基于热解和等离子熔融多工艺协同危废处置技术研究和应用

周云端，胡安宝，王东东，张春飞，段 捷

（1.航天推进技术研究院，陕西 西安 710021；2.西安航天源动力工程有限公司，陕西 西安 710021）

0 引言

危险废弃物简称危废，是指列入国家《国家危废名录》（以下简称名录），或根据国家规定的技术标准和鉴定方法认定的具有毒性、腐蚀性、易燃性、反应性或感染性的废物，种类包括固态、半固态和液态废物。随着我国经济不断发展，工业化水平不断提升，城市危废产量也在逐年增加，全国危废年产量从2009年的829.6 万t 增加到2019年的2 977.9 万t[1，2]。为降低危废对生态环境及居民健康带来的危害，近年来政府先后出台清废行动政策，推动危废处置及资源化利用[3]。目前危废最主要的处置方式为填埋或焚烧，填埋需占用大量土地，同时对周边环境影响较大[4,5]，故很多地方政府不再批复危废填埋项目。焚烧是危废处置及资源化利用的最有效方式[6-8]，但危废焚烧产生大量烟气和飞灰（飞灰约占危废处理量的15%～25%），飞灰中含有大量重金属、二噁英等有害物质，仍需进行填埋处理，因此焚烧处置危废的无害化程度低。

基于中温热解和高温等离子熔融多工艺协同危废处置系统采用热解、等离子熔融、余热利用、烟气净化4 个装置系统协同处置方法，在贫氧环境下先通过中温热解对危废进行减量化处理[9]，再将减量后的热解残渣送入高温等离子熔融装置中进一步高温气化熔融后以玻璃态形式排出[10]，实现固态残渣的无害化处理。处置过程中产生的高温烟气先进入余热利用系统烘砂实现余热资源化利用，再经烟气净化装置实现高效净化。由于该组合工艺系统的热解和等离子高温熔融均在贫氧环境下进行危废处置，故可在危废处理的源头上遏制二噁英的形成[6,11,12]。同时利用等离子高温熔融使固态有害成分固化在玻璃体里，大幅度减少危废的体积和质量[10]。中温热解使得危废大幅减量从而降低了高温等离子熔融处置量，解决了高温等离子系统高能耗问题，2 种系统相结合实现取长补短，达到很好的经济性。

1 工艺流程

基于热解和等离子熔融多工艺协同危废处置与烟气余热利用技术工艺流程，见图1。由图1可以看出，危废先进入破碎机破碎后送入中温热解装置中进行减量化处理，再将减量后的热解碳渣送入高温等离子熔融装置中高温气化熔融后经水淬以无害玻璃体形态排出[13]，热解尾气进入烟气净化装置净化处理。热解装置和等离子熔融装置产生的高温烟气混合后进入余热锅炉经换热后降温为中温烟气，再经烟气净化装置净化和烟气再热器再热后达标排放；余热锅炉产生蒸汽，一部分蒸汽作为烟气再热器热源，另一部分进入烘砂装置进行烘砂实现烟气余热资源化利用。

图1 系统工艺流程示意

1.1 热解装置

热解装置主要包括带5°倾角的热解炉、除尘器、热解气燃烧室、热解气风机、助燃风机、混合风机、尾气风机等。热解炉为间接加热的间壁式回转窑结构，危废进入热解炉内筒在贫氧环境下热解，并随着内筒转动从窑头向窑尾流动，最终形成热解碳渣从窑尾排出[6]。危废在热解过程中产生温度约550 ℃左右的热解气，经除尘器除尘后进入燃烧室进一步燃烧变成1 100 ℃左右的高温烟气，一部分高温烟气经混风降为700 ℃烟气后进入热解炉间壁层作为热解热源对回转内筒加热，换热后烟气降为500 ℃热解尾气从回转窑窑头排出；另一部分高温烟气进入余热利用装置。热解炉回转内筒为贫氧环境，该环境可从源头上抑制二噁英生成。热解碳渣和除尘器收集的飞灰在螺旋冷渣机内混合后进入等离子熔融装置进一步处置。除尘器为铁铝金属膜除尘器，最高工作温度达750 ℃，可在热解气燃烧前去除大量粉尘，热解气除尘器可降低后续烟气净化系统除尘负荷，同时可抑制烟气中的二噁英前驱物，减少二噁英再合成概率。

1.2 等离子熔融装置

等离子熔融装置主要包括进料装置、等离子炉、等离子炬、二燃室、水池、助燃风机等。进料装置中热解出料先进入造粒机造粒后与焦炭、玻璃等分别通过称重皮带按一定比例配伍后经皮带输送机和进料螺旋送入等离子炉进行高温熔融处理，高温熔浆从炉底排出后进入水池经水淬形成无害玻璃体，等离子炉产生的高温烟气进入二燃室进一步燃烧，燃烧温度高于1 100 ℃，使CO，H2等可燃气体充分燃烧反应后变成CO2，H2O 等无害气体。等离子炉上安装的等离子炬在炉内形成高温等离子体还原性气氛（＞1 500 ℃），抑制了危废熔融过程二噁英的合成。

1.3 余热利用装置

余热利用单元主要包括余热锅炉、再热器、换热器、烘砂机、鼓风机、引风机、水箱、给水泵等。热解气燃烧室和等离子装置二燃室产生的高温烟气进入余热锅炉换热产生蒸汽，一部分蒸汽进入再热器加热净化后的烟气温度达到135 ℃；另一部分蒸汽在换热器中与空气换热形成热空气进入烘砂机。烘砂机为螺旋回转式结构，热空气从烘砂机尾部进入与机内砂石进行热交换后，从烘砂机进料处排出，通过旋风分离器分离后排空。湿砂从烘砂机前端进料斗进入烘砂机，随着螺旋回转机构在烘砂机内与热空气换热，并翻转流向尾部，干砂从尾部出砂口排出。再热器和换热器产生的凝结水进入水箱，利用锅炉给水泵再次输送到锅炉加热产生蒸汽。

1.4 烟气净化装置

烟气净化装置包括脱销、急冷、干法脱酸、除尘、碱洗、烟气再热等单元。烟气净化的脱销采用SNCR脱销方法，在余热锅炉前的高温烟气管道及作为热解热源烟气管道内均设置喷枪喷射尿素溶液以消除烟气中NOx；锅炉烟气和热解尾气先利用急冷塔急冷后进入干法脱酸塔脱除烟气中部分酸性成分后再进入布袋除尘器去除烟气飞灰和干法脱酸产生的飞灰，除尘后的烟气通过引风机送入碱洗塔进一步碱洗脱酸后进入再热器加热至135 ℃后通过烟囱排放；急冷工艺是将500 ℃烟气通过急冷塔喷入工艺水在1 s 内降至200 ℃以下以避开二口恶英生成温度区间防止其再合成[14]；干法脱酸通过向烟气喷射活性碳粉和小苏打，分别吸附烟气中残留重金属和中和烟气的酸性成分，干法脱酸酸性成分脱除率为30%～40%。除尘采用布袋除尘器。碱洗工艺采用NaOH 溶液洗涤，进一步洗涤烟气酸性成分及烟尘。烟气再热利用蒸汽换热将碱洗后的烟气由70 ℃升至135 ℃排放，避免烟气排放口有白烟现象。

2 应用案例

2.1 危废特性及处理规模

某企业危废物料的主要成分为废油漆渣（HW12），基于以上工艺设计开发的多工艺协同处置与资源化利用系统处理规模为热解装置处理量为1 t/h、等离子焙融装置处理量为0.25 t/h，物料主要工业成分及元素成分（25 ℃）见表1。

表1 物料工业成分及元素成分%

2.2 生产消耗及排放情况

处理量为1 t/h 热解单元、处理量为0.25 t/h 等离子熔融单元、余热利用单元、烟气净化单元集成的多工艺协同危废处置与资源化利用系统每小时生产消耗及排放的理论计算和实际试验结果对比见表2、表3。

表2 每小时生产消耗量（理论计算与实际消耗）kg

表3 每小时排放情况对比

由表2、表3可以看出，理论分析与实际试验结果基本一致。油漆渣危废处置中的生产消耗主要包括等离子熔融过程消耗的焦炭和碎玻璃以及烟气净化中消耗的尿素溶液、小苏打、活性炭和碱液等。系统排放物主要包括烟气、玻璃体残渣、飞灰、杂盐等，烟气净化后达标排放，玻璃体残渣经监测无害后用于建材或喷丸材料，飞灰和杂盐作为残留危废送填埋场填埋，杂盐和飞灰总量为36 kg/h，因此系统无害化率达到96.4%。另外余热产生蒸汽（184 ℃，1 MPa）除了系统自身烟气再热消耗以外，还可用于烘砂机烘砂，实际运行过程中可节约87 m3/h 烘砂机使用的天然气用量。

2.3 玻璃体浸出毒性

该危废处置与资源化利用系统主要排放物中玻璃体残渣主要浸出毒性监测结果（未检出毒性的成分未在表中列出），见表4。由表4可以看出，玻璃体残渣浸出毒性远小于GB 5085—2007 《危废鉴别标准 浸出毒性鉴别》浸出毒性限值要求。根据《固体废物玻璃化处理产物技术要求》征求意见稿，玻璃体残渣可作为路基材料、混凝土骨料、掺合料或水泥混合材料等建筑材料或喷砂原料。

2.4 烟气排放污染分析

在系统连续稳定运行168 h 过程中，利用在线监测系统和取样口取样监测方式对烟气排放污染物进行连续监测，监测结果见表5。由表5可以看出，烟气经SNCR+干法脱酸+活性炭吸附+布袋除尘+碱洗多工艺烟气净化单元净化后的排放指标优于GB 18484—2000《危废焚烧污染控制》标准烟气排放限值要求。

表5 烟气排放指标 mg·m-3

3 结论

基于中温热解和高温等离子熔融多工艺协同危废处置与资源化利用系统利用热解、等离子熔融、余热利用、烟气净化等多工艺协同进行危废处置，相对于目前危废焚烧工艺具有以下优势：

（1）中温热解危废处置与高温等离子熔融多工艺相结合使等离子单元危废处置量显著减少，不仅降低了危废处置成本，同时也解决了热解危废处置无害化率低及等离子处置成本高的问题；

（2）等离子熔融工艺将热解碳渣进一步高温熔融，以无害玻璃体排出，危废无害化减量达到96.4%，实现危险废物的高效无害化；

（3）烟气余热换热后为烘砂机提供热源，可节约烘砂机天然气使用量，实现余热资源就地使用，避免余热资源浪费；

（4）采用“SNCR+干法脱酸+活性炭吸附+布袋除尘+碱洗”的工艺流程净化后的烟气排放指标远小于国家标准要求，实现烟气超低排放。