危險(xiǎn)廢物富氧側(cè)吹熔池熔煉處置新技術(shù)

唐續(xù)龍

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

危險(xiǎn)廢物是指具有毒性、易燃性、爆炸性、腐蝕性、化學(xué)反應(yīng)性或感染性，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重危害的廢棄物，其主要來(lái)源為各類工業(yè)企業(yè)，包括化工污泥、工業(yè)殘?jiān)?、廢催化劑、廢酸、廢堿、廢礦物油、廢有機(jī)溶劑等[1]。近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，我國(guó)危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量逐年劇增。根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示，2017年，全國(guó)危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量為6 936.89萬(wàn)t[2]，受醫(yī)廢產(chǎn)出量增長(zhǎng)推動(dòng)，預(yù)計(jì)在2020年我國(guó)危廢產(chǎn)量或?qū)⒊^(guò)1億t。

目前我國(guó)危險(xiǎn)廢物主要通過(guò)填埋或者焚燒工藝進(jìn)行處置。其中，填埋并未對(duì)危險(xiǎn)廢物進(jìn)行徹底無(wú)害化處理，只是將危險(xiǎn)廢物穩(wěn)定化/固化后堆放在填埋場(chǎng)，存在永久的安全隱患，一旦鋪設(shè)的土工膜破裂，將導(dǎo)致土壤和地下水的長(zhǎng)久污染[3]。焚燒處置雖然能對(duì)危險(xiǎn)廢物進(jìn)行有效減量，但焚燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量底渣和飛灰，根據(jù)《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》(2016版)的要求，危險(xiǎn)廢物焚燒、熱解等處置過(guò)程中產(chǎn)生的底渣仍然是危險(xiǎn)廢物(廢物類別HW18，廢物代碼772-004-18)，需要進(jìn)行二次處置[4]。為了解決焚燒灰、渣產(chǎn)生的二次污染，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)了電弧爐熔融、反射爐熔融、等離子熔融等工藝[5-7]，雖然解決了二次污染，但存在處理規(guī)模小、工藝流程長(zhǎng)、能耗高等問(wèn)題。因此，探尋新的高效危險(xiǎn)廢物無(wú)害化處置技術(shù)，一次性解決危險(xiǎn)廢物處置過(guò)程中產(chǎn)生的二次污染問(wèn)題具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

熔池熔煉技術(shù)具有反應(yīng)強(qiáng)度大、效率高、環(huán)保條件好、自動(dòng)化程度高、成本低等優(yōu)勢(shì)，在冶金行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。中國(guó)恩菲利用自身在冶煉和環(huán)保方面的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出危險(xiǎn)廢物富氧側(cè)吹熔池熔煉工藝，通過(guò)在高溫(1 200 ℃以上)條件下使有機(jī)物發(fā)生熱分解、氣化及燃燒，而無(wú)機(jī)物則熔融形成玻璃質(zhì)熔渣，達(dá)到徹底無(wú)害化的目的。該工藝既解決了危險(xiǎn)廢物焚燒可能造成的二次污染問(wèn)題，又實(shí)現(xiàn)了資源化利用。

1 工藝流程

采用富氧側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)處置危險(xiǎn)廢物的工藝流程如圖1所示，主要由以下幾個(gè)工序組成。

圖1 危險(xiǎn)廢物富氧側(cè)吹熔池熔煉處置工藝流程

1)存儲(chǔ)及預(yù)處理。外委的固態(tài)/半固態(tài)危險(xiǎn)廢物在危廢倉(cāng)庫(kù)中編碼、分類堆存，根據(jù)生產(chǎn)需要通過(guò)叉車等設(shè)備運(yùn)輸?shù)饺廴谲囬g備料區(qū)，經(jīng)破碎后在危廢儲(chǔ)坑緩存。

2)配料及上料。生產(chǎn)時(shí)，儲(chǔ)坑內(nèi)的危險(xiǎn)廢物經(jīng)吊車簡(jiǎn)單抓配混勻，然后通過(guò)吊車、進(jìn)料斗、鉸刀給料機(jī)和無(wú)軸螺旋從側(cè)吹爐進(jìn)料口加入到爐內(nèi)，熔劑等其它物料通過(guò)定量給料機(jī)、膠帶輸送機(jī)等設(shè)備加入到側(cè)吹爐內(nèi)。外委的液態(tài)危險(xiǎn)廢物在灌區(qū)存儲(chǔ)，用泵定量送進(jìn)熔池內(nèi)。

3)熔融。入爐原料中的有機(jī)廢物在高溫環(huán)境下迅速干燥、熱解、燃燒，煙氣經(jīng)爐膛二次燃燒后回收余熱，最后經(jīng)煙氣凈化系統(tǒng)處理后達(dá)標(biāo)排放。鍋爐灰返回側(cè)吹爐，布袋灰外委處置。有機(jī)廢物中的灰分和熔劑在高溫環(huán)境下熔融造渣，通過(guò)設(shè)置在端墻的排放口排出，經(jīng)水淬后外售。

4)煙氣凈化。熔融煙氣在爐膛和上升煙道中鼓風(fēng)進(jìn)行二次燃燒，通過(guò)合理的空間設(shè)計(jì)和二次風(fēng)鼓入量，控制煙氣溫度在1 100～1 300 ℃和6%～10%的干基含氧范圍停留時(shí)間超過(guò)3 s。高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐降溫至550 ℃左右、急冷塔驟冷至180 ℃左右后進(jìn)行脫酸、除塵，然后達(dá)標(biāo)排放。

2 工藝原理

2.1 熔池區(qū)

側(cè)吹爐熔池內(nèi)的主要反應(yīng)是危險(xiǎn)廢物揮發(fā)份的分解及部分燃燒、重金屬的還原和造渣反應(yīng)：

揮發(fā)份→CO↑+H2↑+N2↑+SO2↑+HCl↑+
CxHy↑

(1)

2H2+O2→2H2O↑

(2)

2CO+O2→2CO2↑

(3)

MxO+C→M+CO↑

(4)

SiO2+2FeO→2FeO·SiO2

(5)

SiO2+CaO→CaO·SiO2

(6)

2.2 爐膛及上升煙道

側(cè)吹爐爐膛內(nèi)的主要反應(yīng)是揮發(fā)份的燃燒:

2H2+O2→2H2O↑

(7)

2CO+O2→2CO2↑

(8)

CxHy+O2→H2O+CO2↑

(9)

3 工藝參數(shù)研究

3.1 原料熱值對(duì)熔煉參數(shù)的影響

在維持系統(tǒng)自熱的前提下，研究原料低發(fā)熱值對(duì)熔煉參數(shù)的影響，如圖2所示。從圖2可以看出，隨著原料低發(fā)熱值的提高，熔煉自熱所需一次風(fēng)的富氧濃度逐漸降低。當(dāng)危險(xiǎn)廢物熱值超過(guò)4 000 kcal/kg時(shí)，采用空氣熔煉就能實(shí)現(xiàn)自熱。

圖2 自熱條件下原料熱值對(duì)一次風(fēng)富氧濃度的影響

3.2 一次風(fēng)富氧濃度對(duì)熔煉系統(tǒng)的影響

在危險(xiǎn)廢物處理量200 t/d、低發(fā)熱值為4 000 kcal/kg的條件下，研究一次風(fēng)富氧濃度對(duì)熔煉系統(tǒng)的影響規(guī)律，如圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)富氧濃度從20.32%(空氣)提高至50%時(shí)，鍋爐出口煙氣量從69 570 Nm3/h降低至57 793 Nm3/h，降低了約17%。

圖3 自熱條件下富氧濃度對(duì)煙氣量和蒸發(fā)量的影響

3.3 一次風(fēng)富氧濃度對(duì)投資的影響

由前述研究可以知，提高一次風(fēng)富氧濃度會(huì)帶來(lái)風(fēng)量減少、氧氣量增加、鍋爐蒸發(fā)量增加和煙氣量減少等影響，相應(yīng)會(huì)影響設(shè)備選型，從而影響全系統(tǒng)的投資，如圖4所示。

圖4 一次風(fēng)富氧濃度對(duì)投資的影響(以空氣熔煉為基準(zhǔn))

從圖4可以看出，當(dāng)富氧濃度從25%提高到50%時(shí)，全系統(tǒng)總投資增加值從313.47萬(wàn)元提高到719.04萬(wàn)元。雖然富氧濃度提高后煙氣量減少會(huì)降低煙氣凈化系統(tǒng)的投資，但降低值仍然彌補(bǔ)不了氧氣量增加所導(dǎo)致的投資增加值，因此投資整體趨勢(shì)依然是隨富氧濃度增加而增加。

3.4 一次風(fēng)富氧濃度對(duì)運(yùn)行成本的影響

提高一次風(fēng)富氧濃度會(huì)除了影響投資外，還影響系統(tǒng)電耗，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本的變化。一次風(fēng)富氧濃度對(duì)電耗和生產(chǎn)成本的影響如圖5所示。

圖5 一次風(fēng)富氧濃度對(duì)運(yùn)行成本的影響(以空氣熔煉為基準(zhǔn)值)

從圖5可以看出，當(dāng)富氧濃度從25%提高到50%時(shí)，系統(tǒng)用電功率呈微弱下降趨勢(shì)，下降量(空氣熔煉時(shí)的用電功率- 用電功率)從44.88 kW增加至116.89 kW。若考慮蒸汽發(fā)電的影響，則全系統(tǒng)耗電量降低更多(相對(duì)空氣熔煉)。

雖然提高富氧濃度會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)投資的增加，但電耗的降低足以彌補(bǔ)投資增加帶來(lái)的負(fù)面影響。當(dāng)富氧濃度從25%提高到50%時(shí)，全系統(tǒng)運(yùn)行成本降低值(相對(duì)于空氣熔煉)從160.23萬(wàn)元/a增加到512.53萬(wàn)元/a。

由以上分析可知，即便是在空氣熔煉可以自熱的情況下，適當(dāng)提高一次風(fēng)富氧濃度從經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)看依然是可取的。但過(guò)高的富氧濃度會(huì)對(duì)熔煉系統(tǒng)的生產(chǎn)產(chǎn)生一些負(fù)面影響，比如風(fēng)口區(qū)局部過(guò)熱，影響側(cè)吹爐的壽命；煙氣含水高，露點(diǎn)降低，增加布袋粘接的風(fēng)險(xiǎn)等。因此建議側(cè)吹爐一次富氧濃度控制在35%左右。

4 結(jié)論

危險(xiǎn)廢物富氧側(cè)吹熔池熔煉處置技術(shù)具有環(huán)保效果好、能耗低、自動(dòng)化程度高、無(wú)害化徹底和資源化利用率高等突出優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)的應(yīng)用將大幅度推進(jìn)危險(xiǎn)廢物處置行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。本文介紹了采用富氧側(cè)吹熔池熔煉處置危險(xiǎn)廢物的工藝技術(shù)和工藝原理，研究了原料熱值、富氧濃度等參數(shù)對(duì)熔煉系統(tǒng)的影響：

1)自熱條件下，隨著原料熱值的提高，所需一次風(fēng)富氧濃度降低。當(dāng)原料熱值超過(guò)4 000 kcal/kg后，空氣熔煉可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自熱。

2)適當(dāng)提高一次風(fēng)富氧濃度在經(jīng)濟(jì)效益層面上是合理的，但綜合經(jīng)濟(jì)效益、側(cè)吹爐壽命和生產(chǎn)穩(wěn)定性等因素，建議側(cè)吹爐一次富氧濃度控制在35%左右。