危險(xiǎn)廢棄物集中處置方案及其蒸汽利用

上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司 吳云飛

經(jīng)濟(jì)增長離不開工業(yè)的發(fā)展，而伴隨著我國工業(yè)化的不斷推進(jìn)，隨之產(chǎn)生的工業(yè)廢物特別是危險(xiǎn)廢物也逐年增加。同時(shí)，2020年初疫情防控以來，各地醫(yī)療廢棄物的產(chǎn)量劇增。這些工業(yè)危險(xiǎn)廢物和醫(yī)療廢物都屬于危險(xiǎn)廢物，2021版《國家危險(xiǎn)廢物名錄》中將危險(xiǎn)廢物系統(tǒng)地分為46個(gè)大類467個(gè)小類[1]。

危險(xiǎn)廢物不同于普通的生活垃圾，往往具有腐蝕性、毒性或者感染性，隨意處置不僅危害人們的健康，同時(shí)還會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境。“十三五”期間，還出臺(tái)了危險(xiǎn)廢物臺(tái)賬制度，非法轉(zhuǎn)移和利用處置危險(xiǎn)廢物均為違法行為，將受到嚴(yán)懲。黨的十九大以來，保護(hù)生態(tài)環(huán)境被提到了非常重要的戰(zhàn)略位置，各地積極響應(yīng)，投入解決危險(xiǎn)廢棄物問題處置工作中。然而，由于危廢生產(chǎn)量高速增長，前期處理技術(shù)及運(yùn)營水平的局限，實(shí)際的處置規(guī)模遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)在的危廢處理需求[2]，集中處置率低，仍需規(guī)劃建設(shè)綜合危廢處置項(xiàng)目，同時(shí)在現(xiàn)有的成熟的設(shè)備和技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)新工藝和新技術(shù)。

危險(xiǎn)廢棄物的性質(zhì)多樣，有油類廢棄物、有機(jī)/無機(jī)廢棄物、其它有害廢棄物等，對于不同性質(zhì)的危險(xiǎn)廢棄物，處置方法也不盡相同[3]。如固化 / 穩(wěn)定化方法可處理電鍍污泥、鉻渣等危險(xiǎn)廢棄物，處置后進(jìn)行安全填埋，然而此方法不能徹底消除廢棄物毒性，有安全隱患，同時(shí)占用土地資源，不是長久之計(jì)。物化處理方法可處理烴水混合物或乳化液中油水混合物以及廢酸、廢堿等。熱處理方法主要有焚燒、熱解、等離子體法、濕空氣氧化及微波處理等。

一、危廢生產(chǎn)現(xiàn)狀

本文研究項(xiàng)目位于河南省，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目服務(wù)范圍內(nèi)危險(xiǎn)廢物種類達(dá)40種，為了集中處置當(dāng)?shù)卮蟛糠治ｋU(xiǎn)廢物，故采用了常規(guī)的回轉(zhuǎn)窯焚燒、物化工藝，結(jié)合金屬固化率高的等離子熔融新技術(shù)，創(chuàng)新采用了工藝協(xié)同等新理念革新危險(xiǎn)廢棄物處置觀念，處理的危廢種類及處置方式見表1。結(jié)合各地市、行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化程度預(yù)測，本項(xiàng)目收集范圍內(nèi)的危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量約為 88693t，其中可集中處置類別對應(yīng)危廢產(chǎn)生量為 87945t/a。項(xiàng)目服務(wù)范圍內(nèi)綜合型的危險(xiǎn)廢物處置單位有 1 家，其設(shè)計(jì)危廢處置量為28350t/a，考慮部分危廢被綜合利用，結(jié)合設(shè)備規(guī)模，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)處置廠外原生工業(yè)危險(xiǎn)廢物 47190t/a，其中可焚燒處置的工業(yè)危險(xiǎn)廢物 20900t/a，醫(yī)療廢物約 9000t/a，等離子熔融處置危險(xiǎn)廢物 2290t/a；物化線處置危險(xiǎn)廢物 15000t/a?？紤]同時(shí)處理廠內(nèi)自產(chǎn)危險(xiǎn)廢物，項(xiàng)目設(shè)1套100t/d回轉(zhuǎn)窯焚燒處置線，1套30t/d等離子熔融處置線，1套 50t/d 廢乳化液處置線。

二、綜合處置工藝路線

根據(jù)危險(xiǎn)廢物的不同特性，按照表1所采取的工藝處理方式，項(xiàng)目綜合處置工藝路線如下：

表1 危廢種類及處置方式

（1）熱值高的危險(xiǎn)廢物處置技術(shù)

進(jìn)廠時(shí)熱值較高或者可以燃燒處置的危險(xiǎn)廢物等進(jìn)行焚燒處置，對焚燒處置排放的煙氣進(jìn)行凈化，灰渣送入等離子熔融系統(tǒng)處置。

（2）熱值低的危廢、爐渣、飛灰

表面處理廢物、焚燒線處置產(chǎn)生的爐渣、飛灰等危廢有機(jī)物含量低、熱值較低，采用焚燒工藝能耗高、減量化效果不明顯，且其產(chǎn)物仍屬于危廢，達(dá)不到無害化目的，因此不適合采用焚燒處置工藝。

等離子熔融處理是利用電能，通過等離子炬，將壓縮空氣電離成 3000℃-5000℃的等離子體，在熔融爐內(nèi)將危廢加熱至1500℃以上，呈熔融態(tài)，再通過水淬形成玻璃體。

玻璃體具有熱灼減率低的特點(diǎn)，而且玻璃體網(wǎng)格的包裹作用極大降低了危廢的重金屬滲出，經(jīng)檢測可遠(yuǎn)低于危險(xiǎn)廢棄物鑒別標(biāo)準(zhǔn)，作為一般固體廢物處理，并可用于鋪路材料等建材使用，達(dá)到危廢的資源化、無害化、減量化的目的。

形成玻璃體的主要組分是SiO 2，鑒于入爐危廢SiO 2 含量極低，難以形成玻璃體，因此需添加河砂（主要成分是SiO 2）作為配伍料。為防止配伍后粉料不經(jīng)過高溫熔融直接被排放的煙氣攜帶出熔融爐，因此對配伍后的危廢進(jìn)行造粒，粒料進(jìn)入等離子爐進(jìn)行高溫熔融。

（3）物化處置線

對于容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且呈液態(tài)的危險(xiǎn)廢物，如油水、烴水混合物或乳化液中的油水混合物、廢酸、廢堿進(jìn)行物化處理，處置廢水進(jìn)入廠區(qū)污水處理站后可回用，物化處理產(chǎn)生的壓濾渣則進(jìn)入焚燒系統(tǒng)進(jìn)行焚燒處理。

（一）焚燒處理系統(tǒng)

焚燒處理的危險(xiǎn)廢物為工業(yè)危險(xiǎn)廢物和醫(yī)療危險(xiǎn)廢物。本項(xiàng)目采用“回轉(zhuǎn)窯+二燃室+余熱鍋爐（SNCR 脫硝）+煙氣急冷＋干式脫酸（消石灰與活性炭噴射）+布袋除塵＋兩級濕法脫酸+煙氣再熱+SCR”的危險(xiǎn)廢物焚燒及煙氣凈化處理工藝。

工業(yè)危險(xiǎn)廢物運(yùn)送至車間后，固體、半固體類危險(xiǎn)廢物經(jīng)過破碎等預(yù)處理，直接送入固體廢物儲(chǔ)坑?？煞贌囊后w類危險(xiǎn)廢物，根據(jù)其熱值，分別儲(chǔ)存在高、中低熱值廢液儲(chǔ)罐內(nèi)，經(jīng)過濾后泵送至回轉(zhuǎn)窯和二燃室的燃燒模塊。

醫(yī)療廢物以桶裝方式進(jìn)場，卸進(jìn)密封、隔離的醫(yī)療廢物暫存區(qū)。帶桶的醫(yī)療廢物經(jīng)斗式提升機(jī)提升至上下兩級疊放的醫(yī)療廢物專用撕碎機(jī)進(jìn)料斗內(nèi)，經(jīng)撕碎處理后的小粒徑物料直接進(jìn)入帶稱重及密封系統(tǒng)的醫(yī)療廢物儲(chǔ)倉，經(jīng)稱重后的醫(yī)療廢物由設(shè)置于儲(chǔ)倉底部的皮帶輸送至回轉(zhuǎn)窯窯頭鏈板給料倉內(nèi)。

經(jīng)預(yù)處理后的廢物在預(yù)混上料區(qū)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室配伍單進(jìn)行配伍混合均勻。散裝廢物的上料采用皮帶輸送機(jī)及鏈板給料機(jī)組合式進(jìn)料，桶裝廢物采用提升機(jī)進(jìn)料。由于工業(yè)危廢與醫(yī)療廢物的性質(zhì)不同，且不能同時(shí)處理，設(shè)置兩套不同的給料系統(tǒng)，通過各自的進(jìn)料斗進(jìn)入窯頭。

危險(xiǎn)廢物進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯后首先完成加熱、干燥、燃燒過程，此段燃燒過程溫度較低，然后進(jìn)入升溫?fù)]發(fā)及燃盡過程，此過程的時(shí)間需要保證大于1小時(shí)，且控制溫度在850℃左右。高溫?fù)]發(fā)的可燃?xì)怏w在回轉(zhuǎn)窯中來不及完全燃燒則進(jìn)入二燃室，二燃室的燃燒過程需要保證燃燒溫度在1100℃，且煙氣停留時(shí)間超過3秒，以此使有害物質(zhì)充分分解。溫度不達(dá)標(biāo)時(shí)，就需要噴入柴油作為輔助燃料，來確保溫度。

從二燃室出來的煙氣進(jìn)入冷卻過程，包括余熱鍋爐和急冷塔。煙氣進(jìn)入余熱鍋爐冷卻爐膛后，依次通過四個(gè)通道換熱，煙氣溫度降至約550℃左右。同時(shí)在余熱鍋爐預(yù)留SNCR 裝置接口位置，通過尿素泵噴射尿素溶液，以SNCR 工藝去除爐內(nèi)部分NO x。煙氣在急冷塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度驟降至200℃以下，且時(shí)間控制在1秒內(nèi)。

經(jīng)急冷塔降溫后的煙氣進(jìn)入煙氣后處理流程，首先在干式脫酸塔內(nèi)噴入消石灰粉和活性炭粉，將煙氣溫度降到170℃，以此降低煙氣的濕度，起到進(jìn)一步脫酸作用，同時(shí)活性炭可吸附煙氣中的重金屬、PCDD/PCDF 等有毒有害成分。然后進(jìn)入布袋除塵器，除去各種粉塵。其后進(jìn)入兩級濕式洗滌塔，經(jīng)水和堿液吸收完成脫酸過程。然后煙氣需要經(jīng)過再加熱過程，使煙氣升溫至300℃后進(jìn)入SCR，將 NOx 還原為N3和H3O。而此時(shí)排放煙氣溫度偏高，本項(xiàng)目中又增加了一個(gè)換熱器預(yù)熱鍋爐給水，將煙氣降溫至適合溫度，至此煙氣達(dá)到可排放標(biāo)準(zhǔn)，通過煙囪排入大氣。

（二）等離子熔融系統(tǒng)

本項(xiàng)目等離子熔融處置廢物包括本項(xiàng)目自產(chǎn)爐渣、飛灰以及外來酸洗污泥。設(shè)計(jì)采用的工藝路線為：廢物預(yù)處理及上料系統(tǒng)+等離子熔融爐+二燃室+（SNCR脫硝）+煙氣急冷＋干式脫酸（消石灰與活性炭噴射）+布袋除塵器+兩級濕法脫酸+煙氣再加熱器+SCR脫硝+煙囪排放。

爐渣、飛灰、外來酸洗污泥以及種輔料（碎玻璃及石灰石）等物料進(jìn)入各自物料緩沖倉，通過控制各自的振動(dòng)給料機(jī)卸料量，將物料排至皮帶輸送機(jī)上送入混料機(jī)，物料混料完成后通過混料輸送機(jī)提升至進(jìn)料緩沖倉，經(jīng)倉下皮帶稱重給料機(jī)稱量后，通過水冷螺旋入料段輸送入等離子熔融爐。

處置物料運(yùn)送至等離子上料區(qū)，通過螺旋推入等離子熔融爐。有機(jī)成分會(huì)在等離子體及高溫作用下裂解氣化，熔融區(qū)溫度達(dá)到1450-1600℃以上，等離子爐出口煙氣達(dá)到950℃以上。在1450-1600℃的反應(yīng)溫度下，無機(jī)物熔融成為液態(tài)，同時(shí)向爐內(nèi)添加助熔劑及其它氧化物組分調(diào)節(jié)出渣的形態(tài)，排出無毒無害的玻璃化渣，可二次利用作為建筑材料使用。

等離子爐反應(yīng)生成CO、H2、CH4、HCl等合成氣。合成氣體經(jīng)過二燃室再燃后將合成氣中的有機(jī)成分、CO和H2混合氣氧化成CO2和H2O，并釋放大量的熱。

二燃室溫度及停留時(shí)間以及后續(xù)高溫?zé)煔馓幹昧鞒膛c焚燒處置系統(tǒng)處置流程相同，主要為余熱利用及煙氣后處理，不同的是煙氣加熱器將煙氣加熱至200℃，不需要進(jìn)行換熱，二次脫硝后煙氣直接通過煙囪排入大氣。

（三）物化處理系統(tǒng)

物化系統(tǒng)處理的危險(xiǎn)廢物主要以廢液為主，本項(xiàng)目物化處理廢物包括烴水混合物或乳化液中油水混合物以及廢酸、廢堿等。

（1）預(yù)處理

廢乳化液、油水混合物

針對廢乳化液、油水混合物的處理工藝為：靜置隔油+破乳+油水分離+絮凝沉淀+板框壓濾，廢酸廢堿經(jīng)酸堿中和后，與油水分離后廢乳化液、油水混合物混合，經(jīng)絮凝沉淀+板框壓濾處理。

廢酸、堿對廢酸廢堿的預(yù)處理，首先需要進(jìn)行酸堿中和，使pH 值在9—10，然后進(jìn)入上述廢乳化液、油水混合物的絮凝沉淀+板框壓濾工藝進(jìn)行處理。

（2）蒸發(fā)處理工藝

經(jīng)預(yù)處理的廢水進(jìn)入雙效蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)處理，采用并流流程。廢水由循環(huán)泵加壓打入一效蒸發(fā)器，同時(shí)接入加熱蒸汽，在蒸發(fā)換熱室內(nèi)廢水被加熱至過熱，然后閃蒸出蒸汽作為二效蒸發(fā)器的熱源。廢水在不斷濃縮后，鹽濃度越來越高直至析出，吸鹽泵將一效蒸發(fā)器濃縮后的廢水吸出后進(jìn)行分離，分離后廢水進(jìn)入二效蒸發(fā)器繼續(xù)加熱濃縮，不斷循環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)水鹽分離。

三、余熱蒸汽系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)窯焚燒和等離子熔融處理后，高溫?zé)煔饣厥諢崃康闹饕侄尉褪抢糜酂徨仩t產(chǎn)生蒸汽。危廢處置項(xiàng)目蒸汽利用的主要途徑有：系統(tǒng)自用、對外供熱、蒸汽發(fā)電以及乏汽換熱供采暖及生活熱水等[4，5]。由于危廢項(xiàng)目的特殊性，地理位置經(jīng)常較為偏僻，故供熱較難實(shí)現(xiàn)。而蒸汽發(fā)電初期投資高，主要有螺桿發(fā)電機(jī)組和汽輪發(fā)電機(jī)組兩種。螺桿發(fā)電機(jī)組適應(yīng)性強(qiáng)，但是效率較低，汽輪發(fā)電機(jī)組雖然效率較螺桿發(fā)電機(jī)組高，但是適應(yīng)性沒有螺桿機(jī)組強(qiáng)，且占地面積較大，同時(shí)系統(tǒng)比較復(fù)雜，這些原因都制約了危廢項(xiàng)目余熱蒸汽發(fā)電應(yīng)用。

本項(xiàng)目中，余熱鍋爐蒸汽主要為系統(tǒng)自用及冬季供采暖。其中100t/d回轉(zhuǎn)窯焚燒處置線產(chǎn)生蒸汽15.3t/h，30t/d等離子熔融處置線蒸汽0.867t/h，蒸汽參數(shù)均為3.5MPa，244℃（飽和蒸汽），項(xiàng)目的蒸汽系統(tǒng)工藝流程圖如圖1。

圖1 蒸汽系統(tǒng)工藝流程圖

由工藝流程圖可見，設(shè)計(jì)工況下，整個(gè)焚燒處置項(xiàng)目共產(chǎn)生3.5MPa飽和蒸汽16.17t/h，優(yōu)先保證焚燒系統(tǒng)及等離子系統(tǒng)煙氣加熱及造粒干化等工藝用汽7.31t/h。剩余8.86t/h中壓蒸汽調(diào)壓至0.6MPa，加上煙氣加熱器換熱后的擴(kuò)容產(chǎn)生的低壓閃蒸蒸汽，共9.96t/h，優(yōu)先供除氧器、物化處理工藝及冬季采暖伴熱，剩余蒸汽供一二次風(fēng)空預(yù)器使用，蒸汽量不足時(shí)，調(diào)節(jié)一二次風(fēng)空預(yù)器蒸汽入口控制閥，減少蒸汽用量。由于物化處理系統(tǒng)和焚燒處理系統(tǒng)相對獨(dú)立，當(dāng)物化處理系統(tǒng)檢修或者停用時(shí)，產(chǎn)生的蒸汽無法利用，仍需設(shè)置備用蒸汽冷凝器，將剩余蒸汽冷凝后回用，此時(shí)一二次風(fēng)空預(yù)器可開到最大，故蒸汽冷凝器最大處理量為5.5t/h。

四、結(jié)論

本危險(xiǎn)廢棄物集中處置項(xiàng)目，利用了回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝、物化工藝，結(jié)合了金屬固化率高的等離子熔融新技術(shù)，可接收的危廢種類全，體量大，能處置區(qū)域內(nèi)大部分工業(yè)危廢及醫(yī)廢，同時(shí)項(xiàng)目將危廢處置產(chǎn)生的爐渣及飛灰等協(xié)同處置，不產(chǎn)生需要二次處置的危險(xiǎn)廢棄物，極大地緩解了城市危險(xiǎn)廢棄物處置壓力，有利于改善環(huán)境，給城市工業(yè)健康積極發(fā)展提供良好保障。同時(shí)在正常運(yùn)行情況下，項(xiàng)目產(chǎn)生的蒸汽能全部自用，減少了能源損失，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。