基于熱解和等離子熔融多工藝協同危廢處置技術研究和應用

周云端，胡安寶，王東東，張春飛，段 捷

（1.航天推進技術研究院，陜西 西安 710021；2.西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 710021）

0 引言

危險廢棄物簡稱危廢，是指列入國家《國家危廢名錄》（以下簡稱名錄），或根據國家規定的技術標準和鑒定方法認定的具有毒性、腐蝕性、易燃性、反應性或感染性的廢物，種類包括固態、半固態和液態廢物。隨著我國經濟不斷發展，工業化水平不斷提升，城市危廢產量也在逐年增加，全國危廢年產量從2009年的829.6 萬t 增加到2019年的2 977.9 萬t[1，2]。為降低危廢對生態環境及居民健康帶來的危害，近年來政府先后出臺清廢行動政策，推動危廢處置及資源化利用[3]。目前危廢最主要的處置方式為填埋或焚燒，填埋需占用大量土地，同時對周邊環境影響較大[4,5]，故很多地方政府不再批復危廢填埋項目。焚燒是危廢處置及資源化利用的最有效方式[6-8]，但危廢焚燒產生大量煙氣和飛灰（飛灰約占危廢處理量的15%～25%），飛灰中含有大量重金屬、二噁英等有害物質，仍需進行填埋處理，因此焚燒處置危廢的無害化程度低。

基于中溫熱解和高溫等離子熔融多工藝協同危廢處置系統采用熱解、等離子熔融、余熱利用、煙氣凈化4 個裝置系統協同處置方法，在貧氧環境下先通過中溫熱解對危廢進行減量化處理[9]，再將減量后的熱解殘渣送入高溫等離子熔融裝置中進一步高溫氣化熔融后以玻璃態形式排出[10]，實現固態殘渣的無害化處理。處置過程中產生的高溫煙氣先進入余熱利用系統烘砂實現余熱資源化利用，再經煙氣凈化裝置實現高效凈化。由于該組合工藝系統的熱解和等離子高溫熔融均在貧氧環境下進行危廢處置，故可在危廢處理的源頭上遏制二噁英的形成[6,11,12]。同時利用等離子高溫熔融使固態有害成分固化在玻璃體里，大幅度減少危廢的體積和質量[10]。中溫熱解使得危廢大幅減量從而降低了高溫等離子熔融處置量，解決了高溫等離子系統高能耗問題，2 種系統相結合實現取長補短，達到很好的經濟性。

1 工藝流程

基于熱解和等離子熔融多工藝協同危廢處置與煙氣余熱利用技術工藝流程，見圖1。由圖1可以看出，危廢先進入破碎機破碎后送入中溫熱解裝置中進行減量化處理，再將減量后的熱解碳渣送入高溫等離子熔融裝置中高溫氣化熔融后經水淬以無害玻璃體形態排出[13]，熱解尾氣進入煙氣凈化裝置凈化處理。熱解裝置和等離子熔融裝置產生的高溫煙氣混合后進入余熱鍋爐經換熱后降溫為中溫煙氣，再經煙氣凈化裝置凈化和煙氣再熱器再熱后達標排放；余熱鍋爐產生蒸汽，一部分蒸汽作為煙氣再熱器熱源，另一部分進入烘砂裝置進行烘砂實現煙氣余熱資源化利用。

圖1 系統工藝流程示意

1.1 熱解裝置

熱解裝置主要包括帶5°傾角的熱解爐、除塵器、熱解氣燃燒室、熱解氣風機、助燃風機、混合風機、尾氣風機等。熱解爐為間接加熱的間壁式回轉窯結構，危廢進入熱解爐內筒在貧氧環境下熱解，并隨著內筒轉動從窯頭向窯尾流動，最終形成熱解碳渣從窯尾排出[6]。危廢在熱解過程中產生溫度約550 ℃左右的熱解氣，經除塵器除塵后進入燃燒室進一步燃燒變成1 100 ℃左右的高溫煙氣，一部分高溫煙氣經混風降為700 ℃煙氣后進入熱解爐間壁層作為熱解熱源對回轉內筒加熱，換熱后煙氣降為500 ℃熱解尾氣從回轉窯窯頭排出；另一部分高溫煙氣進入余熱利用裝置。熱解爐回轉內筒為貧氧環境，該環境可從源頭上抑制二噁英生成。熱解碳渣和除塵器收集的飛灰在螺旋冷渣機內混合后進入等離子熔融裝置進一步處置。除塵器為鐵鋁金屬膜除塵器，最高工作溫度達750 ℃，可在熱解氣燃燒前去除大量粉塵，熱解氣除塵器可降低后續煙氣凈化系統除塵負荷，同時可抑制煙氣中的二噁英前驅物，減少二噁英再合成概率。

1.2 等離子熔融裝置

等離子熔融裝置主要包括進料裝置、等離子爐、等離子炬、二燃室、水池、助燃風機等。進料裝置中熱解出料先進入造粒機造粒后與焦炭、玻璃等分別通過稱重皮帶按一定比例配伍后經皮帶輸送機和進料螺旋送入等離子爐進行高溫熔融處理，高溫熔漿從爐底排出后進入水池經水淬形成無害玻璃體，等離子爐產生的高溫煙氣進入二燃室進一步燃燒，燃燒溫度高于1 100 ℃，使CO，H2等可燃氣體充分燃燒反應后變成CO2，H2O 等無害氣體。等離子爐上安裝的等離子炬在爐內形成高溫等離子體還原性氣氛（＞1 500 ℃），抑制了危廢熔融過程二噁英的合成。

1.3 余熱利用裝置

余熱利用單元主要包括余熱鍋爐、再熱器、換熱器、烘砂機、鼓風機、引風機、水箱、給水泵等。熱解氣燃燒室和等離子裝置二燃室產生的高溫煙氣進入余熱鍋爐換熱產生蒸汽，一部分蒸汽進入再熱器加熱凈化后的煙氣溫度達到135 ℃；另一部分蒸汽在換熱器中與空氣換熱形成熱空氣進入烘砂機。烘砂機為螺旋回轉式結構，熱空氣從烘砂機尾部進入與機內砂石進行熱交換后，從烘砂機進料處排出，通過旋風分離器分離后排空。濕砂從烘砂機前端進料斗進入烘砂機，隨著螺旋回轉機構在烘砂機內與熱空氣換熱，并翻轉流向尾部，干砂從尾部出砂口排出。再熱器和換熱器產生的凝結水進入水箱，利用鍋爐給水泵再次輸送到鍋爐加熱產生蒸汽。

1.4 煙氣凈化裝置

煙氣凈化裝置包括脫銷、急冷、干法脫酸、除塵、堿洗、煙氣再熱等單元。煙氣凈化的脫銷采用SNCR脫銷方法，在余熱鍋爐前的高溫煙氣管道及作為熱解熱源煙氣管道內均設置噴槍噴射尿素溶液以消除煙氣中NOx；鍋爐煙氣和熱解尾氣先利用急冷塔急冷后進入干法脫酸塔脫除煙氣中部分酸性成分后再進入布袋除塵器去除煙氣飛灰和干法脫酸產生的飛灰，除塵后的煙氣通過引風機送入堿洗塔進一步堿洗脫酸后進入再熱器加熱至135 ℃后通過煙囪排放；急冷工藝是將500 ℃煙氣通過急冷塔噴入工藝水在1 s 內降至200 ℃以下以避開二口惡英生成溫度區間防止其再合成[14]；干法脫酸通過向煙氣噴射活性碳粉和小蘇打，分別吸附煙氣中殘留重金屬和中和煙氣的酸性成分，干法脫酸酸性成分脫除率為30%～40%。除塵采用布袋除塵器。堿洗工藝采用NaOH 溶液洗滌，進一步洗滌煙氣酸性成分及煙塵。煙氣再熱利用蒸汽換熱將堿洗后的煙氣由70 ℃升至135 ℃排放，避免煙氣排放口有白煙現象。

2 應用案例

2.1 危廢特性及處理規模

某企業危廢物料的主要成分為廢油漆渣（HW12），基于以上工藝設計開發的多工藝協同處置與資源化利用系統處理規模為熱解裝置處理量為1 t/h、等離子焙融裝置處理量為0.25 t/h，物料主要工業成分及元素成分（25 ℃）見表1。

表1 物料工業成分及元素成分%

2.2 生產消耗及排放情況

處理量為1 t/h 熱解單元、處理量為0.25 t/h 等離子熔融單元、余熱利用單元、煙氣凈化單元集成的多工藝協同危廢處置與資源化利用系統每小時生產消耗及排放的理論計算和實際試驗結果對比見表2、表3。

表2 每小時生產消耗量（理論計算與實際消耗）kg

表3 每小時排放情況對比

由表2、表3可以看出，理論分析與實際試驗結果基本一致。油漆渣危廢處置中的生產消耗主要包括等離子熔融過程消耗的焦炭和碎玻璃以及煙氣凈化中消耗的尿素溶液、小蘇打、活性炭和堿液等。系統排放物主要包括煙氣、玻璃體殘渣、飛灰、雜鹽等，煙氣凈化后達標排放，玻璃體殘渣經監測無害后用于建材或噴丸材料，飛灰和雜鹽作為殘留危廢送填埋場填埋，雜鹽和飛灰總量為36 kg/h，因此系統無害化率達到96.4%。另外余熱產生蒸汽（184 ℃，1 MPa）除了系統自身煙氣再熱消耗以外，還可用于烘砂機烘砂，實際運行過程中可節約87 m3/h 烘砂機使用的天然氣用量。

2.3 玻璃體浸出毒性

該危廢處置與資源化利用系統主要排放物中玻璃體殘渣主要浸出毒性監測結果（未檢出毒性的成分未在表中列出），見表4。由表4可以看出，玻璃體殘渣浸出毒性遠小于GB 5085—2007 《危廢鑒別標準 浸出毒性鑒別》浸出毒性限值要求。根據《固體廢物玻璃化處理產物技術要求》征求意見稿，玻璃體殘渣可作為路基材料、混凝土骨料、摻合料或水泥混合材料等建筑材料或噴砂原料。

2.4 煙氣排放污染分析

在系統連續穩定運行168 h 過程中，利用在線監測系統和取樣口取樣監測方式對煙氣排放污染物進行連續監測，監測結果見表5。由表5可以看出，煙氣經SNCR+干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵+堿洗多工藝煙氣凈化單元凈化后的排放指標優于GB 18484—2000《危廢焚燒污染控制》標準煙氣排放限值要求。

表5 煙氣排放指標 mg·m-3

3 結論

基于中溫熱解和高溫等離子熔融多工藝協同危廢處置與資源化利用系統利用熱解、等離子熔融、余熱利用、煙氣凈化等多工藝協同進行危廢處置，相對于目前危廢焚燒工藝具有以下優勢：

（1）中溫熱解危廢處置與高溫等離子熔融多工藝相結合使等離子單元危廢處置量顯著減少，不僅降低了危廢處置成本，同時也解決了熱解危廢處置無害化率低及等離子處置成本高的問題；

（2）等離子熔融工藝將熱解碳渣進一步高溫熔融，以無害玻璃體排出，危廢無害化減量達到96.4%，實現危險廢物的高效無害化；

（3）煙氣余熱換熱后為烘砂機提供熱源，可節約烘砂機天然氣使用量，實現余熱資源就地使用，避免余熱資源浪費；

（4）采用“SNCR+干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵+堿洗”的工藝流程凈化后的煙氣排放指標遠小于國家標準要求，實現煙氣超低排放。