危險(xiǎn)廢物焚燒底渣熔融技術(shù)探討

張文俠

(天津?yàn)I海合佳威立雅環(huán)境服務(wù)有限公司,天津 300452)

0 引言

危險(xiǎn)廢物是指被列入國家危險(xiǎn)廢物名錄或根據(jù)國家規(guī)定的危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)及鑒別方法認(rèn)定的具有危險(xiǎn)特性的固體廢物。危險(xiǎn)廢物焚燒是在高溫環(huán)境下對其進(jìn)行焚燒,以減少其危害性,對廢物處置的最終過程進(jìn)行簡化,提升其處理效果。對比填埋技術(shù),危險(xiǎn)廢物焚燒技術(shù)有著較為顯著的優(yōu)勢,通過高溫對危險(xiǎn)廢物進(jìn)行分解,具備良好的減量效果。多數(shù)危險(xiǎn)廢物焚燒后體積能夠減少90%以上,后續(xù)處理更加簡單,且高溫能夠消滅危險(xiǎn)廢物中存在的病菌及大部分有毒有害物質(zhì)。但燃燒產(chǎn)生的煙塵及有害氣體需經(jīng)過無害化處理后排放。高溫?zé)煔饪赏ㄟ^余熱鍋爐換熱后產(chǎn)生高溫蒸汽,用于供熱或發(fā)電。焚燒技術(shù)可全天候不間斷地連續(xù)作業(yè),不受天氣狀況的影響[1]。

危險(xiǎn)廢物焚燒技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中會受到幾個關(guān)鍵因素的影響:①焚燒溫度。其會影響焚燒過程中的反應(yīng)速度及最終的物質(zhì)生成。危險(xiǎn)廢物在充分燃燒和不充分燃燒的情況下會產(chǎn)生不同的物質(zhì)。一般情況下,危險(xiǎn)廢物焚燒處理中,焚燒溫度在850 ℃～1200 ℃,在氧氣供應(yīng)充分、反應(yīng)時(shí)間足夠的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)對大多數(shù)有毒有害物質(zhì)的分解及去除。②反應(yīng)時(shí)間。危險(xiǎn)廢物的有機(jī)成分構(gòu)成不同,焚燒分解所需的時(shí)間也有所不同,需要結(jié)合實(shí)際情況來確定最佳反應(yīng)時(shí)間。反應(yīng)時(shí)間過短可能無法實(shí)現(xiàn)對有毒有害成分的徹底分解,反應(yīng)時(shí)間過長則會引起能源浪費(fèi)。③過量空氣系數(shù)。危險(xiǎn)廢物焚燒需要足夠的空氣供應(yīng),過量空氣系數(shù)是實(shí)際焚燒使用的空氣量與達(dá)到理想狀態(tài)所需的空氣量的比值,會對焚燒溫度及反應(yīng)速度產(chǎn)生直接影響。在危險(xiǎn)廢物焚燒處置中,過量空氣系數(shù)通常在1.2～2.0[2]。

1 危險(xiǎn)廢物焚燒處置工藝流程

1.1 預(yù)處理系統(tǒng)

針對危險(xiǎn)廢物進(jìn)行焚燒處理需考慮爐內(nèi)溫度波動、尾氣超標(biāo)等因素的影響,很難全程保證焚燒系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行,因此在將危險(xiǎn)廢物送入回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)前需依照其化學(xué)組分、發(fā)熱量等信息做好相應(yīng)的配伍預(yù)處理,避免不相容廢物同時(shí)進(jìn)入焚燒爐,以保證焚燒的穩(wěn)定性及安全性。危險(xiǎn)廢物配伍可分為:①市場層級。必須熟悉市場上存在的危險(xiǎn)廢物類型、數(shù)量、性質(zhì)等,制定出完善的危險(xiǎn)廢物收集處理方案。②廠區(qū)配伍。需由專業(yè)人員做好對危險(xiǎn)廢物的分析及檢測,對焚燒物料進(jìn)行合理搭配,給出詳細(xì)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(chǎn)生直接影響。

1.2 進(jìn)料系統(tǒng)

危險(xiǎn)廢物進(jìn)料系統(tǒng)根據(jù)包裝形式的差異可分為散裝廢物進(jìn)料系統(tǒng)、桶裝廢物進(jìn)料系統(tǒng)及廢液進(jìn)料系統(tǒng)[3]。進(jìn)料系統(tǒng)需引入自動化及智能化控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)與實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)的可靠連接。

1.3 焚燒系統(tǒng)

焚燒處理系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

圖1 焚燒處理系統(tǒng)工作流程

回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)是對危險(xiǎn)廢物進(jìn)行焚燒處理的關(guān)鍵設(shè)備,可將危險(xiǎn)廢物徹底焚燒,形成底渣和高溫?zé)煔膺M(jìn)入到二燃室中。余熱鍋爐與氣水系統(tǒng)共同構(gòu)成了余熱回收系統(tǒng),鍋爐中的高溫?zé)煔膺M(jìn)入噴淋塔實(shí)現(xiàn)快速冷卻,之后,經(jīng)煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)一步實(shí)施無害化處理,最終從煙囪完成排放。焚燒后的底渣會進(jìn)入底渣處理系統(tǒng),而回轉(zhuǎn)窯、二燃室、余熱鍋爐等都會單獨(dú)產(chǎn)生底渣及飛灰,經(jīng)過水淬處理后會被暫時(shí)存放到封閉性的箱體內(nèi),在確定不存在任何回收利用價(jià)值后運(yùn)輸?shù)教盥駡鲞M(jìn)行集中處理[4]。

2 危險(xiǎn)廢物焚燒底渣熔融技術(shù)

在對危險(xiǎn)廢物進(jìn)行無害化處理時(shí)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(chǎn)生的底渣有著很高的重金屬含量及浸出濃度,仍屬于危險(xiǎn)廢物范疇,必須經(jīng)過進(jìn)一步的無害化處理后才能進(jìn)行填埋,會占用大量的土地資源,且依然存在滲漏風(fēng)險(xiǎn)。底渣熔融技術(shù)是通過熔融方式對底渣進(jìn)行深度處理,最終得到的產(chǎn)品可依照一般廢物進(jìn)行回收利用或處置,能夠最大限度地減少環(huán)境污染問題。該技術(shù)適用范圍較廣,處置能力強(qiáng),煙氣凈化程度高,處置成本較低,經(jīng)過熔融處理后,底渣中原本存在的有毒有害物質(zhì)會被封存在玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)中,穩(wěn)定性強(qiáng),不容易出現(xiàn)滲漏等問題[5]。常用的技術(shù)路線有以下幾種:

2.1 回轉(zhuǎn)窯技術(shù)

結(jié)合底渣的實(shí)際狀態(tài)及溫度,可將回轉(zhuǎn)窯分為兩種:①熔渣式回轉(zhuǎn)窯。內(nèi)部溫度可達(dá)到1350 ℃,除了一些高熔點(diǎn)的金屬及化合物,其他物質(zhì)基本都可以實(shí)現(xiàn)熔融,焚燒相對完全。②干灰式回轉(zhuǎn)窯。內(nèi)部溫度不超過1000 ℃,固體依然以灰渣形式存在,沒有進(jìn)入到熔融態(tài)。回轉(zhuǎn)窯技術(shù)在德國等發(fā)達(dá)國家已得到了成功應(yīng)用,發(fā)展趨于成熟,但在我國仍然缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),由于材料成本及運(yùn)營要求較高,技術(shù)應(yīng)用受到了很大的限制。

2.2 回轉(zhuǎn)窯+在線等離子體熔融爐

將回轉(zhuǎn)窯尾部落渣口下原本的出渣裝置替換為熔融爐,窯內(nèi)排出的高溫爐渣會直接進(jìn)入到熔融爐中,在高溫作用下形成玻璃態(tài)熔渣,具備連續(xù)性及穩(wěn)定性優(yōu)勢。想要確保危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)的連續(xù)可靠運(yùn)行,必須加強(qiáng)對進(jìn)料及出渣環(huán)節(jié)的嚴(yán)格管控[6]。以100 t/d的回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐配置,需要增加熔融爐設(shè)備,成本約為150萬元。除渣設(shè)備的費(fèi)用基本與原費(fèi)用相同,不過還需要進(jìn)行土方挖掘及設(shè)備安裝,成本費(fèi)用并不固定,會受到施工難度的影響。

對比單一的回轉(zhuǎn)窯技術(shù)方案,該方案的設(shè)備占地面積小,不需要設(shè)置獨(dú)立區(qū)域?qū)θ廴跔t進(jìn)行安置,不需對回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)布局進(jìn)行大規(guī)模改動,對于系統(tǒng)布局相對緊湊的項(xiàng)目,具備升級改造空間。熔渣從回轉(zhuǎn)窯中排出時(shí),本身處于高溫狀態(tài),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(shè)備安放相對緊湊,安裝空間狹小,很容易出現(xiàn)相互干擾問題,對后續(xù)檢修維護(hù)造成不便,且熔融爐與回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的聯(lián)系十分緊密,控制系統(tǒng)十分復(fù)雜,操作難度相對較大。熔融爐的檢修周期相對于回轉(zhuǎn)窯較短,設(shè)備連接區(qū)域?qū)儆诟邷貐^(qū)段,如果需要對熔融爐進(jìn)行檢修,則回轉(zhuǎn)窯同樣需要停機(jī),會對系統(tǒng)整體產(chǎn)生較大的影響?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)屬于氧化環(huán)境,熔融爐內(nèi)屬于還原環(huán)境,當(dāng)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料進(jìn)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(shí)現(xiàn)對原料的預(yù)處理,因此在實(shí)際運(yùn)行中可能會對進(jìn)料及熔融爐的運(yùn)行產(chǎn)生影響[7]。

目前,回轉(zhuǎn)爐+在線等離子體熔融爐技術(shù)在我國并沒有得到有效應(yīng)用,但部分企業(yè)已開展了相應(yīng)的專利研究,取得了一定的成果。

2.3 回轉(zhuǎn)窯+離線等離子體熔融爐+水封出渣機(jī)

該技術(shù)方案是在現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的周邊設(shè)置獨(dú)立熔融爐,回轉(zhuǎn)爐焚燒后的底渣經(jīng)過水封出渣機(jī)冷卻處理后,投入到熔融爐進(jìn)行高溫熔融處理,熔融物冷卻后的材質(zhì)類似玻璃。熔融爐運(yùn)作過程中產(chǎn)生的煙氣會通過高溫管道進(jìn)入二燃室。以100 t/d的回轉(zhuǎn)爐+40 t/d的離線等離子體熔融爐設(shè)備為例,其總占地面積約為100 m2,實(shí)際運(yùn)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(yōu)勢在于回轉(zhuǎn)窯設(shè)備與熔融爐設(shè)備相互獨(dú)立設(shè)置,不管是運(yùn)行還是控制都互不干擾,系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)可獨(dú)立維修,基本不會對危險(xiǎn)廢物的正常焚燒作業(yè)產(chǎn)生影響。熔融爐可與回轉(zhuǎn)窯共用煙氣處理設(shè)施,因?yàn)槠浔旧懋a(chǎn)生的煙氣量很小,不會對回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行工況產(chǎn)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(zhuǎn)窯焚燒線路而言,改造作業(yè)難度小,操作便捷[8]。相關(guān)設(shè)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(shè)備的方式,能夠有效應(yīng)對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部工況波動對爐渣帶來的影響,進(jìn)一步提升處理效果。在該技術(shù)方案中,可定期對爐渣成分進(jìn)行采樣分析,結(jié)合分析結(jié)果對熔融爐內(nèi)爐渣的添加量進(jìn)行計(jì)算,做好相應(yīng)的比例調(diào)控。對于一些原本就不適合焚燒的危險(xiǎn)廢物,可直接輸送到熔融爐中進(jìn)行高溫處理。

該技術(shù)方案的缺陷體現(xiàn)在兩方面:一是回轉(zhuǎn)窯在焚燒危險(xiǎn)廢物后產(chǎn)生的高溫爐渣需要經(jīng)過水淬冷卻之后才能進(jìn)入到熔融爐中,沒有實(shí)現(xiàn)對熱量的合理利用,存在較嚴(yán)重的能源浪費(fèi)問題。二是熔融爐與回轉(zhuǎn)窯各自獨(dú)立設(shè)置,工程整體造價(jià)較高。目前,該技術(shù)方案在國內(nèi)進(jìn)行了一定的嘗試,不少企業(yè)對相關(guān)專利進(jìn)行了研究,想要進(jìn)行大規(guī)模的推廣使用還需深入研究[9]。

3 技術(shù)方案對比

將上述三種技術(shù)方案進(jìn)行對比分析,結(jié)果如表1所示。可以看出,使用第三種技術(shù)方案,即回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)與等離子體熔融爐獨(dú)立設(shè)置方案,能夠最大限度地保障系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。

表1 三種技術(shù)方案對比

4 結(jié)束語

危險(xiǎn)廢物產(chǎn)量不斷增長,故而焚燒處置率需不斷提高,但焚燒產(chǎn)生的底渣具有危害性。從無害化處理角度來看,應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對底渣熔融技術(shù)的研發(fā)及推廣,真正實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)廢物焚燒底渣的資源化及減量化。危險(xiǎn)廢物底渣熔融技術(shù)在很多國家得到了推廣應(yīng)用,形成了完善的技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)體系,我國應(yīng)加快對相關(guān)規(guī)范的研究,為技術(shù)應(yīng)用提供良好的支撐。通過對三種技術(shù)方案的對比分可知,回轉(zhuǎn)窯技術(shù)在我國已基本成熟,等離子體熔融技術(shù)依然處于專利技術(shù)研發(fā)階段,尚未得到有效應(yīng)用。應(yīng)將研究重點(diǎn)放在回轉(zhuǎn)窯+離線等離子體熔融爐+水封出渣機(jī)技術(shù)方案上,按照我國危險(xiǎn)廢物的物料類型、性質(zhì)等,逐步推動此技術(shù)方案的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)裝置設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化及本地化,為危險(xiǎn)廢物處置的實(shí)施提供良好支撐。