等離子體爐處理危險(xiǎn)廢物工藝及工程應(yīng)用

程元舒

摘要：等離子體爐處置危廢技術(shù)是目前在處理危險(xiǎn)廢物的主要方式之一，具有高效分解污染物、利用玻璃態(tài)產(chǎn)物固化有害物質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)資源利用等特性。同時(shí)該技術(shù)又具有耗能高、成本高的特性，國(guó)內(nèi)又缺少相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)定。隨著等離子爐處理工藝應(yīng)用水平的提高，國(guó)內(nèi)行業(yè)政策的推進(jìn)與完善，等離子體爐處置危廢技術(shù)的應(yīng)用前景較廣泛，在處理危險(xiǎn)廢物的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)資源化利用與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。本文就不同的危險(xiǎn)廢物處理工藝展開(kāi)分析，并闡述了等離子爐處理危廢工藝的類(lèi)型與應(yīng)用，同時(shí)分析了該工藝技術(shù)存在的不足。

關(guān)鍵詞：等離子體爐 ?危險(xiǎn)廢物 ?工程應(yīng)用

隨著十四五計(jì)劃的不斷推進(jìn)，我國(guó)工業(yè)化水平的不斷提高，我國(guó)的固體廢棄物產(chǎn)生量不斷增加，嚴(yán)重威脅到環(huán)境和資源的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部公布的《2020年全國(guó)大、中城市固體廢物污染環(huán)境防治年報(bào)》，截至2019年底，全國(guó)危險(xiǎn)廢物（含醫(yī)療廢物）收集和利用處置能力達(dá)到12896萬(wàn)噸/年，2019年度實(shí)際收集和利用處置量為3558萬(wàn)噸，其中，利用危險(xiǎn)廢物2468萬(wàn)噸;采用填理方式處置危險(xiǎn)廢物213萬(wàn)噸，采用焚燒方式處置危險(xiǎn)廢物247萬(wàn)噸，采用水泥窯協(xié)同方式處置危險(xiǎn)廢物179萬(wàn)噸，采用其他方式處置危險(xiǎn)廢物252萬(wàn)噸：處置醫(yī)療廢物118萬(wàn)噸。

1.危險(xiǎn)廢物的處置工藝

1.1 回轉(zhuǎn)窯處置工藝

采用回轉(zhuǎn)窯焚燒處理工藝是處理危廢的主要方式，也是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)的焚燒溫度為 850 ～ 1200℃。危險(xiǎn)廢棄物通過(guò)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的高溫燃燒與分解后，煙氣進(jìn)入二燃室再次燃燒分解。高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)余熱鍋爐實(shí)現(xiàn)能源的利用。該技術(shù)的處理規(guī)模大，危廢減量化效果明顯，然而廢物中的重金屬、多氯聯(lián)苯類(lèi)物質(zhì)，則聚集在飛灰當(dāng)中，目前處理灰渣的主要方式為經(jīng)穩(wěn)定化固化處理后送至安全填埋場(chǎng);而安全填埋場(chǎng)存在選址困難的問(wèn)題以及污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，煙氣中二惡英、呋喃等有害物質(zhì)含量超標(biāo)，增加了煙氣處理的成本，并存在空氣污染的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 水泥窯協(xié)同處置工藝

采用水泥窯協(xié)同處置危廢工藝首先在預(yù)處理階段脫去危廢中的堿氯成分，可對(duì)飛灰及危廢等多種固廢進(jìn)行協(xié)同處置，對(duì)物料的熱值要求較低。該處理技術(shù)的焚燒溫度可達(dá)到1450℃，可有效去除煙氣中的二噁英物質(zhì)。

1.3 等離子體處置危廢工藝

采用等離子體處理危廢工藝是一種較為有效處置危險(xiǎn)廢物的方式。等離子氣化爐中的等離子炬采用電能產(chǎn)生等離子體。等離子體是一種高溫氣體射流，危廢物料在4000-7000℃以上的等離子體高強(qiáng)度熱源加熱下被打碎為原子物質(zhì)，使其中的有害物質(zhì)失活，轉(zhuǎn)化無(wú)害物質(zhì)，減量化和無(wú)害化效果顯著。在高溫條件下，二噁英等有害物質(zhì)得到分解，處理產(chǎn)生的廢氣以混合可燃性氣體為主要成分，可經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理，分離或生產(chǎn)其他高價(jià)值化工產(chǎn)品。

等離子氣化熔融處理工藝原理上是物料分解和重組的過(guò)程。在等離子氣化熔融處理中，經(jīng)處理的危廢爐渣，為惰性無(wú)浸出毒性的玻璃體狀，可用于路基或建材，具有良好的資源化效應(yīng)。

等離子爐的物料適應(yīng)范圍較廣，對(duì)危廢的入爐熱值要求較低（大于2000kcal）目前該技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到廣泛應(yīng)用階段。

2.等離子體處置危廢工藝類(lèi)型

等離子炬根據(jù)放電方式的不同，可分為交流等離子炬、直流等離子炬、微波等離子炬以及射頻等離子炬。其中直流等離子炬被廣泛應(yīng)用于處理危險(xiǎn)廢物。直流等離子體炬分為轉(zhuǎn)移弧等離子體炬和非轉(zhuǎn)移弧等離子體炬。轉(zhuǎn)移弧等離子體炬處理的廢物具有較好的導(dǎo)電性，可作為陽(yáng)極，通過(guò)陰極與陽(yáng)極之間的距離調(diào)節(jié)功率;非轉(zhuǎn)移弧等離子體炬的兩極僅產(chǎn)生等離子體與被處理物發(fā)生作用。

等離子體處置危廢的工藝包括等離子體熱解、等離子體氣化和等離子體熔融三種方式。等離子體熱解是在無(wú)氧條件下，有機(jī)廢物在高溫下熱解為小分子有機(jī)物;熱解用的載氣一般為惰性氣體。等離子體氣化是在有氧條件下，有機(jī)廢物發(fā)生部分氧化并生成H2和CO等可燃?xì)怏w;氣化用的載氣一般為氧化性氣體（空氣、氧氣或水蒸氣等）。等離子體熔融是無(wú)機(jī)廢物在高溫下熔融為玻璃態(tài)物質(zhì)，從而固化廢物中的有害物質(zhì)。

通過(guò)以上方式，可將被處理物中大部分的有機(jī)物質(zhì)氣化或裂解為可燃?xì)怏w，大部分無(wú)機(jī)物熔融為穩(wěn)定的玻璃態(tài)物質(zhì)。

3.等離子體處置危廢工藝的工程應(yīng)用

等離子體處置危廢工藝，包含了進(jìn)料系統(tǒng)、等離子氣化熔融系統(tǒng)、等離子體炬系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等。其中物料的預(yù)處理和進(jìn)料系統(tǒng)、等離子體氣化熔融、余熱回收以及煙氣凈化排放是等離子體處置危廢工藝的重要環(huán)節(jié)。

3.1等離子體爐

等離子體爐系統(tǒng)是等離子體處置危廢工藝的核心系統(tǒng)。為節(jié)約廢物處理成本，提高處置效率，進(jìn)入等離子體爐的物料需要經(jīng)過(guò)破碎、干化和配伍等預(yù)處理步驟。固廢或廢液經(jīng)過(guò)不同的進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)入等離子體爐，經(jīng)過(guò)高溫等離子氣體的預(yù)熱、氣化和燃燼，廢料中的有機(jī)物充分裂解為小分子可燃合成氣體。通過(guò)氧化風(fēng)進(jìn)口閥門(mén)的控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)爐內(nèi)氧氣含量的控制，進(jìn)而控制合成氣體的產(chǎn)生。廢料從進(jìn)料口至等離子體爐煙氣出口至少停留2秒以上，高溫工況（大于1200℃）不僅使廢料徹底氣化裂解和熔融，也避開(kāi)了二惡英產(chǎn)生的工況區(qū)。廢料中的無(wú)機(jī)物在高溫和氧化性氣氛下形成熔漿，經(jīng)爐底出漿通道引出，并在水淬工藝下，形成固化的玻化渣。

在等離子體爐中需要添加焦炭、石灰石或玻璃渣等作為床層，可保證熔漿的流動(dòng)性及有效分離，并提供硅以提供?；馁|(zhì)量。爐內(nèi)采用預(yù)熱空氣，以提高系統(tǒng)的熱效率。 在氣化熔融過(guò)程中，需要采用離子水對(duì)等離子體炬進(jìn)行冷卻保護(hù);另外等離子體爐內(nèi)需要提供輔助風(fēng)以提高等離子體熱能的均勻轉(zhuǎn)化。

3.2 二燃室

等離子體爐氣化產(chǎn)生的可燃性合成氣在二燃室內(nèi)進(jìn)一步燃燒分解為 CO2、H2O 及 SO2、NOx 等氣體。二燃室設(shè)置有點(diǎn)火裝置，使用天然氣或輕柴油作為燃料。燃燒溫度在1100℃以上，煙氣在二燃室內(nèi)至少停留2秒鐘，可有效的分解和消除氣體中的有毒成分。二燃室焚燒后的灰渣經(jīng)爐底出渣裝置冷卻排出，可返回至進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)入等離子體爐中熔融。

3.3 余熱鍋爐

二燃室出口高溫?zé)煔馄浜蟮挠酂徨仩t回收煙氣熱量。余熱鍋爐配套自動(dòng)給水軟化系統(tǒng)，軟化水的水質(zhì)應(yīng)滿(mǎn)足《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》的要求。產(chǎn)生蒸汽可用于進(jìn)料系統(tǒng)的蒸汽干化、蒸汽滅火，或廠區(qū)的污水處理等。實(shí)現(xiàn)余熱的回收利用。余熱鍋爐內(nèi)的粉塵可返回至等離子體氣化爐熔融處理。

3.4 煙氣凈化系統(tǒng)

煙氣凈化工藝可采用“煙氣脫硝+旋風(fēng)除塵+急冷凈化+干式除塵+濕法脫酸+濕式電除塵+活性炭吸附”的煙氣凈化工藝。 經(jīng)過(guò)以上工藝，確保煙氣排放可達(dá)標(biāo)至歐盟2010標(biāo)準(zhǔn)。滿(mǎn)足現(xiàn)行國(guó)內(nèi)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.5 存在的不足

目前的工程實(shí)際應(yīng)用中，出于運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的原因，進(jìn)入等離子體爐的物料需要進(jìn)行配伍，配伍的物料是有選擇性的，且相互之間不能有反應(yīng)性，并且需要滿(mǎn)足一定的入爐熱值要求。二燃室和余熱鍋爐底部收集的飛灰由于質(zhì)量較輕，返回至爐內(nèi)配伍和熔融的難度較大。

等離子體爐熔融反應(yīng)產(chǎn)生的玻璃體需鑒定達(dá)到無(wú)害化要求，才可按一般固廢處置。完成鑒定仍需以危險(xiǎn)廢物標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理。因此廠區(qū)內(nèi)需要規(guī)劃存儲(chǔ)玻璃體渣的用地，并按照危險(xiǎn)廢物儲(chǔ)存設(shè)計(jì)。同時(shí)高溫熔融產(chǎn)生物質(zhì)的綜合利用在國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段尚無(wú)據(jù)可依，國(guó)內(nèi)還未制定針對(duì)相關(guān)的廢物資源化利用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

等離子體爐處理危廢技術(shù)比傳統(tǒng)的焚燒工藝建設(shè)成本和運(yùn)行成本高。電耗占用運(yùn)行費(fèi)用的40%以上。處理的廢料熱值越低，處理成本越高。另外，等離子體炬的維修和更換也提高了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

4.結(jié)語(yǔ)

等離子爐處理危廢是一種高效的、低污染、適用范圍廣泛的技術(shù)。不僅利用高密度的能量有效分解有機(jī)污染物，同時(shí)可以將無(wú)機(jī)物中的有害物質(zhì)以玻璃體的形式固化，達(dá)到了無(wú)害化和減量化的處置效果。隨著國(guó)產(chǎn)化設(shè)備和技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化，國(guó)內(nèi)環(huán)保政策和法規(guī)的出臺(tái)和完善，等離子處理危廢技術(shù)具有更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用的應(yīng)用前景。

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