危险废物焚烧底渣熔融技术研究

肖燕，柳培文，杨华，曹彤

（1.中国天楹股份有限公司，江苏 南通 226600；2.南通市海安生态环境局，江苏 南通 226600）

危险废物是指列入《国家危险废物名录》，或者根据国家规定的危险废物鉴别标准和鉴别方法认定的具有危险特性的固体废物。2011 年企业危险废物申报下限由10kg 调整至1kg，全年统计量跃升；2016年国务院印发的《土壤污染防治行动计划》为危险废物管理和处置提供了强大推力；2018 年新的《环境保护税法》实施，进一步推动了环保监管的日常化和规范化；2020 年《固体废物污染环境防治法》修订，危险废物管理措施上升到法律层面，国家政策驱动危险废物行业快速发展。

目前，焚烧、物化、填埋是危险废物无害化最终处置的主要方法[1,2]，我国对于焚烧底渣主要采用安全填埋的方式进行最终处置，但是填埋场地容量有限且填埋处置存在渗漏等环境风险。《危险废物填埋污染控制标准》（GB 18598—2019）颁布后，危险废物产废量集中区——东部沿海地区的填埋场的选址异常困难且建设和运行成本会越来越高。不断增长的焚烧底渣产生量势必会给危险废物填埋场库容造成巨大压力，因此实现焚烧底渣的减量化与资源化具有重大意义。

1 危险废物焚烧底渣特性

1.1 产生量预测

根据前瞻产业研究院发布的《2020—2025 年中国危废处理行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》，受疫情影响，医疗废物产生量增长，2020 年我国危险废物产量超过10 000 万t。焚烧和填埋的需求占比约为34%，2020 年焚烧和填埋的处置量约为3400 万t，按照危险废物的焚烧处置量占总处理量的55%、60%、65%三种比例预测我国危险废物焚烧底渣产生量，由表1 可看出，三种比例下2020 年我国危险废物焚烧底渣产生量分别为468 万t、510 万t和552 万t。

1.2 重金属毒性

焚烧产生残渣量占固体废物总量的20%—30%，由于其具有很高的金属含量和浸出浓度，残渣仍属危险固体废物，须经过安全稳定化处理满足进场要求后方可填埋[3]。表2 为两种危险废物焚烧底渣的重金属成分及含量[4,5]。

表2 两种危险废物焚烧底渣的重金属成分及含量（单位：mg/L）

根据《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》（GB 5085.3—2007），固体废物浸出液中任何一种危害成分含量超过表3 所列的浓度限值时，即判定该固体废物是具有浸出毒性特征的危险废物。根据《危险废物安全填埋处置工程建设技术》，危险废物中铅含量高于5mg/L、镍含量高于15mg/L、砷含量高于2.5mg/L时，禁止直接进入危险废物填埋场处置。

表3 无机元素及化合物浸出毒性鉴别标准值

1.3 国内外底渣玻璃化应用情况[6]

1.3.1 中国

目前我国已建成10 余套危险废物高温熔渣（熔融）玻璃化处置设施。经检测，浸出毒性测试结果远低于《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》（GB 5058.3—2007）限值，但是玻璃化技术建设成本比普通危险废物回转窑焚烧炉高10%—20%，在我国未得到广泛使用。熔融技术的推广已经形成了一定规模，具有一定普遍性，我国正在积极推进《固体废物玻璃化处理产物技术要求》标准的制定，江苏省《生活垃圾焚烧飞灰熔融处理技术规范》（DB32/T 3558—2019）已于2019 年3 月30 日起正式实施，填补了国内空白。

1.3.2 欧盟

欧盟明确规定危险废物处置后所产生的玻璃态残渣是一般固体废物（代码：19 04 01），不作为危险废物进行管理。目前，欧盟国家超过1/2 的危险废物焚烧处置设施采用了熔渣（熔融）玻璃化处置技术。

1.3.3 美国

美国国家环境保护局（EPA）于1992 年出台了《危险废物玻璃化工程技术手册》，用于指导危险废物玻璃化处置技术，对热处理、电处理两大类危险废物玻璃化处置技术进行了综合对比。美国近1/3 的危险废物焚烧处置厂采用高温熔渣（熔融）处置技术。

1.3.4 日本

受土地资源的限制，为了有效控制危险废物的填埋量，熔融焚烧技术在日本也得到广泛应用。根据有关资料介绍，日本有超过30 个企业采用危险废物熔融和玻璃化热处理技术。

2 底渣高温熔融技术路线比较

目前危险废物高温熔渣玻璃化技术主要包括回转窑熔渣焚烧技术和等离子体熔融技术，高温熔渣玻璃化技术具有适应范围广、处置能力大、焚毁去除率高、烟气净化程度高等优点，处置成本低于填埋处置[7]。熔融处置后，可将熔渣中重金属等有毒有害物质封存固化在玻璃态结构中，具有较强的稳定性，而且体积较小，易于储存和转移。

2.1 熔渣回转窑技术路线

根据窑内灰渣物态及温度范围，回转窑可分为干灰式和熔渣式。干灰式回转窑内的温度低于1000℃，窑内固体尚未熔融，仍为固体灰渣。熔渣式回转窑内温度可达1350℃，固体废物中的惰性物质除高熔点的金属及其化合物外，皆在窑内熔融，因此焚烧程度比较完全。熔融的流体由窑内流出，经急速冷却后凝固。这种类似矿渣或岩浆的残渣颗粒大，重金属浸出浓度较干灰式回转窑排放的灰渣低。

熔渣回转窑在德国已经有很多成熟案例，如表4所示。我国没有熔融玻璃化相关产品标准，运营要求相对高，耐材成本高，因此限制了该技术在我国的发展。

表4 德国熔渣回转窑技术应用案例

2.2 回转窑焚烧+水封出渣机+离线等离子体熔融炉技术路线（共用烟气处理）

在回转窑焚烧线附近设置一台独立的熔融炉，回转窑焚烧后的炉渣，经过水封除渣机冷却后，作为原料投入熔融炉进行高温熔融，形成玻璃体排出。熔融炉产生的烟气经高温管道汇总后进入回转窑焚烧线的二燃室处理。100t/d 回转窑焚烧线配套40t/d 熔融设备，占地面积约100m2，等离子电弧设备的运行能耗为670—900kW·h/t。

此方案的优点在于：

（1）熔融炉设备与回转窑焚烧设备相对独立设置，运行和控制彼此独立，对危险废物焚烧线的正常运行影响最小。

（2）熔融炉和回转窑可共用烟气处理设施（熔融炉烟气量小，对回转窑工况影响不大），可降低设备的投资和运营成本。

（3）两台设备之间的联系可以断开，一台设备检修不影响另一台设备运行。

（4）对于有空余场地的回转窑焚烧线，改造较为简单。

（5）设备容易布置，等离子体炉可以采用石墨电极，无需受限于等离子体炬。

（6）可以增加炉渣预处理设备，以应对回转窑工况波动对炉渣的影响，比如破碎、磁选除铁等。

（7）方便定期对炉渣成分进行取样分析，以计算熔融炉的添加剂量，调配比例。

（8）对于来料中不适宜焚烧的无机废物可送入熔融炉，增强物料适应性。

此方案的缺点在于：

（1）回转窑焚烧产生的高温炉渣被水淬冷却后才进入熔融炉，热量没有被充分利用，浪费的能量约为500kW·h/t。

（2）熔融炉和回转窑独立设置，工程建设造价相对较高。

目前回转窑+离线等离子熔融炉的技术路线在国内还没有成熟案例，东方电气、广州维港等公司有相关专利研究（见表5）。

表5 回转窑+离线等离子体熔融炉技术专利研究

2.3 回转窑焚烧+在线等离子体熔融炉技术路线

此方案取消了回转窑尾部落渣口下方的出渣装置，改为设置一个熔融炉。回转窑中的高温炉渣从窑尾直接落进熔融炉内，在高温下形成玻璃态熔渣，连续稳定排出。整个方案中危险废物焚烧进料和出渣的稳定是保证危险废物焚烧装置长期连续运行的关键。

以100t/d 回转窑配套40t/d 熔融的方案为例，按照此种设备布置方案，增加的费用主要有建设成本和运行成本。在建设成本方面，熔融炉设备约为150 万元，除渣机费用和原来基本持平。此外，需要增加一部分建设施工费用（土方挖掘、设备安装等），此部分费用根据现场改造施工难度不同而有所不同。在运行成本方面，主要为电费，由于各地电费不同，所以运行费用有所不同。

此方案的优点在于：

（1）设备占地面积相对较小，不需要设置单独区域安放熔融炉设备。

（2）对于传统回转窑系统的布置结构改动较小，可以用于没有多余场地的回转窑炉的升级改造。

（3）炉渣进入熔融炉之前已经从回转窑携带大量热量，可减少熔融炉能量消耗。

此方案的缺点在于：

（1）设备紧凑，设备安装空间狭小，容易产生干扰，不利于检修。

（2）熔融炉与回转窑工艺联系紧密，控制系统复杂。

（3）熔融炉检修周期短于回转窑检修周期，设备高温段相连，一旦熔融炉停炉检修，回转窑必须同时停止，设备间相互影响较大。

（4）回转窑内为氧化环境，熔融炉内为还原环境，回转窑物料进入熔融炉，不适用石墨电极，只能采用昂贵的等离子炬。

（5）无法对原料进行预处理，可能会对进料和熔融炉造成影响。

目前回转窑+在线等离子体熔融炉的技术路线在国内尚无应用，光大环保、天和控股等公司有相关专利研究（见表6）。

表6 回转窑+在线等离子体熔融炉技术专利研究

2.4 三种技术路线比较

表7 从技术特点、运营要求、设备投资等方面对三种技术进行了综合比较，采用成熟的回转窑焚烧和等离子体熔融炉独立布置，系统的可靠性相对最高。

表7 不同熔融方案对比

3 结语

随着危险废物产生量的不断增加及焚烧处置率的持续提高，焚烧底渣所产生的危害将持续显现，需要加快玻璃化技术的应用开发，实现焚烧底渣的减量化与资源化利用。危险废物玻璃化技术已在发达国家推广应用且有完善的技术规范及鉴别体系，建议加快研究制定我国的危险废物高温熔融玻璃化技术规范、玻璃化残渣最终处置技术规范。

通过对“熔渣回转窑技术”“回转窑焚烧+水封出渣机+离线等离子体熔融炉”“回转窑焚烧+在线等离子体熔融炉”三种技术综合比较，并结合目前国内回转窑技术虽然已经成熟，但是等离子体熔融技术还在消化吸收国外先进经验的现状，建议优先开展“回转窑焚烧+水封出渣机+离线等离子体熔融炉”技术路线的研究工作，根据国内危险废物的物料情况，实现危险废物底渣高温熔融玻璃化处置设备的本地化和产业化。