危險(xiǎn)廢物焚燒底渣熔融技術(shù)研究

肖燕，柳培文，楊華，曹彤

（1.中國(guó)天楹股份有限公司，江蘇 南通 226600；2.南通市海安生態(tài)環(huán)境局，江蘇 南通 226600）

危險(xiǎn)廢物是指列入《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》，或者根據(jù)國(guó)家規(guī)定的危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)和鑒別方法認(rèn)定的具有危險(xiǎn)特性的固體廢物。2011 年企業(yè)危險(xiǎn)廢物申報(bào)下限由10kg 調(diào)整至1kg，全年統(tǒng)計(jì)量躍升；2016年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》為危險(xiǎn)廢物管理和處置提供了強(qiáng)大推力；2018 年新的《環(huán)境保護(hù)稅法》實(shí)施，進(jìn)一步推動(dòng)了環(huán)保監(jiān)管的日?；鸵?guī)范化；2020 年《固體廢物污染環(huán)境防治法》修訂，危險(xiǎn)廢物管理措施上升到法律層面，國(guó)家政策驅(qū)動(dòng)危險(xiǎn)廢物行業(yè)快速發(fā)展。

目前，焚燒、物化、填埋是危險(xiǎn)廢物無(wú)害化最終處置的主要方法[1,2]，我國(guó)對(duì)于焚燒底渣主要采用安全填埋的方式進(jìn)行最終處置，但是填埋場(chǎng)地容量有限且填埋處置存在滲漏等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)?！段ｋU(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18598—2019）頒布后，危險(xiǎn)廢物產(chǎn)廢量集中區(qū)——東部沿海地區(qū)的填埋場(chǎng)的選址異常困難且建設(shè)和運(yùn)行成本會(huì)越來(lái)越高。不斷增長(zhǎng)的焚燒底渣產(chǎn)生量勢(shì)必會(huì)給危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)庫(kù)容造成巨大壓力，因此實(shí)現(xiàn)焚燒底渣的減量化與資源化具有重大意義。

1 危險(xiǎn)廢物焚燒底渣特性

1.1 產(chǎn)生量預(yù)測(cè)

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2020—2025 年中國(guó)危廢處理行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》，受疫情影響，醫(yī)療廢物產(chǎn)生量增長(zhǎng)，2020 年我國(guó)危險(xiǎn)廢物產(chǎn)量超過(guò)10 000 萬(wàn)t。焚燒和填埋的需求占比約為34%，2020 年焚燒和填埋的處置量約為3400 萬(wàn)t，按照危險(xiǎn)廢物的焚燒處置量占總處理量的55%、60%、65%三種比例預(yù)測(cè)我國(guó)危險(xiǎn)廢物焚燒底渣產(chǎn)生量，由表1 可看出，三種比例下2020 年我國(guó)危險(xiǎn)廢物焚燒底渣產(chǎn)生量分別為468 萬(wàn)t、510 萬(wàn)t和552 萬(wàn)t。

1.2 重金屬毒性

焚燒產(chǎn)生殘?jiān)空脊腆w廢物總量的20%—30%，由于其具有很高的金屬含量和浸出濃度，殘?jiān)詫傥ｋU(xiǎn)固體廢物，須經(jīng)過(guò)安全穩(wěn)定化處理滿足進(jìn)場(chǎng)要求后方可填埋[3]。表2 為兩種危險(xiǎn)廢物焚燒底渣的重金屬成分及含量[4,5]。

表2 兩種危險(xiǎn)廢物焚燒底渣的重金屬成分及含量（單位：mg/L）

根據(jù)《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007），固體廢物浸出液中任何一種危害成分含量超過(guò)表3 所列的濃度限值時(shí)，即判定該固體廢物是具有浸出毒性特征的危險(xiǎn)廢物。根據(jù)《危險(xiǎn)廢物安全填埋處置工程建設(shè)技術(shù)》，危險(xiǎn)廢物中鉛含量高于5mg/L、鎳含量高于15mg/L、砷含量高于2.5mg/L時(shí)，禁止直接進(jìn)入危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)處置。

表3 無(wú)機(jī)元素及化合物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值

1.3 國(guó)內(nèi)外底渣玻璃化應(yīng)用情況[6]

1.3.1 中國(guó)

目前我國(guó)已建成10 余套危險(xiǎn)廢物高溫熔渣（熔融）玻璃化處置設(shè)施。經(jīng)檢測(cè)，浸出毒性測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)低于《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》（GB 5058.3—2007）限值，但是玻璃化技術(shù)建設(shè)成本比普通危險(xiǎn)廢物回轉(zhuǎn)窯焚燒爐高10%—20%，在我國(guó)未得到廣泛使用。熔融技術(shù)的推廣已經(jīng)形成了一定規(guī)模，具有一定普遍性，我國(guó)正在積極推進(jìn)《固體廢物玻璃化處理產(chǎn)物技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)的制定，江蘇省《生活垃圾焚燒飛灰熔融處理技術(shù)規(guī)范》（DB32/T 3558—2019）已于2019 年3 月30 日起正式實(shí)施，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

1.3.2 歐盟

歐盟明確規(guī)定危險(xiǎn)廢物處置后所產(chǎn)生的玻璃態(tài)殘?jiān)且话愎腆w廢物（代碼：19 04 01），不作為危險(xiǎn)廢物進(jìn)行管理。目前，歐盟國(guó)家超過(guò)1/2 的危險(xiǎn)廢物焚燒處置設(shè)施采用了熔渣（熔融）玻璃化處置技術(shù)。

1.3.3 美國(guó)

美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局（EPA）于1992 年出臺(tái)了《危險(xiǎn)廢物玻璃化工程技術(shù)手冊(cè)》，用于指導(dǎo)危險(xiǎn)廢物玻璃化處置技術(shù)，對(duì)熱處理、電處理兩大類危險(xiǎn)廢物玻璃化處置技術(shù)進(jìn)行了綜合對(duì)比。美國(guó)近1/3 的危險(xiǎn)廢物焚燒處置廠采用高溫熔渣（熔融）處置技術(shù)。

1.3.4 日本

受土地資源的限制，為了有效控制危險(xiǎn)廢物的填埋量，熔融焚燒技術(shù)在日本也得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)有關(guān)資料介紹，日本有超過(guò)30 個(gè)企業(yè)采用危險(xiǎn)廢物熔融和玻璃化熱處理技術(shù)。

2 底渣高溫熔融技術(shù)路線比較

目前危險(xiǎn)廢物高溫熔渣玻璃化技術(shù)主要包括回轉(zhuǎn)窯熔渣焚燒技術(shù)和等離子體熔融技術(shù)，高溫熔渣玻璃化技術(shù)具有適應(yīng)范圍廣、處置能力大、焚毀去除率高、煙氣凈化程度高等優(yōu)點(diǎn)，處置成本低于填埋處置[7]。熔融處置后，可將熔渣中重金屬等有毒有害物質(zhì)封存固化在玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)中，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，而且體積較小，易于儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移。

2.1 熔渣回轉(zhuǎn)窯技術(shù)路線

根據(jù)窯內(nèi)灰渣物態(tài)及溫度范圍，回轉(zhuǎn)窯可分為干灰式和熔渣式。干灰式回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度低于1000℃，窯內(nèi)固體尚未熔融，仍為固體灰渣。熔渣式回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度可達(dá)1350℃，固體廢物中的惰性物質(zhì)除高熔點(diǎn)的金屬及其化合物外，皆在窯內(nèi)熔融，因此焚燒程度比較完全。熔融的流體由窯內(nèi)流出，經(jīng)急速冷卻后凝固。這種類似礦渣或巖漿的殘?jiān)w粒大，重金屬浸出濃度較干灰式回轉(zhuǎn)窯排放的灰渣低。

熔渣回轉(zhuǎn)窯在德國(guó)已經(jīng)有很多成熟案例，如表4所示。我國(guó)沒(méi)有熔融玻璃化相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)營(yíng)要求相對(duì)高，耐材成本高，因此限制了該技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展。

表4 德國(guó)熔渣回轉(zhuǎn)窯技術(shù)應(yīng)用案例

2.2 回轉(zhuǎn)窯焚燒+水封出渣機(jī)+離線等離子體熔融爐技術(shù)路線（共用煙氣處理）

在回轉(zhuǎn)窯焚燒線附近設(shè)置一臺(tái)獨(dú)立的熔融爐，回轉(zhuǎn)窯焚燒后的爐渣，經(jīng)過(guò)水封除渣機(jī)冷卻后，作為原料投入熔融爐進(jìn)行高溫熔融，形成玻璃體排出。熔融爐產(chǎn)生的煙氣經(jīng)高溫管道匯總后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯焚燒線的二燃室處理。100t/d 回轉(zhuǎn)窯焚燒線配套40t/d 熔融設(shè)備，占地面積約100m2，等離子電弧設(shè)備的運(yùn)行能耗為670—900kW·h/t。

此方案的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）熔融爐設(shè)備與回轉(zhuǎn)窯焚燒設(shè)備相對(duì)獨(dú)立設(shè)置，運(yùn)行和控制彼此獨(dú)立，對(duì)危險(xiǎn)廢物焚燒線的正常運(yùn)行影響最小。

（2）熔融爐和回轉(zhuǎn)窯可共用煙氣處理設(shè)施（熔融爐煙氣量小，對(duì)回轉(zhuǎn)窯工況影響不大），可降低設(shè)備的投資和運(yùn)營(yíng)成本。

（3）兩臺(tái)設(shè)備之間的聯(lián)系可以斷開(kāi)，一臺(tái)設(shè)備檢修不影響另一臺(tái)設(shè)備運(yùn)行。

（4）對(duì)于有空余場(chǎng)地的回轉(zhuǎn)窯焚燒線，改造較為簡(jiǎn)單。

（5）設(shè)備容易布置，等離子體爐可以采用石墨電極，無(wú)需受限于等離子體炬。

（6）可以增加爐渣預(yù)處理設(shè)備，以應(yīng)對(duì)回轉(zhuǎn)窯工況波動(dòng)對(duì)爐渣的影響，比如破碎、磁選除鐵等。

（7）方便定期對(duì)爐渣成分進(jìn)行取樣分析，以計(jì)算熔融爐的添加劑量，調(diào)配比例。

（8）對(duì)于來(lái)料中不適宜焚燒的無(wú)機(jī)廢物可送入熔融爐，增強(qiáng)物料適應(yīng)性。

此方案的缺點(diǎn)在于：

（1）回轉(zhuǎn)窯焚燒產(chǎn)生的高溫爐渣被水淬冷卻后才進(jìn)入熔融爐，熱量沒(méi)有被充分利用，浪費(fèi)的能量約為500kW·h/t。

（2）熔融爐和回轉(zhuǎn)窯獨(dú)立設(shè)置，工程建設(shè)造價(jià)相對(duì)較高。

目前回轉(zhuǎn)窯+離線等離子熔融爐的技術(shù)路線在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟案例，東方電氣、廣州維港等公司有相關(guān)專利研究（見(jiàn)表5）。

表5 回轉(zhuǎn)窯+離線等離子體熔融爐技術(shù)專利研究

2.3 回轉(zhuǎn)窯焚燒+在線等離子體熔融爐技術(shù)路線

此方案取消了回轉(zhuǎn)窯尾部落渣口下方的出渣裝置，改為設(shè)置一個(gè)熔融爐?；剞D(zhuǎn)窯中的高溫爐渣從窯尾直接落進(jìn)熔融爐內(nèi)，在高溫下形成玻璃態(tài)熔渣，連續(xù)穩(wěn)定排出。整個(gè)方案中危險(xiǎn)廢物焚燒進(jìn)料和出渣的穩(wěn)定是保證危險(xiǎn)廢物焚燒裝置長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵。

以100t/d 回轉(zhuǎn)窯配套40t/d 熔融的方案為例，按照此種設(shè)備布置方案，增加的費(fèi)用主要有建設(shè)成本和運(yùn)行成本。在建設(shè)成本方面，熔融爐設(shè)備約為150 萬(wàn)元，除渣機(jī)費(fèi)用和原來(lái)基本持平。此外，需要增加一部分建設(shè)施工費(fèi)用（土方挖掘、設(shè)備安裝等），此部分費(fèi)用根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)改造施工難度不同而有所不同。在運(yùn)行成本方面，主要為電費(fèi)，由于各地電費(fèi)不同，所以運(yùn)行費(fèi)用有所不同。

此方案的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）設(shè)備占地面積相對(duì)較小，不需要設(shè)置單獨(dú)區(qū)域安放熔融爐設(shè)備。

（2）對(duì)于傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小，可以用于沒(méi)有多余場(chǎng)地的回轉(zhuǎn)窯爐的升級(jí)改造。

（3）爐渣進(jìn)入熔融爐之前已經(jīng)從回轉(zhuǎn)窯攜帶大量熱量，可減少熔融爐能量消耗。

此方案的缺點(diǎn)在于：

（1）設(shè)備緊湊，設(shè)備安裝空間狹小，容易產(chǎn)生干擾，不利于檢修。

（2）熔融爐與回轉(zhuǎn)窯工藝聯(lián)系緊密，控制系統(tǒng)復(fù)雜。

（3）熔融爐檢修周期短于回轉(zhuǎn)窯檢修周期，設(shè)備高溫段相連，一旦熔融爐停爐檢修，回轉(zhuǎn)窯必須同時(shí)停止，設(shè)備間相互影響較大。

（4）回轉(zhuǎn)窯內(nèi)為氧化環(huán)境，熔融爐內(nèi)為還原環(huán)境，回轉(zhuǎn)窯物料進(jìn)入熔融爐，不適用石墨電極，只能采用昂貴的等離子炬。

（5）無(wú)法對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，可能會(huì)對(duì)進(jìn)料和熔融爐造成影響。

目前回轉(zhuǎn)窯+在線等離子體熔融爐的技術(shù)路線在國(guó)內(nèi)尚無(wú)應(yīng)用，光大環(huán)保、天和控股等公司有相關(guān)專利研究（見(jiàn)表6）。

表6 回轉(zhuǎn)窯+在線等離子體熔融爐技術(shù)專利研究

2.4 三種技術(shù)路線比較

表7 從技術(shù)特點(diǎn)、運(yùn)營(yíng)要求、設(shè)備投資等方面對(duì)三種技術(shù)進(jìn)行了綜合比較，采用成熟的回轉(zhuǎn)窯焚燒和等離子體熔融爐獨(dú)立布置，系統(tǒng)的可靠性相對(duì)最高。

表7 不同熔融方案對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

隨著危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量的不斷增加及焚燒處置率的持續(xù)提高，焚燒底渣所產(chǎn)生的危害將持續(xù)顯現(xiàn)，需要加快玻璃化技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)焚燒底渣的減量化與資源化利用。危險(xiǎn)廢物玻璃化技術(shù)已在發(fā)達(dá)國(guó)家推廣應(yīng)用且有完善的技術(shù)規(guī)范及鑒別體系，建議加快研究制定我國(guó)的危險(xiǎn)廢物高溫熔融玻璃化技術(shù)規(guī)范、玻璃化殘?jiān)罱K處置技術(shù)規(guī)范。

通過(guò)對(duì)“熔渣回轉(zhuǎn)窯技術(shù)”“回轉(zhuǎn)窯焚燒+水封出渣機(jī)+離線等離子體熔融爐”“回轉(zhuǎn)窯焚燒+在線等離子體熔融爐”三種技術(shù)綜合比較，并結(jié)合目前國(guó)內(nèi)回轉(zhuǎn)窯技術(shù)雖然已經(jīng)成熟，但是等離子體熔融技術(shù)還在消化吸收國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀，建議優(yōu)先開(kāi)展“回轉(zhuǎn)窯焚燒+水封出渣機(jī)+離線等離子體熔融爐”技術(shù)路線的研究工作，根據(jù)國(guó)內(nèi)危險(xiǎn)廢物的物料情況，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)廢物底渣高溫熔融玻璃化處置設(shè)備的本地化和產(chǎn)業(yè)化。