危險廢物焚燒底渣熔融技術探討

張文俠

(天津濱海合佳威立雅環境服務有限公司,天津 300452)

0 引言

危險廢物是指被列入國家危險廢物名錄或根據國家規定的危險廢物鑒別標準及鑒別方法認定的具有危險特性的固體廢物。危險廢物焚燒是在高溫環境下對其進行焚燒,以減少其危害性,對廢物處置的最終過程進行簡化,提升其處理效果。對比填埋技術,危險廢物焚燒技術有著較為顯著的優勢,通過高溫對危險廢物進行分解,具備良好的減量效果。多數危險廢物焚燒后體積能夠減少90%以上,后續處理更加簡單,且高溫能夠消滅危險廢物中存在的病菌及大部分有毒有害物質。但燃燒產生的煙塵及有害氣體需經過無害化處理后排放。高溫煙氣可通過余熱鍋爐換熱后產生高溫蒸汽,用于供熱或發電。焚燒技術可全天候不間斷地連續作業,不受天氣狀況的影響[1]。

危險廢物焚燒技術在實際應用中會受到幾個關鍵因素的影響:①焚燒溫度。其會影響焚燒過程中的反應速度及最終的物質生成。危險廢物在充分燃燒和不充分燃燒的情況下會產生不同的物質。一般情況下,危險廢物焚燒處理中,焚燒溫度在850 ℃～1200 ℃,在氧氣供應充分、反應時間足夠的情況下能夠實現對大多數有毒有害物質的分解及去除。②反應時間。危險廢物的有機成分構成不同,焚燒分解所需的時間也有所不同,需要結合實際情況來確定最佳反應時間。反應時間過短可能無法實現對有毒有害成分的徹底分解,反應時間過長則會引起能源浪費。③過量空氣系數。危險廢物焚燒需要足夠的空氣供應,過量空氣系數是實際焚燒使用的空氣量與達到理想狀態所需的空氣量的比值,會對焚燒溫度及反應速度產生直接影響。在危險廢物焚燒處置中,過量空氣系數通常在1.2～2.0[2]。

1 危險廢物焚燒處置工藝流程

1.1 預處理系統

針對危險廢物進行焚燒處理需考慮爐內溫度波動、尾氣超標等因素的影響,很難全程保證焚燒系統的穩定可靠運行,因此在將危險廢物送入回轉窯系統前需依照其化學組分、發熱量等信息做好相應的配伍預處理,避免不相容廢物同時進入焚燒爐,以保證焚燒的穩定性及安全性。危險廢物配伍可分為:①市場層級。必須熟悉市場上存在的危險廢物類型、數量、性質等,制定出完善的危險廢物收集處理方案。②廠區配伍。需由專業人員做好對危險廢物的分析及檢測,對焚燒物料進行合理搭配,給出詳細的配伍方案。③料坑配伍。屬于二次配伍,配伍效果會對焚燒效率產生直接影響。

1.2 進料系統

危險廢物進料系統根據包裝形式的差異可分為散裝廢物進料系統、桶裝廢物進料系統及廢液進料系統[3]。進料系統需引入自動化及智能化控制技術,實現與實時狀態監控系統及風險預警系統的可靠連接。

1.3 焚燒系統

焚燒處理系統的工作流程如圖1所示。

圖1 焚燒處理系統工作流程

回轉窯系統是對危險廢物進行焚燒處理的關鍵設備,可將危險廢物徹底焚燒,形成底渣和高溫煙氣進入到二燃室中。余熱鍋爐與氣水系統共同構成了余熱回收系統,鍋爐中的高溫煙氣進入噴淋塔實現快速冷卻,之后,經煙氣凈化系統進一步實施無害化處理,最終從煙囪完成排放。焚燒后的底渣會進入底渣處理系統,而回轉窯、二燃室、余熱鍋爐等都會單獨產生底渣及飛灰,經過水淬處理后會被暫時存放到封閉性的箱體內,在確定不存在任何回收利用價值后運輸到填埋場進行集中處理[4]。

2 危險廢物焚燒底渣熔融技術

在對危險廢物進行無害化處理時常用的方法有填埋、物化、焚燒等。焚燒后形成的底渣一般采用填埋方式做最終處理,但焚燒產生的底渣有著很高的重金屬含量及浸出濃度,仍屬于危險廢物范疇,必須經過進一步的無害化處理后才能進行填埋,會占用大量的土地資源,且依然存在滲漏風險。底渣熔融技術是通過熔融方式對底渣進行深度處理,最終得到的產品可依照一般廢物進行回收利用或處置,能夠最大限度地減少環境污染問題。該技術適用范圍較廣,處置能力強,煙氣凈化程度高,處置成本較低,經過熔融處理后,底渣中原本存在的有毒有害物質會被封存在玻璃態結構中,穩定性強,不容易出現滲漏等問題[5]。常用的技術路線有以下幾種:

2.1 回轉窯技術

結合底渣的實際狀態及溫度,可將回轉窯分為兩種:①熔渣式回轉窯。內部溫度可達到1350 ℃,除了一些高熔點的金屬及化合物,其他物質基本都可以實現熔融,焚燒相對完全。②干灰式回轉窯。內部溫度不超過1000 ℃,固體依然以灰渣形式存在,沒有進入到熔融態。回轉窯技術在德國等發達國家已得到了成功應用,發展趨于成熟,但在我國仍然缺乏相應的標準,由于材料成本及運營要求較高,技術應用受到了很大的限制。

2.2 回轉窯+在線等離子體熔融爐

將回轉窯尾部落渣口下原本的出渣裝置替換為熔融爐,窯內排出的高溫爐渣會直接進入到熔融爐中,在高溫作用下形成玻璃態熔渣,具備連續性及穩定性優勢。想要確保危險廢物焚燒系統的連續可靠運行,必須加強對進料及出渣環節的嚴格管控[6]。以100 t/d的回轉爐+40 t/d的在線等離子體熔融爐為例,對比原本單一的回轉爐配置,需要增加熔融爐設備,成本約為150萬元。除渣設備的費用基本與原費用相同,不過還需要進行土方挖掘及設備安裝,成本費用并不固定,會受到施工難度的影響。

對比單一的回轉窯技術方案,該方案的設備占地面積小,不需要設置獨立區域對熔融爐進行安置,不需對回轉窯系統布局進行大規模改動,對于系統布局相對緊湊的項目,具備升級改造空間。熔渣從回轉窯中排出時,本身處于高溫狀態,故而可以在一定程度上減少熔融爐對能量的消耗。但該方案也存在一定的缺陷,即設備安放相對緊湊,安裝空間狹小,很容易出現相互干擾問題,對后續檢修維護造成不便,且熔融爐與回轉窯系統的聯系十分緊密,控制系統十分復雜,操作難度相對較大。熔融爐的檢修周期相對于回轉窯較短,設備連接區域屬于高溫區段,如果需要對熔融爐進行檢修,則回轉窯同樣需要停機,會對系統整體產生較大的影響。回轉窯內屬于氧化環境,熔融爐內屬于還原環境,當回轉窯內的物料進入熔融爐后,石墨電極并不適用,需要選擇等離子炬,成本十分昂貴。方案無法實現對原料的預處理,因此在實際運行中可能會對進料及熔融爐的運行產生影響[7]。

目前,回轉爐+在線等離子體熔融爐技術在我國并沒有得到有效應用,但部分企業已開展了相應的專利研究,取得了一定的成果。

2.3 回轉窯+離線等離子體熔融爐+水封出渣機

該技術方案是在現有回轉窯焚燒系統的周邊設置獨立熔融爐,回轉爐焚燒后的底渣經過水封出渣機冷卻處理后,投入到熔融爐進行高溫熔融處理,熔融物冷卻后的材質類似玻璃。熔融爐運作過程中產生的煙氣會通過高溫管道進入二燃室。以100 t/d的回轉爐+40 t/d的離線等離子體熔融爐設備為例,其總占地面積約為100 m2,實際運行中的能耗約為680～900 kW·h/t。

對比前兩種方法,這種方案的優勢在于回轉窯設備與熔融爐設備相互獨立設置,不管是運行還是控制都互不干擾,系統出現問題時可獨立維修,基本不會對危險廢物的正常焚燒作業產生影響。熔融爐可與回轉窯共用煙氣處理設施,因為其本身產生的煙氣量很小,不會對回轉窯的運行工況產生很大的影響,通過這樣的方式可顯著降低成本,對于一些存在空余場地的回轉窯焚燒線路而言,改造作業難度小,操作便捷[8]。相關設備布置比較簡單,在等離子體電路中,可以選擇石墨電極,并非一定要使用等離子體炬。通過增加爐渣處理設備的方式,能夠有效應對回轉窯內部工況波動對爐渣帶來的影響,進一步提升處理效果。在該技術方案中,可定期對爐渣成分進行采樣分析,結合分析結果對熔融爐內爐渣的添加量進行計算,做好相應的比例調控。對于一些原本就不適合焚燒的危險廢物,可直接輸送到熔融爐中進行高溫處理。

該技術方案的缺陷體現在兩方面:一是回轉窯在焚燒危險廢物后產生的高溫爐渣需要經過水淬冷卻之后才能進入到熔融爐中,沒有實現對熱量的合理利用,存在較嚴重的能源浪費問題。二是熔融爐與回轉窯各自獨立設置,工程整體造價較高。目前,該技術方案在國內進行了一定的嘗試,不少企業對相關專利進行了研究,想要進行大規模的推廣使用還需深入研究[9]。

3 技術方案對比

將上述三種技術方案進行對比分析,結果如表1所示?？梢钥闯?使用第三種技術方案,即回轉窯焚燒系統與等離子體熔融爐獨立設置方案,能夠最大限度地保障系統運轉的可靠性。

表1 三種技術方案對比

4 結束語

危險廢物產量不斷增長,故而焚燒處置率需不斷提高,但焚燒產生的底渣具有危害性。從無害化處理角度來看,應進一步加強對底渣熔融技術的研發及推廣,真正實現危險廢物焚燒底渣的資源化及減量化。危險廢物底渣熔融技術在很多國家得到了推廣應用,形成了完善的技術規范及標準體系,我國應加快對相關規范的研究,為技術應用提供良好的支撐。通過對三種技術方案的對比分可知,回轉窯技術在我國已基本成熟,等離子體熔融技術依然處于專利技術研發階段,尚未得到有效應用。應將研究重點放在回轉窯+離線等離子體熔融爐+水封出渣機技術方案上,按照我國危險廢物的物料類型、性質等,逐步推動此技術方案的優化,實現裝置設備的產業化及本地化,為危險廢物處置的實施提供良好支撐。