等离子气化技术处理危险废物工程应用

谢孟伟　曹莉萍　董　坤　陈　彤

（山东鲁抗中和环保科技有限公司 山东济宁 272100）

1　等离子气化技术介绍

等离子态是物质存在的一种状态，与固态、液态和气态并列，俗称“第四态”，是由大量相互作用但仍处在非束缚状态下的带电离子组成的宏观体系。和物质的另外三态相比，等离子体可以存在的参数范围异常的宽广，由于等离子体中含有离子、电子、激发态原子、分子、自由基等极活泼的化学反应物种，使它的化学反应性质与固、液、气三态有本质的区别，特别突出的一点是等离子体化学反应的能量水平高。

等离子气化炉中的等离子火炬采用电压为380V交流电产生等离子体。等离子体是气体与电弧接触而产生的一种高温、离子化和传导性的气体状态。由于电离气体的导电性，使电弧能量迅速转移并变成气体的热能，形成一种高温气体射流（温度达 4000-7000℃以上）和高强度热源。

等离子体处理危险废物是采用等离子火炬或火炉将废物加热至超高温，此时基本粒子的活动能量远大于任何分子间化学键的作用，物质的微观运动以原子热运动为主，原有的物质被打碎为原子物质，以破坏有害成分或使其丧失活力，从而将复杂的物质转化为简单的无害物质。因此等离子体处理法是一个废料分解和再重组过程，它可将有毒有害的有机、无机废物转成无害甚至有价值的产品，减容率可达95%以上，高于传统焚烧炉[1]。

2　等离子技术的优势

采用传统焚烧法处置工业废物确实可使废物得到减量化，但焚烧过程产生的二噁英一直是备受关注的焦点，由于热等离子体的高能量密度和高温使得废物反应速度很快，不依赖于自由基的存在，可以更有效的分解有机物而不产生二噁英，近年来等离子体气体技术已应用于处理城市和工业垃圾。

采用等离子体技术处置工业固体废物基本上不产生二噁英，另一突出的优点就是炉渣为玻璃化残渣，为惰性物质，其渗透性极低，在国外玻化渣均可作为路基材料来利用。等离子气化熔融技术比起其他热解和燃烧系统，运行效率高，优势明显。主要体现在以下几个方面：

（1）固体废物的减量效率高

传统的焚烧处理方法仍有大量的不可燃物和未燃尽物成为底渣，比如每吨污泥仍将有300-400kg的底渣仍然需要作为危险废物处理。而采用等离子体气化方式处理，玻璃化熔渣体积大约为焚烧产生灰渣体积的五分之一，最大程度做到了减量化。

（2）可做到固体废物的完全无害化处理

等离子体炉运行温度1450-1600℃，所有的有机物（包括二恶英、呋喃、传染性病毒、病菌及其他有毒有害物质）能够迅速脱水、气化和裂解，可保证净化后排放尾气的无害化效果。危险废物中不可燃的无机成分经等离子体高温处理后变成无害渣体，可用作建筑材料，如玻璃和金属等[2]。

危险废物传统焚烧处置方法产生的飞灰仍属于危险废物，以每天 50吨处理量的污泥焚烧厂为例，每天约有20吨的飞灰需要在固化后填埋。而等离子气化技术产生的飞灰可返回炉内重熔处理并也形成玻璃体[3]。

（3）固体废物资源化利用

等离子体气化的热转换效率比焚烧工艺高50%左右，在气化、焚烧过程中，热能可回收并转换成电能。等离子体气化产生的混合可燃性气体（以H2、CO和部分有机气体等为主要成分）无毒无害，不产生二次污染，不污染周边的空气、水源和环境，排放的气体无黑烟，并可作为热源直接加以利用，还可以进一步处理，分离出氢气和生产其他高价值的化工产品。

（4）进料范围广

等离子体气化是一种适用广泛的废弃物处理方式，可以处理除易爆和具有放射性以外的任何危险废物，且无任何二次污染，对处理废物进料的控制要求要比焚烧处理简单得多，可以处理大部分生产过程中产生的危险废物。从理论上讲,所有能用传统的焚烧炉处理的都可以用等离子体系统来处理。

采用高温等离子气化炉，可以提高炉内温度，提升效率，降低污染物的生成量。同时还可以适应不同类型的物料，相对于传统焚烧优势明显，具体见表1。

表1　等离子气化炉与回转窑焚烧炉工艺对比表

3　工程应用实例

山东某制药企业建设一套20000t/a的危险废物等离子气化炉处理系统，主要处理其所在园区产生的抗生素菌渣、污泥、废活性炭、废药品、废溶剂、精馏残渣、废催化剂等十多种危险废物。

3.1　工艺流程

本项目确定工艺技术方案为等离子辅助气化熔融工艺，处理系统整体采用微负压处理工艺。

图1　工艺流程图

抗生素菌渣、污泥等有机固废通过刮板机进入蒸汽干燥机，干燥后排出的废渣含水率为20%-25%。然后再与其他固废以及废液通过不同的进料系统进入等离子气化炉，等离子体产生的高温将有机物裂解产生生物质气，进入二燃室燃烧，燃烧后的热烟气进入余热锅炉进行热交换，产生的蒸汽回用于前端干燥机，热交换后的烟气进入废气处理系统处理后排放。

处理过程产生的废水依托园区原有污水处理站处理，飞灰、不可燃残渣熔融成玻璃化渣经鉴定达到无害化效果后做铺路用的砂石骨料等，烟气经过处理系统通过烟囱排入大气，整个系统工艺流程简单实用。

3.2　主要构筑物

3.2.1等离子气化炉

等离子体炉作为废物气化的设备，废物在等离子体炉中依次经历预热、气化和燃烬三个阶段，使废物分解，是实现废物减量化和无害化处理的主要场所。在气化炉中需要添加焦炭作为床层，并采用预热空气，提高整个系统的热效率。

本项目等离子体炉尺寸Φ4000×10000mm，炉膛长度约为7m，根据设计炉膛烟气流速（3-3.5m/s左右），物料从进料口气化裂解至烟气出口至少停留2s以上。因此，废物中的有机成分在熔融炉内有足够的能量（反应温度1200℃以上）和足够反应时间彻底气化并裂解成小分子形成可燃合成气（CO、H2、CH4等）。而 1200℃以上的高温，使危险废物基本燃烬，不但使废渣焚尽烧透，还从源头避开产生二噁英的工况区。

物料进入等离子体反应炉后，其中的有机物质在高温（1200度）的作用下迅速反应。反应过程中，氧分的多少可以由氧化风进口的阀门控制。而无机物则在高温作用下，熔融形成熔浆（约1450-1600度）。熔浆积累到一定量后通过出浆通道引出等离子体反应炉。如果直接水淬，则可得到砂砾状的无毒无害的玻化渣。

3.2.2二燃室

二燃室的作用主要是将等离子体炉气化过程中产生的合成气进一步燃烧分解，使之完全转化为 CO2、H2O及SO2、HCl、NOx等气体。二燃室设置 2台点火装置，使用柴油作为燃料，二燃室内的燃烧温度控制在1100℃以上，烟气停留时间至少2-4秒钟，使有毒成分在二燃室得到充分的分解和消除。

二燃室焚烧后的灰渣自动落入出灰机内排出，冷却后的灰渣由炉窑下方末端排出，设置密封袋收集，返回进料系统继续进入等离子体炉氧化熔融。

二燃室炉膛尺寸：3m×12m；炉膛负压：-200pa。

3.2.3余热利用系统

数量1套，采用二回膜式水冷壁蒸汽锅炉。其主要参数：给水温度104℃，压力：0.8Mpa，蒸汽温度170℃；蒸汽量：3.32t/h，立式布置。锅炉进口烟气温度1100℃，出口温度500℃。

主要原理为：温度为1100℃的高温烟气进入高温急冷系统，高温急冷系统选用余热锅炉。余热锅炉构造分为两段式，分为高温段和低温段，高温段温度由1100℃降至 800℃，低温段再由 800℃降至 500℃，可得到不同压力的蒸汽。

余热锅炉采用大管径双套管式炉管，管径89mm，炉管内壁衬有陶瓷涂层，并配置自动除灰装置，可有效防止结垢。余热锅炉同时还带有蒸汽吹扫装置，根据不同的工况，定期对锅炉内部进行吹扫，出灰温度小于100℃，可以有效的防止锅炉的堵塞，余热锅炉收集的粉尘返回至等离子气化炉重新处理。余热回收系统配套自动给水软化系统，软化水系统要求用反渗透制备，软化水的水质应满足《工业锅炉水质》(GB1576-2001)的要求。

3.2.4烟气净化处理系统

烟气处理工艺采用“烟气脱硝（SNCR）+旋风除尘+空气急冷+布袋除尘+湿法脱酸+湿式电除尘+活性炭吸附塔”的烟气净化工艺。

烟气脱硝：脱氮工艺采用非催化法还原(SNCR法)控制NOx。其脱硝还原剂为低浓度氨水。旋风除尘：高温烟气由进气管进入导向器，导向器使气体产生旋转并使粉尘分离出来。被分离出来的粉尘从旋风子下端出来后进入灰斗，被净化的气体进入排气室，由排气口排出。

空气急冷：空气急冷器采用强迫风冷，对烟气进行急冷，使其在1s内将烟气温度500℃降至200℃以下，防止二噁英产生。空气急冷器高度12米，烟气流速>25m/s，设计值<0.5s完成500℃至200℃降温，满足规范1s内要求。

布袋除尘：清灰过程均由PLC的设定程序自动完成。烟气进口温度170℃，出口温度高于130℃，有效地防止结露现象产生，同时能延长滤布的使用寿命。

碱洗脱硫：稀碱液（氢氧化钠）逆流接触以除去硫化氢、二氧化硫、硫化氢、颗粒物等。

湿电除尘：湿式电除尘器是一种用来处理含微量粉尘和微颗粒的新除尘设备，主要用来除去含湿气体中的尘、酸雾、水滴、气溶胶、臭味、PM2.5等有害物质。

活性炭吸附：使用移动床活性炭吸附器，将移动下来的活性炭送入气化炉中。

3.3　运行情况及分析

3.3.1运行效果

该系统工艺流程完整，包括进料、气化、出渣、合成气二次燃烧、尾气净化、自动控制等全套设备。气化炉内工作温度可控，达1200℃以上，可有效地摧毁各类有机污染物，采用焦炭床技术有助于控制氮氧化物的生成，在等离子体炬作用下气化炉的底渣熔融，排出气化炉形成玻璃体。系统配有在线监测仪器。

项目自2017年6月试运行以来，运行情况稳定，检测数据表明该系统各项污染物排放能满足相应排放标准。等离子气化炉烟气中主要污染物的SO2、NOx和烟尘排放浓度均满足《山东省区域性大气污染物综合排放标准》（DB37/2376-2013）2017年1月1日执行的重点控制区标准；HCl、HF、Pb、As、二噁英类等其他污染物排放浓度满足《危险废物焚烧污染控制标准》（GB18484-2001）中表3中≥2500kg/h限值要求。废水经污水收集管道收集后，排入园区污水处理站进行处理，满足《污水排入城镇下水道水质标准》（GB/T 31962-2015）表1中A等级标准要求。固体废弃物主要为等离子气化炉底玻璃渣，底灰、飞灰和生活垃圾。等离子气化炉底玻璃渣交由有资质检测单位对玻璃体渣进行安全性检测，达到无毒无害要求后，按一般固体废物处理。

3.3.2运行成本

水、电等辅助材料消耗情况见表2。加上人工、维修及其他费用后，合计经营成本超过2500元/吨。

表2　主要辅助材料消耗情况一览表

3.3.3存在的不足

（1）在实际工程应用中，目前等离子系统并不能实现理论上所讲的能处理除易燃易爆、放射性等外的所有种类的危险废物，考虑到运行的经济性和安全性，对处理物料是有选择性的。无论是固体废物还是液体废物，进入等离子气化炉前需进行配伍操作，与辅料进行一个合理的配比，要达到一定的热值；同时要求配伍的物料之间不能具有反应性。

（2）收集的飞灰回炉重熔操作难度大。旋风除尘、布袋除尘等烟气治理设施捕集的飞灰，由于热值很低，若单独对其进行等离子体处置，将其熔化要消耗较大的热能，通常与其他可燃废物协同处理，可适当减少等离子体电能。但实际上，由于飞灰质量很轻，一动就容易扬撒，很难与其他物料成功配伍。即使完成了配伍，进入等离子气化炉后仍旧难以熔融到玻璃体中。工程运行中飞灰的最终处置方式选择的还是填埋。

（3）产生的玻璃体渣要用作建筑材料等用途需进行非危险废物鉴定。虽然2016版的危险废物名录中不包含玻璃态残渣，但是等离子体炉在反应中产生的玻璃体渣还是要进行无害化鉴定，达到要求后才能按照一般废物处置利用。在完成鉴定前，政府环保部门还是按照危险废物进行管理。而当前，国内危险废物的鉴定过程还是需要花费一定的时间的。

（4）能耗大。仅电耗费用就占辅助材料费用的42.85%，如果再加上水、柴油的费用，就占到了68.34%。能耗与所处理废物的热值有很大关系，如果废物的热值越低，能耗就越大，相应的处理成本就越高。

结语

等离子气化技术是一种处理效率高、基本没有二次污染、适用广泛的先进技术，它不仅可以利用等离子体高度集中的能量彻底破坏有毒有害有机污染物，还可以将重金属等有害物质固化在玻璃体熔渣中，切实达到危险废物无害化处置效果。随着工艺设备的国产化以及工艺控制技术的不断优化，等离子气化技术的投资和运营成本也会得到大大降低，将具有更好的经济实用性。目前国家环保新政策新法规陆续出台，危险废物的治理更加规范更加严厉，等离子气化技术在危险废物处理方面的应用前景将更加广阔。

[1]李伟，李水清，崔瑞祯，刘刚，季天仁.等离子体处理危险废物技术[A].中国环境保护优秀论文集（2005）（下册）[C]，2005:5.

[2]杨德宇，俞建荣.等离子体熔融气化技术处理废弃物的研究[J].新技术新工艺，2014（2）:106-109.

[3]黄耕.等离子气化技术在固体废物处理中的应用[J].中国环保产业，2010(6）：43-45.