危险废物焚烧处理工艺优化设计研究

刘元虎，王兆丰，葛锡印

(山东郯创环保科技发展有限公司，山东 临沂 276100)

危险废物的无害化处理不仅是响应国家环境保护战略举措的重要组成部分，更是构建人类安全生存环境的重要保障。尤其是近年来，随着我国经济实力与工业化水平不断提升，工业产出的危险废物产量快速增长，如何安全、高效、可循环处理和利用危险废物已成为国内外学者研究的重点。基于危险废物种类多、性质分散的特性，危险废物的处置手段和措施也不尽相同。按照危险废品的特性，一般可分为资源化处理、减量处理和最终处置三种处理方式。其中，资源化处理方式又包括危险废物的直接利用、回收再利用和能源化利用三种模式[1]。减量处理最典型的是将危险废物焚烧处理，再将焚烧残渣进行固化和安全填埋[2-3]。最终处理是指对危险废物无法进行回收利用，且经过减量处理之后的部分作最终无害化处置，一般采用固化封闭后安全存放的方法[4]。

然而，危险废物在焚烧处理过程中由于焚烧工艺、技术的差距依然可能产生低效、高耗能、二次污染等问题。黄峰[5]从危险废物处理的安全和环保隐患角度出发，提出了焚烧技术的改进和创新措施。运嘉宁[6]从回转窑的焚烧工艺方案、结构计算、耐火材料和设备清单编写入手，通过调整焚烧参数，提升了回转窑危险废物处置效率。李文[7]针对医药行业危险废物特点，提出了采用活性炭吸附、高级氧化脱硝等工艺进而利用回转窑焚烧处理医疗危险废物的可行性。众多研究人员和工程实践人员针对危险废品的焚烧处理工艺的优化研究已取得一定的成果，并在工程实践中得到应用。但目前国内众多危险废品焚烧处理装置建设完成后，在实际应用中依然存在许多需要改进的工艺与措施。本文通过具体分析国内主流危险废物焚烧处理工艺流程和方法，进而详细阐述工程实践过程中存在的问题和尚需改进的地方，可为危险废物焚烧处置的工艺设计与选址建厂提供技术参考。

1 危险废物焚烧工艺流程

危险废物的焚烧处置装置主要包括预处理/配伍系统[8]、进料系统、焚烧处理系统等。危险废物处理的每个过程工艺相辅相成，均对危险废物的无公害处理起到至关重要的作用。

1.1 危险废物预处理/配伍系统

在危险废物焚烧处置实际操作中，因受炉内稳定波动大、尾气超标等问题影响，整套焚烧系统很难稳定、安全、环保运行，因此危险废物输送入回转窑系统之前，需要进行预处理，即需要根据物料的化学组成、发热量等参数进行配伍预处理，并严格禁止不相容废物进入焚烧炉，以保证焚烧安全、稳定，提高炉体寿命。目前危险废物配伍主要分为三级。一级配伍是指市场层级的配伍，即需要了解市场上的危险废物类别、数量、性质等，并制定详细的市场收集与快速处理体制。二级配伍主要指厂区内的配伍，即要求专业检测人员对危险废物进行分析检测，科学搭配焚烧物料，并出具详细的配伍方案。三级配伍主要是焚烧系统的料坑内的配伍，也是危险废物收集后的二次配伍，本次配伍的有效性最终决定焚烧系统的处置效率与稳定性。

1.2 危险废物进料系统

根据危险废物的运输包装形式的不同，危险废物进料系统包括散装废物进料系统、桶状固体废物进料系统、废液进料系统，目前进料系统已经全部实现了自动控制，并纳入实时状态监控与报警系统。进料系统的工艺流程图如图1所示。

图1 危险废物进料系统流程图

1.3 焚烧处理系统

焚烧处理系统主要包括回转窑系统、余热回收系统、烟气净化排放系统、灰渣系统，整套系统实现了危险废物的无公害处理。其中，回转窑系统主要由回转窑设备组成，回转窑是危险废物焚烧的主要设备，在回转窑中危险废物被彻底焚烧成为高温烟气和灰渣，高温烟气和灰渣从窑尾进入二燃室，该过程充分保证了有害物质在高温作用下充分分解。余热回收系统主要有余热锅炉和汽水系统组成，从余热锅炉中出来的烟气进入喷淋塔，实现烟气的迅速冷却。进喷淋塔降温后的烟气进入烟气净化排气系统，进一步对危险废物焚烧产生的有害气体、周重金属离子进行无害化处理，最后经过烟囱排入大气，实现危险废物的环保处理。危险废物经过焚烧后留下的灰渣将进入灰渣处理系统，回转窑、二燃室、余热锅炉、喷淋塔、布袋除尘器均会单独产生灰渣和飞灰，这些灰渣和飞灰经水淬后送入封闭渣箱内暂存，最后确定无资源回收利用价值后运到填埋场进行集中填埋处理。焚烧处理系统工艺流程图如图2所示。

图2 焚烧处理系统工作流程图

2 焚烧处理系统的优化设计研究

回转窑系统作为焚烧处理系统的重要组成部分，其工作稳定性、安全性直接关于危险废物的处理效率、环境保护等。但目前国内危险废物处理中心的回转窑系统因温度波动大、故障率高等因素，严重制约了危险废物的处置效率，因此有必要构建回转窑系统的温热传导模型，进而寻求优化改进措施。

2.1 回转窑工作温度变化分析

危险废物进入回转窑内进行焚烧处理，回转窑的控制温度一般设定在850℃，但是在实际操作中回转窑的工作温度波动较大。图3给出了国内某焚烧处理厂内回转窑的工作温度实时变化曲线。由图3分析可知，回转窑的工作温度存在一定波动，围绕在设定的温度值上下浮动。回转窑温度的波动会导致额外停机、燃料消耗增加、尾气排放不达标等一系列问题，因此在国内危险废物的处理过程中尤其要注意回转窑温度变化，实现炉内温度的实时监测与控制。

图3 回转窑工作温度变化曲线

2.2 回转窑内稳态传热模型构建

前面分析可知，回转窑温度波动较大会对危险废物的处理带来较大影响，而在危险废物进入回转窑之前和炉内焚烧时，主要进行了进料、焚烧工艺控制、辅助燃料和风机等流程。因此可以得出，回转窑内焚烧温度的变化主要受焚烧工艺、进料组成、辅助燃料和风机等综合影响。此外，回转窑结构也会对焚烧温度变化产生一定的影响。在危险废物焚烧处理实际工程应用中，回转窑的结构工艺在建设初期已完成，无法改进，辅助燃料和风机在以往众多的工程实践应用中的已有较好的处理方式；焚烧工艺控制过程已经构建合适的控制软件系统以达到适用回转窑焚烧大时滞性的控制过程。因此，本文通过构建以进料系统为自变量的回转窑温度稳态模型，寻求更为合理进料方式，确保回转窑温度稳定运行，提高回转窑危险废物处置效率，降低回转窑的故障率，提高经济效益。

以进料方式为自变量构建回转窑温度稳态模型，首先要考虑的是危险废物配伍后混合危险废物的热值稳定性，同时兼顾焚烧尾气处理。本文通过构建危险废物焚烧预处理系统，以建立回转窑温度稳态模型，构建过程如图4所示。

图4 回转窑温度稳态模型构建流程

在此过程中，需要注意的是，回转窑温度稳态模型构建的前提是回转窑温度的稳定，在此前提下再进行危险废物焚烧的经济性、尾气排放等。因此，经济性的前提是危险废物的无公害处理，而尾气排放后可以再通过尾气净化系统二次处理，不会对环境和大气产生影响。此外，回转窑温度稳态模型的优化目标函数应建立限制条件，本文将限制条件确定为回转窑温度上下波动≤20℃、危险废物焚烧效率≥95%、物料消耗尽可能小。通过构建优化设计模型，利用计算机计算出满足约束条件下的配伍和进料方式，即是我们需要的目标值。

3 结论

本文系统分析了国内危险废物焚烧处置的工艺过程，详细介绍了危险废物处理过程中的预处理/配伍系统、进料系统、回转窑系统、余热回收系统、烟气净化排放系统、灰渣系统等处理工艺原理。其次，从国内目前应用广泛的危险废物焚烧处理工艺入手，分析了危险废物焚烧处理系统中回转窑焚烧温度波动较大的原因。以此为基础，构建了以进料方式为自变量的回转窑稳态温度控制模型，最后通过实验分析得出危险废物最佳配伍和进料处理方法。实例应用分析表明，在现有的回转窑结构、焚烧工艺过程控制、辅助燃料和风机条件下，通过构建合适的危险废物配伍和进料方式，可实现回转窑内危险废物焚烧处理温度的稳定，不仅可以提高危险废品的处置效率，降低有毒有害尾气的排放，更实现了降低燃料成本和提升经济效益的目标，可为创建危险废物焚烧处置设施和工艺的构建提供技术依据。