

3.2.3余熱利用系統(tǒng)

數(shù)量1套，采用二回膜式水冷壁蒸汽鍋爐。其主要參數(shù)：給水溫度104℃，壓力：0.8Mpa，蒸汽溫度170℃；蒸汽量：3.32t/h，立式布置。鍋爐進(jìn)口煙氣溫度1100℃，出口溫度500℃。

主要原理為：溫度為1100℃的高溫?zé)煔膺M(jìn)入高溫急冷系統(tǒng)，高溫急冷系統(tǒng)選用余熱鍋爐。余熱鍋爐構(gòu)造分為兩段式，分為高溫段和低溫段，高溫段溫度由1100℃降至 800℃，低溫段再由 800℃降至 500℃，可得到不同壓力的蒸汽。

余熱鍋爐采用大管徑雙套管式爐管，管徑89mm，爐管內(nèi)壁襯有陶瓷涂層，并配置自動除灰裝置，可有效防止結(jié)垢。余熱鍋爐同時還帶有蒸汽吹掃裝置，根據(jù)不同的工況，定期對鍋爐內(nèi)部進(jìn)行吹掃，出灰溫度小于100℃，可以有效的防止鍋爐的堵塞，余熱鍋爐收集的粉塵返回至等離子氣化爐重新處理。余熱回收系統(tǒng)配套自動給水軟化系統(tǒng)，軟化水系統(tǒng)要求用反滲透制備，軟化水的水質(zhì)應(yīng)滿足《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》(GB1576-2001)的要求。

3.2.4煙氣凈化處理系統(tǒng)

煙氣處理工藝采用“煙氣脫硝（SNCR）+旋風(fēng)除塵+空氣急冷+布袋除塵+濕法脫酸+濕式電除塵+活性炭吸附塔”的煙氣凈化工藝。

煙氣脫硝：脫氮工藝采用非催化法還原(SNCR法)控制NOx。其脫硝還原劑為低濃度氨水。旋風(fēng)除塵：高溫?zé)煔庥蛇M(jìn)氣管進(jìn)入導(dǎo)向器，導(dǎo)向器使氣體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)并使粉塵分離出來。被分離出來的粉塵從旋風(fēng)子下端出來后進(jìn)入灰斗，被凈化的氣體進(jìn)入排氣室，由排氣口排出。

空氣急冷：空氣急冷器采用強迫風(fēng)冷，對煙氣進(jìn)行急冷，使其在1s內(nèi)將煙氣溫度500℃降至200℃以下，防止二噁英產(chǎn)生?？諝饧崩淦鞲叨?2米，煙氣流速>25m/s，設(shè)計值<0.5s完成500℃至200℃降溫，滿足規(guī)范1s內(nèi)要求。

布袋除塵：清灰過程均由PLC的設(shè)定程序自動完成。煙氣進(jìn)口溫度170℃，出口溫度高于130℃，有效地防止結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生，同時能延長濾布的使用壽命。

堿洗脫硫：稀堿液（氫氧化鈉）逆流接觸以除去硫化氫、二氧化硫、硫化氫、顆粒物等。

濕電除塵：濕式電除塵器是一種用來處理含微量粉塵和微顆粒的新除塵設(shè)備，主要用來除去含濕氣體中的塵、酸霧、水滴、氣溶膠、臭味、PM2.5等有害物質(zhì)。

活性炭吸附：使用移動床活性炭吸附器，將移動下來的活性炭送入氣化爐中。

3.3　運行情況及分析

3.3.1運行效果

該系統(tǒng)工藝流程完整，包括進(jìn)料、氣化、出渣、合成氣二次燃燒、尾氣凈化、自動控制等全套設(shè)備。氣化爐內(nèi)工作溫度可控，達(dá)1200℃以上，可有效地摧毀各類有機污染物，采用焦炭床技術(shù)有助于控制氮氧化物的生成，在等離子體炬作用下氣化爐的底渣熔融，排出氣化爐形成玻璃體。系統(tǒng)配有在線監(jiān)測儀器。

項目自2017年6月試運行以來，運行情況穩(wěn)定，檢測數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)各項污染物排放能滿足相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)。等離子氣化爐煙氣中主要污染物的SO2、NOx和煙塵排放濃度均滿足《山東省區(qū)域性大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB37/2376-2013）2017年1月1日執(zhí)行的重點控制區(qū)標(biāo)準(zhǔn)；HCl、HF、Pb、As、二噁英類等其他污染物排放濃度滿足《危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18484-2001）中表3中≥2500kg/h限值要求。廢水經(jīng)污水收集管道收集后，排入園區(qū)污水處理站進(jìn)行處理，滿足《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 31962-2015）表1中A等級標(biāo)準(zhǔn)要求。固體廢棄物主要為等離子氣化爐底玻璃渣，底灰、飛灰和生活垃圾。等離子氣化爐底玻璃渣交由有資質(zhì)檢測單位對玻璃體渣進(jìn)行安全性檢測，達(dá)到無毒無害要求后，按一般固體廢物處理。

3.3.2運行成本

水、電等輔助材料消耗情況見表2。加上人工、維修及其他費用后，合計經(jīng)營成本超過2500元/噸。

表2　主要輔助材料消耗情況一覽表

3.3.3存在的不足

（1）在實際工程應(yīng)用中，目前等離子系統(tǒng)并不能實現(xiàn)理論上所講的能處理除易燃易爆、放射性等外的所有種類的危險廢物，考慮到運行的經(jīng)濟性和安全性，對處理物料是有選擇性的。無論是固體廢物還是液體廢物，進(jìn)入等離子氣化爐前需進(jìn)行配伍操作，與輔料進(jìn)行一個合理的配比，要達(dá)到一定的熱值；同時要求配伍的物料之間不能具有反應(yīng)性。

（2）收集的飛灰回爐重熔操作難度大。旋風(fēng)除塵、布袋除塵等煙氣治理設(shè)施捕集的飛灰，由于熱值很低，若單獨對其進(jìn)行等離子體處置，將其熔化要消耗較大的熱能，通常與其他可燃廢物協(xié)同處理，可適當(dāng)減少等離子體電能。但實際上，由于飛灰質(zhì)量很輕，一動就容易揚撒，很難與其他物料成功配伍。即使完成了配伍，進(jìn)入等離子氣化爐后仍舊難以熔融到玻璃體中。工程運行中飛灰的最終處置方式選擇的還是填埋。

（3）產(chǎn)生的玻璃體渣要用作建筑材料等用途需進(jìn)行非危險廢物鑒定。雖然2016版的危險廢物名錄中不包含玻璃態(tài)殘渣，但是等離子體爐在反應(yīng)中產(chǎn)生的玻璃體渣還是要進(jìn)行無害化鑒定，達(dá)到要求后才能按照一般廢物處置利用。在完成鑒定前，政府環(huán)保部門還是按照危險廢物進(jìn)行管理。而當(dāng)前，國內(nèi)危險廢物的鑒定過程還是需要花費一定的時間的。

（4）能耗大。僅電耗費用就占輔助材料費用的42.85%，如果再加上水、柴油的費用，就占到了68.34%。能耗與所處理廢物的熱值有很大關(guān)系，如果廢物的熱值越低，能耗就越大，相應(yīng)的處理成本就越高。

結(jié)語

等離子氣化技術(shù)是一種處理效率高、基本沒有二次污染、適用廣泛的先進(jìn)技術(shù)，它不僅可以利用等離子體高度集中的能量徹底破壞有毒有害有機污染物，還可以將重金屬等有害物質(zhì)固化在玻璃體熔渣中，切實達(dá)到危險廢物無害化處置效果。隨著工藝設(shè)備的國產(chǎn)化以及工藝控制技術(shù)的不斷優(yōu)化，等離子氣化技術(shù)的投資和運營成本也會得到大大降低，將具有更好的經(jīng)濟實用性。目前國家環(huán)保新政策新法規(guī)陸續(xù)出臺，危險廢物的治理更加規(guī)范更加嚴(yán)厲，等離子氣化技術(shù)在危險廢物處理方面的應(yīng)用前景將更加廣闊。

[1]李偉，李水清，崔瑞禎，劉剛，季天仁.等離子體處理危險廢物技術(shù)[A].中國環(huán)境保護(hù)優(yōu)秀論文集（2005）（下冊）[C]，2005:5.

[2]楊德宇，俞建榮.等離子體熔融氣化技術(shù)處理廢棄物的研究[J].新技術(shù)新工藝，2014（2）:106-109.

[3]黃耕.等離子氣化技術(shù)在固體廢物處理中的應(yīng)用[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2010(6）：43-45.