高黏度危廢物料性質及焚燒可行性研究

鄭景華 張茗茜 郭瑩瑩 馮子闖 于皓

*1 任桐2

（1. 遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2. 阜新環發廢棄物處置有限公司，遼寧 阜新 123000）

1 引言

危險廢物是指列入國家危險廢物名錄或者根據國家規定的危險廢物鑒別標準和鑒別方法認定的具有危險特性的廢物。危險廢棄物具有腐蝕性、毒性、易燃性、反應性、感染性、危險性等特性，《國家危險廢物名錄》（2021 年版）已于2020 年11 月25 日公布［1］。焚燒法處置危險廢物可在高溫下最大程度地破壞危險廢物的有毒、有害成分，且可極大地減少危險廢物的體積為原體積的5%～15%［2］，就目前來說，焚燒是危廢處理與處置的主要方式之一，也是實現危險廢物減量化與無害化的有效途徑［3］。焚燒類危廢的形態主要為固態、半固態（包括黏稠物料）、液態3 種形式，固體廢物進料線主要將散裝固體廢物和半固態危險廢物輸送進入回轉窯內焚燒［4］。而化工行業生產過程中產生的大量蒸餾釜殘等高黏度黏稠物料，早已被我國列入危險廢物名錄。蒸餾釜殘等黏稠物料作為危險廢物的一種，因其黏度大，危害性強，在危廢焚燒系統進料時帶來極大困難，目前國內外研究相對較少，主要處置方式也是以協同處置方式為主［5］。如何實現快速、高效的焚燒系統進料［6-9］，同時減少進料過程中其對環境及人體的危害，對于高黏度危廢物料的處理與處置具有重要的實用價值和現實意義。

2 材料和方法

2.1 實驗材料

阜新市氟化工園區主要以無機氟化物、脂肪族氟化物、含氟高分子材料等核心產業項目為主。每年產生大量蒸餾釜殘等高黏度危廢物料。本文實驗用高黏度危廢物料來源于阜新市氟化工園區，秸稈、木屑來源于阜新周邊農田、木材加工廠，活性炭為其他工廠廢棄物。

2.2 實驗儀器與實驗方法

（1）黏度測試所用儀器為NDJ-8S 旋轉黏度計。

（2）熱值測量采用ZDHW-7000F 高精度液晶全自動量熱儀；在坩堝內稱取質量為1±0.1 g 的黏性物料，往氧彈中加入10 mL 蒸餾水，打開氧氣瓶閥門將減壓閥低壓表上的壓力調到2.8～3 MPa，充氧時間30 s，每次實驗充氧時間保持一致。

（3）熱解特性分析采用熱重分析儀。實驗步驟為先開機預熱3 h 左右，調節實驗所需要的溫度、升溫速率等參數，在坩堝中裝入實驗樣品，放入儀器內，點擊軟件進入測試階段［8］。

（4）元素分析采用X-光電子能譜儀（XPS），XPS是有效的元素分析方法之一。FROST 等首次應用XPS 研究焦煤中不同組分和煤中常見幾種無機礦物碳、氧、硫存在形式［10］，之后XPS 被廣泛應用于其他領域。

（5）摻和物配比。分別稱取一定量的秸稈、木屑和活性炭（各30 g），放入容器中，分別梯次加入高黏稠危廢物料（每次增加10 g），混合攪拌后，靜置48 h，直到有液體滲出為止，對比相同質量秸稈、木屑和活性炭對黏稠危廢物料的吸收程度。

（6）灰分檢測。坩堝處理：先用FeCl3藍墨水水溶液將坩堝編號，然后送入500～550 ℃高溫爐內灼燒30～60 min，取出坩堝放在爐門口外，待紅熱消失后，放入干燥器內冷卻至室溫，稱量，再灼燒、冷卻、稱量，直至前后2 次質量差不超過2 mg 為止。測定：用灼燒至恒溫的坩堝稱取粉碎試樣2～3 g（準確至0.000 2 g），放在電爐上錯開坩堝蓋，加熱至試樣完全炭化為止。然后把坩堝放在高溫爐口片刻，再移入爐膛內，錯開坩堝蓋，關閉爐門在500～550 ℃下灼燒2～3 h。取出坩堝冷卻至室溫，稱量。

灰分的質量分數按下式計算：

式中，w 為灰分，%；m 為試樣的質量，g；m0為坩堝的質量，g；m1為坩堝和灰分的質量，g。

3 結果與討論

3.1 基本理化性質

高黏度危廢物料3 次測量黏度平均值為2 200 mPa·s，黏度較大，適合于摻合料的加入；熱值為7 573 cal/g，遠遠超出危廢焚燒爐的燃燒熱值要求。

3.2 熱解特性

應用熱重分析儀，調節升溫速率為15 ℃/min，N2流量為30 mL/min，從室溫到800 ℃，熱重分析結果見圖1。

圖1 黏性物料TG-DTG 曲線

由圖1a TG 曲線可知，高黏度危廢物料在溫度升高過程中質量呈現下降趨勢，170 ℃前曲線下滑平緩；170 ℃為起始溫度，330 ℃為終了溫度，在此反應區間失重曲線迅速下降，失重變化幅度大；330 ℃后隨溫度升高曲線平穩，無明顯變化，物料總失重率為99.93%。由圖1b DTG 曲線可知，在DTG 曲線中，150～350 ℃出現了1 個明顯的失重峰，最大失重速率溫度為300 ℃，表明這一溫度下質量變化速率最大，當溫度高于350 ℃時，呈現較為平緩的失重趨勢。由此可見，危廢焚燒爐溫度（焚燒溫度一般高于1 200 ℃）完全滿足該危廢物料處理處置要求。

3.3 元素分析

為了更好地研究高黏度危廢物料的元素組成，對樣品進行了XPS 半定量分析，結果見圖2。

圖2 XPS 分析結果

圖2 實驗結果顯示，樣品中主要元素為C，O，Cl，其中C 含量最高，達到83.75%，檢測圖像呈單峰分布（見圖2a），起始于X 射線能量范圍299.5～280.7 eV，峰值出現在284.8 eV；O 元素占比11.66%，檢測圖像呈單峰分布（見圖2b），起始于X 射線能量范圍546.5～526.7 eV，峰值出現在532.29 eV；Cl 元素相對含量最低，占比4.59%，檢測圖像呈雙峰分布（見圖2c），分別起始于X 射線能量范圍211.5～191.7，204.3～201.9 eV，峰值分別出現在200.49，202.17 eV。

可見高黏度危廢物料Cl 元素含量并不高，焚燒處理過程中二 英的生成量較小，對周邊大氣環境的二次污染也較小，不影響該黏稠危廢物料焚燒處理［11-12］。

3.4 摻合料配比試驗

為了解決高黏度危廢物料焚燒進料難的問題，進行摻合料的配比實驗。分別稱取一定量的秸稈、木屑、活性炭，在105 ℃下烘干4 h，測量3 種材料的熱值和灰分，測量結果見表1。

表1 3 種配比材料熱值和灰分

物料焚燒后，因產生的灰渣依舊屬于危險廢物，按要求應對焚燒后灰渣進行安全填埋，焚燒后灰分的比例關系到后期的填埋成本。由表1 可見，木屑和秸稈灰分較低，分別為1.7%和3.7%，從灰分比例來看，兩者皆適合作為高黏度危廢物料的摻合料。

稱取秸稈、木屑、活性炭這些常見材料30 g 作為配比材料，分別按照10，20，30 g 的梯度依次加入高黏稠危廢物料，充分混合后靜置24 h，觀察底部是否有液體逸出。不同配比效果見圖3。

圖3 摻合料與黏稠危廢物料配比實驗

由上述分析可知，秸稈、木屑、廢活性炭與高黏度危廢物料混合，便于抓斗上料的合適配比為1∶4.3，1∶4.0 和1∶2.0。考慮到摻合料與高黏度危廢物料的混合比例，秸稈和木屑作為摻合料可行。上述比例摻合后的混合物料基本性質見表2。

表2 混合物料基本性質

考慮回轉窯實際運行中對焚燒物料熱值的要求，按照秸稈、木屑與高黏度危廢物料1 ∶4.3，1 ∶4.0計算，混合后熱值分別為6 805，7 025 cal/g，兩者熱值均能滿足焚燒物料熱值要求。結合兩者灰分含量要求，兩者焚燒后灰分較少，處理過程中幾乎不產生爐渣，不涉及填埋成本。可見，木屑和秸稈上述兩種比例作為黏稠危廢物料的摻合料較合適。

考慮摻合料的經濟成本，阜新地區農業較發達，秸稈資源豐富，采購成本低，不存在物料稀缺問題，木屑因受到木材加工廠生產周期和生產規模的制約性因素較多，兩者相比較，秸稈作為高黏度危廢物料摻合料更可行。根據上述比例，處置1 t 黏稠危廢物料約需要0.23 t 秸稈，按照阜新當地2022 年秸稈市場價850 元/t 計算，秸稈成本約為196 元，處理過程中幾乎不產生爐渣，不涉及填埋成本。另一方面，秸稈熱值為4 236 cal/g，自身熱值偏低，與高熱值黏稠危廢物料混合后平均熱值約為6 805 cal/g，易燃，窯頭即可燃燒，窯頭可控制在正常溫度范圍。

4 結論

（1）高黏度危廢物料熱值為7 573 cal/g、最大失重速率溫度為300 ℃，很好地滿足焚燒系統熱值要求；Cl 元素含量占比僅為4.59%，焚燒后二 英的二次污染較小。

（2）木屑、秸稈與廢活性炭相比，更適合作為黏稠危廢物料摻合料，最佳質量比例為秸稈∶黏稠物料為1∶4.3，木屑∶黏稠物料為1∶4.0，無液體滲出，抓斗就可以實現進料。

（3）綜合阜新地區原材料的易得性、經濟性及焚燒爐焚燒條件等多方面因素考慮，秸稈可以作為高黏度危廢物料焚燒的摻合料。