危險(xiǎn)廢物焚燒處理工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

劉元虎，王兆豐，葛錫印

(山東郯創(chuàng)環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司，山東 臨沂 276100)

危險(xiǎn)廢物的無害化處理不僅是響應(yīng)國(guó)家環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略舉措的重要組成部分，更是構(gòu)建人類安全生存環(huán)境的重要保障。尤其是近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力與工業(yè)化水平不斷提升，工業(yè)產(chǎn)出的危險(xiǎn)廢物產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，如何安全、高效、可循環(huán)處理和利用危險(xiǎn)廢物已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。基于危險(xiǎn)廢物種類多、性質(zhì)分散的特性，危險(xiǎn)廢物的處置手段和措施也不盡相同。按照危險(xiǎn)廢品的特性，一般可分為資源化處理、減量處理和最終處置三種處理方式。其中，資源化處理方式又包括危險(xiǎn)廢物的直接利用、回收再利用和能源化利用三種模式[1]。減量處理最典型的是將危險(xiǎn)廢物焚燒處理，再將焚燒殘?jiān)M(jìn)行固化和安全填埋[2-3]。最終處理是指對(duì)危險(xiǎn)廢物無法進(jìn)行回收利用，且經(jīng)過減量處理之后的部分作最終無害化處置，一般采用固化封閉后安全存放的方法[4]。

然而，危險(xiǎn)廢物在焚燒處理過程中由于焚燒工藝、技術(shù)的差距依然可能產(chǎn)生低效、高耗能、二次污染等問題。黃峰[5]從危險(xiǎn)廢物處理的安全和環(huán)保隱患角度出發(fā)，提出了焚燒技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新措施。運(yùn)嘉寧[6]從回轉(zhuǎn)窯的焚燒工藝方案、結(jié)構(gòu)計(jì)算、耐火材料和設(shè)備清單編寫入手，通過調(diào)整焚燒參數(shù)，提升了回轉(zhuǎn)窯危險(xiǎn)廢物處置效率。李文[7]針對(duì)醫(yī)藥行業(yè)危險(xiǎn)廢物特點(diǎn)，提出了采用活性炭吸附、高級(jí)氧化脫硝等工藝進(jìn)而利用回轉(zhuǎn)窯焚燒處理醫(yī)療危險(xiǎn)廢物的可行性。眾多研究人員和工程實(shí)踐人員針對(duì)危險(xiǎn)廢品的焚燒處理工藝的優(yōu)化研究已取得一定的成果，并在工程實(shí)踐中得到應(yīng)用。但目前國(guó)內(nèi)眾多危險(xiǎn)廢品焚燒處理裝置建設(shè)完成后，在實(shí)際應(yīng)用中依然存在許多需要改進(jìn)的工藝與措施。本文通過具體分析國(guó)內(nèi)主流危險(xiǎn)廢物焚燒處理工藝流程和方法，進(jìn)而詳細(xì)闡述工程實(shí)踐過程中存在的問題和尚需改進(jìn)的地方，可為危險(xiǎn)廢物焚燒處置的工藝設(shè)計(jì)與選址建廠提供技術(shù)參考。

1 危險(xiǎn)廢物焚燒工藝流程

危險(xiǎn)廢物的焚燒處置裝置主要包括預(yù)處理/配伍系統(tǒng)[8]、進(jìn)料系統(tǒng)、焚燒處理系統(tǒng)等。危險(xiǎn)廢物處理的每個(gè)過程工藝相輔相成，均對(duì)危險(xiǎn)廢物的無公害處理起到至關(guān)重要的作用。

1.1 危險(xiǎn)廢物預(yù)處理/配伍系統(tǒng)

在危險(xiǎn)廢物焚燒處置實(shí)際操作中，因受爐內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)大、尾氣超標(biāo)等問題影響，整套焚燒系統(tǒng)很難穩(wěn)定、安全、環(huán)保運(yùn)行，因此危險(xiǎn)廢物輸送入回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)之前，需要進(jìn)行預(yù)處理，即需要根據(jù)物料的化學(xué)組成、發(fā)熱量等參數(shù)進(jìn)行配伍預(yù)處理，并嚴(yán)格禁止不相容廢物進(jìn)入焚燒爐，以保證焚燒安全、穩(wěn)定，提高爐體壽命。目前危險(xiǎn)廢物配伍主要分為三級(jí)。一級(jí)配伍是指市場(chǎng)層級(jí)的配伍，即需要了解市場(chǎng)上的危險(xiǎn)廢物類別、數(shù)量、性質(zhì)等，并制定詳細(xì)的市場(chǎng)收集與快速處理體制。二級(jí)配伍主要指廠區(qū)內(nèi)的配伍，即要求專業(yè)檢測(cè)人員對(duì)危險(xiǎn)廢物進(jìn)行分析檢測(cè)，科學(xué)搭配焚燒物料，并出具詳細(xì)的配伍方案。三級(jí)配伍主要是焚燒系統(tǒng)的料坑內(nèi)的配伍，也是危險(xiǎn)廢物收集后的二次配伍，本次配伍的有效性最終決定焚燒系統(tǒng)的處置效率與穩(wěn)定性。

1.2 危險(xiǎn)廢物進(jìn)料系統(tǒng)

根據(jù)危險(xiǎn)廢物的運(yùn)輸包裝形式的不同，危險(xiǎn)廢物進(jìn)料系統(tǒng)包括散裝廢物進(jìn)料系統(tǒng)、桶狀固體廢物進(jìn)料系統(tǒng)、廢液進(jìn)料系統(tǒng)，目前進(jìn)料系統(tǒng)已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，并納入實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)。進(jìn)料系統(tǒng)的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 危險(xiǎn)廢物進(jìn)料系統(tǒng)流程圖

1.3 焚燒處理系統(tǒng)

焚燒處理系統(tǒng)主要包括回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、煙氣凈化排放系統(tǒng)、灰渣系統(tǒng)，整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)廢物的無公害處理。其中，回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)主要由回轉(zhuǎn)窯設(shè)備組成，回轉(zhuǎn)窯是危險(xiǎn)廢物焚燒的主要設(shè)備，在回轉(zhuǎn)窯中危險(xiǎn)廢物被徹底焚燒成為高溫?zé)煔夂突以?，高溫?zé)煔夂突以鼜母G尾進(jìn)入二燃室，該過程充分保證了有害物質(zhì)在高溫作用下充分分解。余熱回收系統(tǒng)主要有余熱鍋爐和汽水系統(tǒng)組成，從余熱鍋爐中出來的煙氣進(jìn)入噴淋塔，實(shí)現(xiàn)煙氣的迅速冷卻。進(jìn)噴淋塔降溫后的煙氣進(jìn)入煙氣凈化排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步對(duì)危險(xiǎn)廢物焚燒產(chǎn)生的有害氣體、周重金屬離子進(jìn)行無害化處理，最后經(jīng)過煙囪排入大氣，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)廢物的環(huán)保處理。危險(xiǎn)廢物經(jīng)過焚燒后留下的灰渣將進(jìn)入灰渣處理系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)窯、二燃室、余熱鍋爐、噴淋塔、布袋除塵器均會(huì)單獨(dú)產(chǎn)生灰渣和飛灰，這些灰渣和飛灰經(jīng)水淬后送入封閉渣箱內(nèi)暫存，最后確定無資源回收利用價(jià)值后運(yùn)到填埋場(chǎng)進(jìn)行集中填埋處理。焚燒處理系統(tǒng)工藝流程圖如圖2所示。

圖2 焚燒處理系統(tǒng)工作流程圖

2 焚燒處理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)作為焚燒處理系統(tǒng)的重要組成部分，其工作穩(wěn)定性、安全性直接關(guān)于危險(xiǎn)廢物的處理效率、環(huán)境保護(hù)等。但目前國(guó)內(nèi)危險(xiǎn)廢物處理中心的回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)因溫度波動(dòng)大、故障率高等因素，嚴(yán)重制約了危險(xiǎn)廢物的處置效率，因此有必要構(gòu)建回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的溫?zé)醾鲗?dǎo)模型，進(jìn)而尋求優(yōu)化改進(jìn)措施。

2.1 回轉(zhuǎn)窯工作溫度變化分析

危險(xiǎn)廢物進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行焚燒處理，回轉(zhuǎn)窯的控制溫度一般設(shè)定在850℃，但是在實(shí)際操作中回轉(zhuǎn)窯的工作溫度波動(dòng)較大。圖3給出了國(guó)內(nèi)某焚燒處理廠內(nèi)回轉(zhuǎn)窯的工作溫度實(shí)時(shí)變化曲線。由圖3分析可知，回轉(zhuǎn)窯的工作溫度存在一定波動(dòng)，圍繞在設(shè)定的溫度值上下浮動(dòng)。回轉(zhuǎn)窯溫度的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致額外停機(jī)、燃料消耗增加、尾氣排放不達(dá)標(biāo)等一系列問題，因此在國(guó)內(nèi)危險(xiǎn)廢物的處理過程中尤其要注意回轉(zhuǎn)窯溫度變化，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

圖3 回轉(zhuǎn)窯工作溫度變化曲線

2.2 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)穩(wěn)態(tài)傳熱模型構(gòu)建

前面分析可知，回轉(zhuǎn)窯溫度波動(dòng)較大會(huì)對(duì)危險(xiǎn)廢物的處理帶來較大影響，而在危險(xiǎn)廢物進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯之前和爐內(nèi)焚燒時(shí)，主要進(jìn)行了進(jìn)料、焚燒工藝控制、輔助燃料和風(fēng)機(jī)等流程。因此可以得出，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)焚燒溫度的變化主要受焚燒工藝、進(jìn)料組成、輔助燃料和風(fēng)機(jī)等綜合影響。此外，回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)焚燒溫度變化產(chǎn)生一定的影響。在危險(xiǎn)廢物焚燒處理實(shí)際工程應(yīng)用中，回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)工藝在建設(shè)初期已完成，無法改進(jìn)，輔助燃料和風(fēng)機(jī)在以往眾多的工程實(shí)踐應(yīng)用中的已有較好的處理方式；焚燒工藝控制過程已經(jīng)構(gòu)建合適的控制軟件系統(tǒng)以達(dá)到適用回轉(zhuǎn)窯焚燒大時(shí)滯性的控制過程。因此，本文通過構(gòu)建以進(jìn)料系統(tǒng)為自變量的回轉(zhuǎn)窯溫度穩(wěn)態(tài)模型，尋求更為合理進(jìn)料方式，確保回轉(zhuǎn)窯溫度穩(wěn)定運(yùn)行，提高回轉(zhuǎn)窯危險(xiǎn)廢物處置效率，降低回轉(zhuǎn)窯的故障率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

以進(jìn)料方式為自變量構(gòu)建回轉(zhuǎn)窯溫度穩(wěn)態(tài)模型，首先要考慮的是危險(xiǎn)廢物配伍后混合危險(xiǎn)廢物的熱值穩(wěn)定性，同時(shí)兼顧焚燒尾氣處理。本文通過構(gòu)建危險(xiǎn)廢物焚燒預(yù)處理系統(tǒng)，以建立回轉(zhuǎn)窯溫度穩(wěn)態(tài)模型，構(gòu)建過程如圖4所示。

圖4 回轉(zhuǎn)窯溫度穩(wěn)態(tài)模型構(gòu)建流程

在此過程中，需要注意的是，回轉(zhuǎn)窯溫度穩(wěn)態(tài)模型構(gòu)建的前提是回轉(zhuǎn)窯溫度的穩(wěn)定，在此前提下再進(jìn)行危險(xiǎn)廢物焚燒的經(jīng)濟(jì)性、尾氣排放等。因此，經(jīng)濟(jì)性的前提是危險(xiǎn)廢物的無公害處理，而尾氣排放后可以再通過尾氣凈化系統(tǒng)二次處理，不會(huì)對(duì)環(huán)境和大氣產(chǎn)生影響。此外，回轉(zhuǎn)窯溫度穩(wěn)態(tài)模型的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)應(yīng)建立限制條件，本文將限制條件確定為回轉(zhuǎn)窯溫度上下波動(dòng)≤20℃、危險(xiǎn)廢物焚燒效率≥95%、物料消耗盡可能小。通過構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算出滿足約束條件下的配伍和進(jìn)料方式，即是我們需要的目標(biāo)值。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)分析了國(guó)內(nèi)危險(xiǎn)廢物焚燒處置的工藝過程，詳細(xì)介紹了危險(xiǎn)廢物處理過程中的預(yù)處理/配伍系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、煙氣凈化排放系統(tǒng)、灰渣系統(tǒng)等處理工藝原理。其次，從國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用廣泛的危險(xiǎn)廢物焚燒處理工藝入手，分析了危險(xiǎn)廢物焚燒處理系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)窯焚燒溫度波動(dòng)較大的原因。以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建了以進(jìn)料方式為自變量的回轉(zhuǎn)窯穩(wěn)態(tài)溫度控制模型，最后通過實(shí)驗(yàn)分析得出危險(xiǎn)廢物最佳配伍和進(jìn)料處理方法。實(shí)例應(yīng)用分析表明，在現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)、焚燒工藝過程控制、輔助燃料和風(fēng)機(jī)條件下，通過構(gòu)建合適的危險(xiǎn)廢物配伍和進(jìn)料方式，可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)危險(xiǎn)廢物焚燒處理溫度的穩(wěn)定，不僅可以提高危險(xiǎn)廢品的處置效率，降低有毒有害尾氣的排放，更實(shí)現(xiàn)了降低燃料成本和提升經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)，可為創(chuàng)建危險(xiǎn)廢物焚燒處置設(shè)施和工藝的構(gòu)建提供技術(shù)依據(jù)。