危險廢物焚燒處理工藝優(yōu)化設計研究

劉元虎，王兆豐，葛錫印

(山東郯創(chuàng)環(huán)保科技發(fā)展有限公司，山東 臨沂 276100)

危險廢物的無害化處理不僅是響應國家環(huán)境保護戰(zhàn)略舉措的重要組成部分，更是構建人類安全生存環(huán)境的重要保障。尤其是近年來，隨著我國經濟實力與工業(yè)化水平不斷提升，工業(yè)產出的危險廢物產量快速增長，如何安全、高效、可循環(huán)處理和利用危險廢物已成為國內外學者研究的重點。基于危險廢物種類多、性質分散的特性，危險廢物的處置手段和措施也不盡相同。按照危險廢品的特性，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廢物焚燒處理，再將焚燒殘渣進行固化和安全填埋[2-3]。最終處理是指對危險廢物無法進行回收利用，且經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，危險廢物在焚燒處理過程中由于焚燒工藝、技術的差距依然可能產生低效、高耗能、二次污染等問題。黃峰[5]從危險廢物處理的安全和環(huán)保隱患角度出發(fā)，提出了焚燒技術的改進和創(chuàng)新措施。運嘉寧[6]從回轉窯的焚燒工藝方案、結構計算、耐火材料和設備清單編寫入手，通過調整焚燒參數(shù)，提升了回轉窯危險廢物處置效率。李文[7]針對醫(yī)藥行業(yè)危險廢物特點，提出了采用活性炭吸附、高級氧化脫硝等工藝進而利用回轉窯焚燒處理醫(yī)療危險廢物的可行性。眾多研究人員和工程實踐人員針對危險廢品的焚燒處理工藝的優(yōu)化研究已取得一定的成果，并在工程實踐中得到應用。但目前國內眾多危險廢品焚燒處理裝置建設完成后，在實際應用中依然存在許多需要改進的工藝與措施。本文通過具體分析國內主流危險廢物焚燒處理工藝流程和方法，進而詳細闡述工程實踐過程中存在的問題和尚需改進的地方，可為危險廢物焚燒處置的工藝設計與選址建廠提供技術參考。

1 危險廢物焚燒工藝流程

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

1.1 危險廢物預處理/配伍系統(tǒng)

在危險廢物焚燒處置實際操作中，因受爐內穩(wěn)定波動大、尾氣超標等問題影響，整套焚燒系統(tǒng)很難穩(wěn)定、安全、環(huán)保運行，因此危險廢物輸送入回轉窯系統(tǒng)之前，需要進行預處理，即需要根據物料的化學組成、發(fā)熱量等參數(shù)進行配伍預處理，并嚴格禁止不相容廢物進入焚燒爐，以保證焚燒安全、穩(wěn)定，提高爐體壽命。目前危險廢物配伍主要分為三級。一級配伍是指市場層級的配伍，即需要了解市場上的危險廢物類別、數(shù)量、性質等，并制定詳細的市場收集與快速處理體制。二級配伍主要指廠區(qū)內的配伍，即要求專業(yè)檢測人員對危險廢物進行分析檢測，科學搭配焚燒物料，并出具詳細的配伍方案。三級配伍主要是焚燒系統(tǒng)的料坑內的配伍，也是危險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 危險廢物進料系統(tǒng)

根據危險廢物的運輸包裝形式的不同，危險廢物進料系統(tǒng)包括散裝廢物進料系統(tǒng)、桶狀固體廢物進料系統(tǒng)、廢液進料系統(tǒng)，目前進料系統(tǒng)已經全部實現(xiàn)了自動控制，并納入實時狀態(tài)監(jiān)控與報警系統(tǒng)。進料系統(tǒng)的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 危險廢物進料系統(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)實現(xiàn)了危險廢物的無公害處理。其中，回轉窯系統(tǒng)主要由回轉窯設備組成，回轉窯是危險廢物焚燒的主要設備，在回轉窯中危險廢物被徹底焚燒成為高溫煙氣和灰渣，高溫煙氣和灰渣從窯尾進入二燃室，該過程充分保證了有害物質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入噴淋塔，實現(xiàn)煙氣的迅速冷卻。進噴淋塔降溫后的煙氣進入煙氣凈化排氣系統(tǒng)，進一步對危險廢物焚燒產生的有害氣體、周重金屬離子進行無害化處理，最后經過煙囪排入大氣，實現(xiàn)危險廢物的環(huán)保處理。危險廢物經過焚燒后留下的灰渣將進入灰渣處理系統(tǒng)，回轉窯、二燃室、余熱鍋爐、噴淋塔、布袋除塵器均會單獨產生灰渣和飛灰，這些灰渣和飛灰經水淬后送入封閉渣箱內暫存，最后確定無資源回收利用價值后運到填埋場進行集中填埋處理。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)化設計研究

回轉窯系統(tǒng)作為焚燒處理系統(tǒng)的重要組成部分，其工作穩(wěn)定性、安全性直接關于危險廢物的處理效率、環(huán)境保護等。但目前國內危險廢物處理中心的回轉窯系統(tǒng)因溫度波動大、故障率高等因素，嚴重制約了危險廢物的處置效率，因此有必要構建回轉窯系統(tǒng)的溫熱傳導模型，進而尋求優(yōu)化改進措施。

2.1 回轉窯工作溫度變化分析

危險廢物進入回轉窯內進行焚燒處理，回轉窯的控制溫度一般設定在850℃，但是在實際操作中回轉窯的工作溫度波動較大。圖3給出了國內某焚燒處理廠內回轉窯的工作溫度實時變化曲線。由圖3分析可知，回轉窯的工作溫度存在一定波動，圍繞在設定的溫度值上下浮動。回轉窯溫度的波動會導致額外停機、燃料消耗增加、尾氣排放不達標等一系列問題，因此在國內危險廢物的處理過程中尤其要注意回轉窯溫度變化，實現(xiàn)爐內溫度的實時監(jiān)測與控制。

圖3 回轉窯工作溫度變化曲線

2.2 回轉窯內穩(wěn)態(tài)傳熱模型構建

前面分析可知，回轉窯溫度波動較大會對危險廢物的處理帶來較大影響，而在危險廢物進入回轉窯之前和爐內焚燒時，主要進行了進料、焚燒工藝控制、輔助燃料和風機等流程。因此可以得出，回轉窯內焚燒溫度的變化主要受焚燒工藝、進料組成、輔助燃料和風機等綜合影響。此外，回轉窯結構也會對焚燒溫度變化產生一定的影響。在危險廢物焚燒處理實際工程應用中，回轉窯的結構工藝在建設初期已完成，無法改進，輔助燃料和風機在以往眾多的工程實踐應用中的已有較好的處理方式；焚燒工藝控制過程已經構建合適的控制軟件系統(tǒng)以達到適用回轉窯焚燒大時滯性的控制過程。因此，本文通過構建以進料系統(tǒng)為自變量的回轉窯溫度穩(wěn)態(tài)模型，尋求更為合理進料方式，確保回轉窯溫度穩(wěn)定運行，提高回轉窯危險廢物處置效率，降低回轉窯的故障率，提高經濟效益。

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

圖4 回轉窯溫度穩(wěn)態(tài)模型構建流程

在此過程中，需要注意的是，回轉窯溫度穩(wěn)態(tài)模型構建的前提是回轉窯溫度的穩(wěn)定，在此前提下再進行危險廢物焚燒的經濟性、尾氣排放等。因此，經濟性的前提是危險廢物的無公害處理，而尾氣排放后可以再通過尾氣凈化系統(tǒng)二次處理，不會對環(huán)境和大氣產生影響。此外，回轉窯溫度穩(wěn)態(tài)模型的優(yōu)化目標函數(shù)應建立限制條件，本文將限制條件確定為回轉窯溫度上下波動≤20℃、危險廢物焚燒效率≥95%、物料消耗盡可能小。通過構建優(yōu)化設計模型，利用計算機計算出滿足約束條件下的配伍和進料方式，即是我們需要的目標值。

3 結論

本文系統(tǒng)分析了國內危險廢物焚燒處置的工藝過程，詳細介紹了危險廢物處理過程中的預處理/配伍系統(tǒng)、進料系統(tǒng)、回轉窯系統(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，從國內目前應用廣泛的危險廢物焚燒處理工藝入手，分析了危險廢物焚燒處理系統(tǒng)中回轉窯焚燒溫度波動較大的原因。以此為基礎，構建了以進料方式為自變量的回轉窯穩(wěn)態(tài)溫度控制模型，最后通過實驗分析得出危險廢物最佳配伍和進料處理方法。實例應用分析表明，在現(xiàn)有的回轉窯結構、焚燒工藝過程控制、輔助燃料和風機條件下，通過構建合適的危險廢物配伍和進料方式，可實現(xiàn)回轉窯內危險廢物焚燒處理溫度的穩(wěn)定，不僅可以提高危險廢品的處置效率，降低有毒有害尾氣的排放，更實現(xiàn)了降低燃料成本和提升經濟效益的目標，可為創(chuàng)建危險廢物焚燒處置設施和工藝的構建提供技術依據。