危险废物焚烧处理技术研究进展及展望

张国辉，洪 斌，李子雄，肖辉煌，陈玲波，戴 欣，余志元

（1.商丘中电环保发电有限公司，河南 商丘 476000；2.湖南省环境保护科学研究院，湖南 长沙 410014）

危险废物通常具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性、感染性中的一种或多种，不恰当的处置会对环境安全及人体健康造成较大影响。目前，主流的危险废物无害化最终处置方法为焚烧、物化和填埋，其中焚烧处理工艺是危险废物处理常规工艺之一，由于该技术处理效果稳定可靠，且在减量化、无害化等方面具有独特优势，在危险废物处置领域得到了广泛应用。近年来，随着我国“两型社会”建设、“无废城市”建设以及碳达峰、碳中和行动的深度开展，对危险废物焚烧处理过程中污染防治要求、能源利用效率以及资源回收利用率有了新的要求。因此，本文针对我国目前危险废物焚烧技术的研发进展进行综述，并对新形势下技术未来发展方向进行了展望。

1 危险废物焚烧技术研发进展

危险废物焚烧处理系统分为预处理、配伍、进料以及焚烧处理。其中焚烧处理系统是焚烧工艺的主要组成部分，一般包括焚烧炉、余热回收系统、烟气净化排放系统、灰渣系统等。目前，针对危险废物焚烧处理工艺，已开展的研究工作主要包括焚烧炉设备、烟气净化技术、余热回收系统、灰渣处理等。常规焚烧炉炉型包括机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉、热解焚烧炉、回转窑焚烧炉等［1］。以回转窑为例，在回转窑焚烧炉工艺设计研究中，根据危险废弃物的种类、热值、元素成分等综合因素，结合其它工程的实际经验，对回转窑内的操作温度、回转窑转速、窑内空气过量系数、废物停留时间、回转窑内热负荷、长径比及倾斜度等关键参数进行确定和优化［2］。目前，回转窑焚烧炉对热值很低的危险废物也较为有效、彻底。在此基础上，为进一步提高焚烧炉的焚烧效果，针对危险废物焚烧的工艺优化研究也在开展中。刘元虎等以进料方式为自变量，建立了以回转窑稳态温度为因变量的控制模型，通过设计试验分析得出在危险废物进回转窑前的最佳配伍和进料处理方法，可以稳定回转窑内焚烧处理时的温度，不仅可以提高危险废物的处理效率，同时兼顾焚烧处理后产生有毒害尾气的处理，进一步降低焚烧处理时燃料成本和提升处理产生物的经济效益［3］。经过验证，目前逐步形成了“回转窑＋二燃室＋余热锅炉＋急冷塔＋干式脱酸＋布袋除尘＋湿式洗涤”的危险废物处理工艺，取得了较好的处理效果。

2 焚烧烟气处理技术研究进展

危险废物经过焚烧处理后产生的烟气，需采取相应的技术手段进行处理，实现达标排放。烟气处理技术包括硫氧化物、氮氧化物等酸性气体的去除、烟气中颗粒物的去除以及二噁英的控制等。烟气中酸性气体的去除可采用常规的半干脱酸塔去酸净化技术和干式脱酸塔去酸技术实现，烟气中颗粒物的去除一般采用布袋除尘工艺，除尘效率较高，通常可达到99%以上。二噁英的控制可以通过优化焚烧炉焚烧参数，实现危险废物在焚烧炉内的高温（1000℃以上）充分燃烧，从源头避免二噁英的产生；通过对烟气采取急冷降温工艺，防治二噁英的二次生成。同时，已有相关研究通过在焚烧过程中添加阻滞剂的方式，减少二噁英的生成［4］。常规的阻滞剂包括氢氧化钙＋磷酸二氢铵，其中氢氧化钙对二苯并呋喃（PCDF）生成的抑制作用较强，另有硫脲＋磷酸二氢铵阻滞剂，其对二噁英和氯苯的阻滞效果明显优于同等浓度的氢氧化钙＋磷酸二氢铵，其中硫脲对多氯代二苯（PCDD）的抑制作用更强。可见，借助于大气污染控制学科较为完备的基础理论及实践经验，目前危险废物烟气处理工艺已经较为成熟和完善，可保障烟气排放满足《危险废物焚烧污染控制标准》（GB18484—2020）相关要求。

3 焚烧处理产生的灰渣中重金属处理技术的研究进展

危险废物焚烧处理过程中应尤其重视重金属所产生的环境风险。重金属镉、铅、锌和汞在底渣中的相对富集系数低于飞灰，所以焚烧产生的飞灰中镉、铅、锌和汞含量较高，而底渣中的铬含量更高，危废中氯占比和钙铁占比会影响铜和砷在灰渣中的相对富集情况；重金属汞、铬、砷、铅和锌向飞灰中迁移的主要方式为蒸发、冷凝和吸附，硒和铬向飞灰中的主要迁移方式为烟气夹带，焚烧气氛和危废中氯占比会影响铜向飞灰中迁移［5］。所以需要对飞灰及底渣进行妥善处置。目前，灰渣中重金属的安全处置仍在技术、经济性等方面遇到了挑战。如何处理灰渣中重金属，是提高危废焚烧处理工艺水平的重点和难点。

3.1 灰渣处理技术

由于原料和焚烧方式的差异，飞灰及焚烧底渣的成分也有较大差异［6］，目前逐步形成添加固化稳定化药剂固化处置、水泥窑协同处置、高温烧结、熔融等处理技术［7］。

3.1.1 固化处置技术

固化处置技术包括固定化和稳定化两个方面。其中，固定化指在残渣中添加固化剂，并使其转变为无流动性状态的过程，而稳定化则指利用某种手段增加残渣中有毒成分的稳定性或降低其毒性，以减小其污染潜力的过程，该过程仅涉及到化学反应的发生。刘彦博等利用水泥固化和TMT重金属捕捉剂稳定化联用的方式对垃圾焚烧飞灰进行了处置［8］，可实现固化体的重金属浸出浓度均能满足填埋标准；邓友华采用普通硅酸盐水泥固化和富里酸、胡敏酸以及CaCl2的混合溶液稳定化联用的方式对危险废物焚烧处置残渣进行了无害化处置［9］，结果表明，当富里酸、CaCl2和胡敏酸的添加量分别为10%、0.35%和0.7%，养护时间为7d，水泥掺量为10%，或养护时间为14d，水泥掺量为5%时，固化体的抗压强度和重金属浸出浓度均能满足填埋标准；B.M.Wang等使用MgO－SiO2－H2O（M－S－H）胶凝材料对市政固体焚烧飞灰进行了固化处置［10］，结果表明，M－S－H胶凝材料对市政固体焚烧飞灰的固化效果十分显著，其中，重金属硒、铅和锌的固化效率分别达到97.5%、99.8%和98.7%。

3.1.2 水泥窑协同处置技术

水泥窑协同处置是将飞灰水洗脱氯与水泥窑高温煅烧两种技术结合，采用水洗法将飞灰中的钾、钠、硫、氯提取出来制成工业产品；其余部分送入水泥窑中进行高温煅烧，经过在水泥窑高温熔融后飞灰中的重金属元素固化于水泥熟料的晶格中，且二噁英在水泥窑的高温中彻底分解，无法再次合成；用于洗脱飞灰的水进行循环利用，而烟气经多级吸附和收尘后达标准排放［11］。北京市金隅琉水环保科技有限公司采用该工艺。

3.1.3 高温烧结技术

高温烧结与水泥窑协同处置相似，都属于热处理技术，即在1000～1100℃的高温状态下分解飞灰中的有机污染物，并使得飞灰中的重金属元素固定在致密结构体晶格中。飞灰通过高温烧结后可用于制备建材［12］。飞灰通过高温烧结后其中重金属元素的浸出毒性大为降低，但易挥发的重金属元素在高温烧结的过程中会进入烟气中，必须对高温烧结所产生的尾气进行处理。需要注意，对于飞灰制备免烧轻型集料，应添加相应的重金属稳定剂、固化剂，以避免重金属的浸出。

3.1.4 熔融技术

熔融技术是往飞灰中添加细小的玻璃质，在1500℃高温下熔融成玻璃体，将重金属元素固定在形成的玻璃中，与高温烧结和水泥窑协同处置一样，有机污染物会在高温下分解。但因为高温熔融过程中全程隔绝空气，所产生的烟气量比其他技术要小，熔融过程中产生的飞灰在收集后可以成为冶金原料。该技术的优点是能产生高质量的建筑材料，而该技术的缺点是熔融的能耗大与成本高［13］。

3.1.5 水热处理技术

水热处理技术是在压力容器中加入飞灰与水并密封，通过施加高压高温将压力容器中的混合液制成结晶体的处理方法。研究表明，水热处理技术对飞灰中的有机污染物及重金属元素具有比较好的处理能力［14］。而在水热条件下，按照一定比例将灰渣和粉煤灰混合，可以生成雪硅钙石，以此来固化重金属，并使水热产物的重金属元素浸出毒性降低［15］。此外，先通过高温熔融再用水热处理可以合成羟基方钠石和X型沸石，其产生的沸石阳离子交换能力、比表面积和孔隙大小高于煤灰合成的沸石，因此采用水热处理技术将灰渣合成沸石将成为灰渣资源化利用的发展趋势［16］。

3.2 灰渣中重金属的回收利用

危险废物焚烧产生大量飞灰及底渣，通常占原危险废物重量的20% ～30%，且由于某些危险废物焚烧灰渣中某些种类的金属元素含量较高，具有资源化利用价值，因此灰渣中有价金属的回收成为了一个重要的发展方向。目前，有价金属资源化处理的方法主要有溶液浸出提取和生物浸出提取两种。

3.2.1 溶液浸出提取技术

溶液浸出提取即根据有价金属的性质选择相应的浸出液，将含有有价金属的废渣置于浸出液中，随后通过一系列的化学反应，再选择性地分离浸出液中的有价金属，从而回收利用灰渣中的有价金属，目前采用较多的有酸浸法提取和氨浸法提取两种。朱正江等对河南郑州市新郑市某危险废物处置中心的飞灰进行重金属铅回收研究，该飞灰采用回转窑＋二燃室焚烧工艺。研究发现，飞灰中铅浸出浓度超过标准限值，采用硫酸浸出，回收率高达90.96%，同时通过碳酸铵转化为硫酸铅沉淀，转化率可达99.68%，实现铅的回收［17］。廖昌华等采用酸浸法实现了电镀污泥焚烧渣中有价金属Cu和Ni的回收［18］，在理想工艺条件下（浓硫酸加入量为0.35 mL／g，液固比为3，给料细度为74μm，浸出时间为1h），有价金属Cu和Ni的浸提率均超过97%。

3.2.2 生物浸提技术

生物浸提技术是利用微生物（细菌或真菌）将灰渣中的重金属元素溶出的方法［19］。使用生物浸提技术，可以利用微生物对某种金属的选择性吸收，实现特定金属的去除。

4 危险废物资源化存在的问题

焚烧技术属于常规技术，经过多年发展及实践检验，目前已经形成较为成熟的工艺及设备。同时，借助于大气污染治理技术的成功经验，危险废物焚烧烟气的处理技术目前也较为完备，可以实现烟气达标排放要求。然而，由于危险废物焚烧灰渣中重金属元素含量常常超过《危险废物污染填埋标准》（GB18598—2001）进场浓度限值，焚烧灰渣处置技术关系危险废物焚烧的环境安全。目前，水泥窑处置技术、灰渣固化稳定化、高温烧结、熔融技术研究比较多，也得到了一定的应用，但仍然存着处理成本较高的问题，且难以实现对灰渣中有价金属元素的回收利用。

5 结 语

通过对危险废物焚烧灰渣中的重金属进行提取和回收，一方面降低了灰渣的重金属污染，同时可以实现金属资源的回收，并产生一定的经济价值，具有显著的环境、经济效益，是未来危险废物焚烧灰渣处理技术，乃至危险废物焚烧工艺的重要发展方向。后续研究中，应着重进一步降低重金属元素提取成本，避免使用提取药剂造成的二次污染，同时确保提取后残渣中残留重金属的稳定性，最终实现环境效益与经济效益的协调，从而更好地解决目前危险废物焚烧灰渣处理实践中遇到的难题。