等離子體熔融工藝在危險(xiǎn)廢物處置中的應(yīng)用

上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司 殷科

一、引言

等離子體熔融處置技術(shù)通過(guò)等離子炬放電產(chǎn)生的高溫電弧來(lái)加熱危險(xiǎn)廢物，使廢物得到分解，避免二噁英等有毒物質(zhì)的生成，火焰的溫度一般在4000℃至7000℃，可將無(wú)機(jī)物成分高溫熔融成玻璃體渣，玻璃體渣可作為建筑材料進(jìn)行再利用。

二、等離子體處理技術(shù)分類(lèi)

（一）等離子體熱解氣化

指在有氧或缺氧條件下，將有機(jī)廢棄物進(jìn)行不完全氧化并產(chǎn)生可燃?xì)怏w（如CO和H2），載氣可為惰性氣體或氧化性氣體，如氮?dú)?、氬氣、空氣、水蒸氣等?/p>

（二）等離子體熔融玻璃化

指在高溫條件下，將無(wú)機(jī)廢棄物進(jìn)行熔融，把有害重金屬封閉在玻璃化物質(zhì)中。

（三）組合形式

圖1 等離子體氣化熔融爐（圖左）與等離子體熔融爐（圖右）

表1 等離子體處理技術(shù)的區(qū)別

通過(guò)相關(guān)組合形式，分為等離子體熱解熔融或氣化熔融的方式，適用于成分復(fù)雜的混合廢棄物。

三、等離子體處理危險(xiǎn)廢物種類(lèi)分析

等離子體熔融技術(shù)處理固體危險(xiǎn)廢物，可達(dá)到減量化效果好、二次排放低、產(chǎn)物玻璃體渣無(wú)須二次填埋等優(yōu)點(diǎn)。一般可處置危險(xiǎn)廢物名錄中的大部分種類(lèi)，如 HW01～ HW13、HW15～ HW25、HW27、HW29、HW34 ～ HW37、HW39、HW40、HW46～HW50等。

傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)窯焚燒是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)廢物減量化的有效手段，但產(chǎn)生的飛灰中含有高毒性當(dāng)量的二噁英和高浸出毒性的重金屬，仍屬于危險(xiǎn)廢物，必須進(jìn)一步進(jìn)行填埋處置。等離子體技術(shù)可處置焚燒飛灰、爐渣等低熱值、高毒性的危險(xiǎn)廢物，產(chǎn)物無(wú)須二次填埋。

一般焚燒飛灰的等離子體處理工藝采用等離子體熔融，玻璃體熔渣將金屬回收，煙氣凈化后排放。飛灰中的二噁英由于受到活性粒子作用和熱作用，分解為CO2、H2O、HCl等物質(zhì)，重金屬則被固化形成玻璃體結(jié)構(gòu)，從而避免了二次污染。

四、等離子體爐型技術(shù)對(duì)比

根據(jù)上文對(duì)等離子體處理技術(shù)的分析，等離子體處理裝置可用于處理有機(jī)物廢物和無(wú)機(jī)物廢物。針對(duì)原始廢物的特性，等離子體處置裝置可以分為等離子體氣化熔融爐和等離子體熔融爐。

（一）等離子體氣化熔融爐

采用等離子體氣化技術(shù)處理危險(xiǎn)廢物的設(shè)備是等離子體氣化熔融爐。氣化熔融爐的爐體為鋼制直立式容器，爐體內(nèi)襯耐火材料。氣化熔融爐的熱源是安裝在爐體下部沿壁均布的金屬電極等離子體炬（也叫等離子體噴槍或等離子體電弧發(fā)生器）。金屬電極等離子體炬需要的工作氣體可以是含氧氣體（空氣、富氧或純氧）或惰性氣體。等離子氣化熔融爐所需的氧化劑氣體可從外部鼓入，充分利用固體廢物自身熱值。在爐內(nèi)高溫條件下（爐內(nèi)上部可達(dá)900℃至1000℃，爐內(nèi)下部可達(dá)1600℃至1700℃），廢物中的有機(jī)成分轉(zhuǎn)化成低熱值合成氣，無(wú)機(jī)成分則形成玻璃體渣，以熔融態(tài)形式排出。

（二）等離子體熔融爐

等離子體熔融爐主要用于處理無(wú)機(jī)物危險(xiǎn)廢物，由于爐體上部未設(shè)計(jì)氣化區(qū)域，爐體本身僅靠熔池部分來(lái)熔融無(wú)機(jī)物成分，爐型體積相對(duì)氣化熔融爐較小，結(jié)構(gòu)較氣化熔融爐簡(jiǎn)單，運(yùn)行也相對(duì)穩(wěn)定。等離子體熔融爐的主要部件包括鋼制爐體和內(nèi)襯耐酸、耐磨、耐高溫和耐交變溫度應(yīng)力的耐火材料，爐內(nèi)設(shè)進(jìn)料口、等離子炬口、觀察口等。

廢物進(jìn)入等離子體反應(yīng)爐后，在爐內(nèi)高溫條件下（熔融區(qū)域可達(dá)1400℃至1600℃），其中少量有機(jī)成分發(fā)生氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成煙氣，無(wú)機(jī)成分在爐底部被熔融形成熔渣，采用直接水淬法出渣，得到砂礫狀的玻璃體渣，玻璃體渣經(jīng)撈渣機(jī)送至緩存料斗進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)箱，經(jīng)小車(chē)送至?xí)捍鎺?kù)暫存。1500℃以上的高溫不但可使廢渣焚燼燒透，還從源頭上避免了產(chǎn)生二噁英。

表2 爐型對(duì)比分析表

在反應(yīng)過(guò)程中，需要添加適量輔料，如石灰石，碎玻璃等。石灰石的作用是增加熔漿的流動(dòng)性，同時(shí)起到一定的酸堿中和作用，碎玻璃的作用是添加SiO2，以形成玻璃體。

（三）爐型對(duì)比分析

根據(jù)等離子體氣化熔融爐與等離子體熔融爐的對(duì)比分析，綜合考慮難以處置的原生廢物特性以及等離子體技術(shù)目前的成熟度，等離子體熔融爐操作運(yùn)行更為簡(jiǎn)單，且更適合用于處置低熱值有機(jī)危險(xiǎn)廢物或無(wú)機(jī)危險(xiǎn)廢物。

圖2 等離子體熔融處置低熱值危險(xiǎn)廢物工藝流程圖

五、低熱值危險(xiǎn)廢物的等離子體工藝處置方案

（一）處置對(duì)象及處置方案

低熱值污泥、焚燒處置爐渣、飛灰等危險(xiǎn)廢物的有機(jī)物含量低、熱值較低，采用焚燒工藝能耗高、減量化效果不明顯，且其產(chǎn)物仍為爐渣，仍屬于危險(xiǎn)廢物，達(dá)不到無(wú)害化目的，因此不適合采用傳統(tǒng)的焚燒工藝進(jìn)行處置。

對(duì)于熱值較低的有機(jī)危險(xiǎn)廢物或無(wú)機(jī)危險(xiǎn)廢物（如爐渣、飛灰、低熱值污泥等），優(yōu)先采用等離子體熔融爐處置的技術(shù)方案。針對(duì)這三種原料特性的處置方式如下：

（1）爐渣預(yù)處理：對(duì)于尺寸比較大不能直接入爐的爐渣，應(yīng)先經(jīng)破碎處理后再進(jìn)入爐渣進(jìn)料倉(cāng)。

（2）混合：收集的焚燒飛灰先進(jìn)入飛灰緩沖倉(cāng)，并將工業(yè)危險(xiǎn)廢物（低熱值污泥等）一起添加至造粒機(jī)內(nèi)進(jìn)行混合。

（3）造粒：原料進(jìn)入造粒機(jī)后，通過(guò)擠壓等方式，將固體粉料粘結(jié)成粒度均勻的小顆粒。

（4）干化：造粒后的成品通過(guò)皮帶輸送進(jìn)入干化機(jī)內(nèi)進(jìn)行干化，干化后的物料再進(jìn)入等離子體熔融爐進(jìn)行處理。

（二）等離子體處置系統(tǒng)工藝流程圖

等離子體熔融系統(tǒng)處置低熱值危險(xiǎn)廢物的工藝流程包含原料預(yù)處理單元、等離子體熔融處置單元。

（1）原料預(yù)處理單元細(xì)分為爐渣破碎處置和飛灰、低熱值污泥造粒干化處置。

（2）等離子體熔融處置單元細(xì)分為等離子體熔融處置、煙氣凈化處理、廢水處理。

（三）工藝路線設(shè)計(jì)

常規(guī)的等離子體處置系統(tǒng)可采用的工藝路線為：原料預(yù)處理系統(tǒng)+物料緩存進(jìn)料系統(tǒng)+等離子體熔融爐+二燃室+余熱鍋爐（含SNCR裝置）+急冷塔+干法脫酸系統(tǒng)+布袋除塵器+兩級(jí)濕法脫酸系統(tǒng)+濕電除塵+引風(fēng)機(jī)+SGH換熱器+SCR反應(yīng)器+煙囪，排放煙氣滿足《GB18484-2020危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

等離子體熔融處置及煙氣凈化系統(tǒng)一般由7個(gè)子系統(tǒng)組成：

（1）原料預(yù)處理系統(tǒng)：破碎裝置、造粒裝置、干燥裝置、混料裝置。

（2）物料緩存進(jìn)料系統(tǒng)：固體物料進(jìn)料裝置。

（3）等離子體熔融系統(tǒng)：熱解氣化危險(xiǎn)廢物中的有機(jī)成分以及熔融其他無(wú)機(jī)成分，實(shí)現(xiàn)廢物的徹底處理，包括等離子體熔融爐、進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、出口煙道等。

（4）等離子體炬、燃燒器系統(tǒng)：由等離子體炬、循環(huán)冷卻水、柴油/天然氣燃燒器、閥組撬塊等設(shè)備組成。

（5）煙氣余熱利用及處理系統(tǒng)：由二燃室、余熱鍋爐（含SNCR裝置）、急冷塔、消石灰與活性炭噴射裝置、布袋除塵器、兩級(jí)濕法脫酸塔、濕電除塵器、引風(fēng)機(jī)、SGH換熱器、SCR反應(yīng)器等設(shè)備組成。

（6）電控系統(tǒng)：由DCS控制系統(tǒng)、儀器儀表和電纜及配件等設(shè)備組成。

（7）公用工程：壓縮空氣、氮?dú)庵苽湎到y(tǒng)及相應(yīng)儲(chǔ)罐。

（四）工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)已運(yùn)行或正在建設(shè)的項(xiàng)目案例，大部分等離子體熔融處置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模一般在30t/d至50t/d左右，處置原料成分基本為爐渣、飛灰、低熱值污泥。

（1）低熱值污泥

低熱值污泥的來(lái)料方式通常為噸袋，通過(guò)噸袋提升機(jī)提升至噸袋夾緊裝置，送入污泥造粒機(jī)和干化機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，處理后的污泥直接卸入污泥緩沖倉(cāng)暫存，全程采用密閉形式，保證無(wú)臭氣泄露。

（2）焚燒爐渣

熔融爐焚燒系統(tǒng)的爐渣進(jìn)料要求，根據(jù)需要配置爐渣破碎機(jī)。須滿足以下要求：

①含水率≤5%。

②物料尺寸20mm±2mm，篩余≤15%。

（3）焚燒飛灰

由噸袋儲(chǔ)運(yùn)的飛灰通過(guò)氣力輸送機(jī)自飛灰噸袋提升至飛灰緩沖倉(cāng)，緩沖倉(cāng)下部設(shè)有稱重設(shè)備，經(jīng)過(guò)計(jì)算與水的合理配比后進(jìn)入造粒機(jī)，處理后的物料直接卸入飛灰緩沖倉(cāng)。整個(gè)流程采用全封閉形式，在造粒機(jī)上部設(shè)有倉(cāng)頂除塵器，對(duì)產(chǎn)生的二次揚(yáng)塵進(jìn)行捕集，防止揚(yáng)塵泄露情況的發(fā)生。

（4）輔料配置及混料系統(tǒng)

輔料設(shè)計(jì)為碎玻璃及石灰石，來(lái)料方式為袋裝噸袋，通過(guò)噸包卸料站將噸袋內(nèi)的物料卸入相應(yīng)輔料緩沖倉(cāng)進(jìn)行暫存。

上述5種物料進(jìn)入各自的物料緩沖倉(cāng)，通過(guò)控制緩沖倉(cāng)底部的振動(dòng)給料機(jī)卸料量，將物料排至皮帶輸送機(jī)上送入混料機(jī)，混料完成后，通過(guò)輸送機(jī)提升至進(jìn)料緩沖倉(cāng)，經(jīng)倉(cāng)下稱重后，通過(guò)水冷螺旋送入等離子體熔融爐。

（5）等離子體熔融裝置

處置物料運(yùn)送至等離子體爐上料區(qū)，通過(guò)螺旋推入等離子體熔融爐。有機(jī)成分會(huì)在等離子體及高溫作用下裂解氣化，熔融區(qū)溫度達(dá)到1450℃至1600℃以上，等離子爐出口煙氣達(dá)到1000℃以上。煙氣進(jìn)入二燃室后，在1100℃高溫下停留時(shí)間大于2秒。

六、結(jié)論

等離子體爐可處理各種危險(xiǎn)廢物，包含高熱值有機(jī)廢物、低熱值有機(jī)廢物以及無(wú)機(jī)廢物。若處置危險(xiǎn)廢物種類(lèi)含有大量高熱值有機(jī)廢物時(shí)，通常等離子體爐型選用氣化熔融的方式，理論上可以替代傳統(tǒng)的焚燒設(shè)備。但限于等離子體爐型技術(shù)的成熟度，目前等離子體處置技術(shù)仍以熔融為主、氣化為輔，等離子體爐型更傾向于選用熔融爐。

等離子體熔融爐的優(yōu)勢(shì)在于更適用于處置傳統(tǒng)焚燒設(shè)備難以處置的低熱值危險(xiǎn)廢物，主要為焚燒爐渣、飛灰、低熱值有機(jī)污泥等。本文針對(duì)這三種原料給出了可行的處置方式，但真正在工程項(xiàng)目范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用仍需要繼續(xù)深入研究，在具體實(shí)施過(guò)程中仍有較大的改進(jìn)空間。