危险废物焚烧底渣熔融技术探讨

张文侠

(天津滨海合佳威立雅环境服务有限公司,天津 300452)

0 引言

危险废物是指被列入国家危险废物名录或根据国家规定的危险废物鉴别标准及鉴别方法认定的具有危险特性的固体废物。危险废物焚烧是在高温环境下对其进行焚烧,以减少其危害性,对废物处置的最终过程进行简化,提升其处理效果。对比填埋技术,危险废物焚烧技术有着较为显著的优势,通过高温对危险废物进行分解,具备良好的减量效果。多数危险废物焚烧后体积能够减少90%以上,后续处理更加简单,且高温能够消灭危险废物中存在的病菌及大部分有毒有害物质。但燃烧产生的烟尘及有害气体需经过无害化处理后排放。高温烟气可通过余热锅炉换热后产生高温蒸汽,用于供热或发电。焚烧技术可全天候不间断地连续作业,不受天气状况的影响[1]。

危险废物焚烧技术在实际应用中会受到几个关键因素的影响:①焚烧温度。其会影响焚烧过程中的反应速度及最终的物质生成。危险废物在充分燃烧和不充分燃烧的情况下会产生不同的物质。一般情况下,危险废物焚烧处理中,焚烧温度在850 ℃～1200 ℃,在氧气供应充分、反应时间足够的情况下能够实现对大多数有毒有害物质的分解及去除。②反应时间。危险废物的有机成分构成不同,焚烧分解所需的时间也有所不同,需要结合实际情况来确定最佳反应时间。反应时间过短可能无法实现对有毒有害成分的彻底分解,反应时间过长则会引起能源浪费。③过量空气系数。危险废物焚烧需要足够的空气供应,过量空气系数是实际焚烧使用的空气量与达到理想状态所需的空气量的比值,会对焚烧温度及反应速度产生直接影响。在危险废物焚烧处置中,过量空气系数通常在1.2～2.0[2]。

1 危险废物焚烧处置工艺流程

1.1 预处理系统

针对危险废物进行焚烧处理需考虑炉内温度波动、尾气超标等因素的影响,很难全程保证焚烧系统的稳定可靠运行,因此在将危险废物送入回转窑系统前需依照其化学组分、发热量等信息做好相应的配伍预处理,避免不相容废物同时进入焚烧炉,以保证焚烧的稳定性及安全性。危险废物配伍可分为:①市场层级。必须熟悉市场上存在的危险废物类型、数量、性质等,制定出完善的危险废物收集处理方案。②厂区配伍。需由专业人员做好对危险废物的分析及检测,对焚烧物料进行合理搭配,给出详细的配伍方案。③料坑配伍。属于二次配伍,配伍效果会对焚烧效率产生直接影响。

1.2 进料系统

危险废物进料系统根据包装形式的差异可分为散装废物进料系统、桶装废物进料系统及废液进料系统[3]。进料系统需引入自动化及智能化控制技术,实现与实时状态监控系统及风险预警系统的可靠连接。

1.3 焚烧系统

焚烧处理系统的工作流程如图1所示。

图1 焚烧处理系统工作流程

回转窑系统是对危险废物进行焚烧处理的关键设备,可将危险废物彻底焚烧,形成底渣和高温烟气进入到二燃室中。余热锅炉与气水系统共同构成了余热回收系统,锅炉中的高温烟气进入喷淋塔实现快速冷却,之后,经烟气净化系统进一步实施无害化处理,最终从烟囱完成排放。焚烧后的底渣会进入底渣处理系统,而回转窑、二燃室、余热锅炉等都会单独产生底渣及飞灰,经过水淬处理后会被暂时存放到封闭性的箱体内,在确定不存在任何回收利用价值后运输到填埋场进行集中处理[4]。

2 危险废物焚烧底渣熔融技术

在对危险废物进行无害化处理时常用的方法有填埋、物化、焚烧等。焚烧后形成的底渣一般采用填埋方式做最终处理,但焚烧产生的底渣有着很高的重金属含量及浸出浓度,仍属于危险废物范畴,必须经过进一步的无害化处理后才能进行填埋,会占用大量的土地资源,且依然存在渗漏风险。底渣熔融技术是通过熔融方式对底渣进行深度处理,最终得到的产品可依照一般废物进行回收利用或处置,能够最大限度地减少环境污染问题。该技术适用范围较广,处置能力强,烟气净化程度高,处置成本较低,经过熔融处理后,底渣中原本存在的有毒有害物质会被封存在玻璃态结构中,稳定性强,不容易出现渗漏等问题[5]。常用的技术路线有以下几种:

2.1 回转窑技术

结合底渣的实际状态及温度,可将回转窑分为两种:①熔渣式回转窑。内部温度可达到1350 ℃,除了一些高熔点的金属及化合物,其他物质基本都可以实现熔融,焚烧相对完全。②干灰式回转窑。内部温度不超过1000 ℃,固体依然以灰渣形式存在,没有进入到熔融态。回转窑技术在德国等发达国家已得到了成功应用,发展趋于成熟,但在我国仍然缺乏相应的标准,由于材料成本及运营要求较高,技术应用受到了很大的限制。

2.2 回转窑+在线等离子体熔融炉

将回转窑尾部落渣口下原本的出渣装置替换为熔融炉,窑内排出的高温炉渣会直接进入到熔融炉中,在高温作用下形成玻璃态熔渣,具备连续性及稳定性优势。想要确保危险废物焚烧系统的连续可靠运行,必须加强对进料及出渣环节的严格管控[6]。以100 t/d的回转炉+40 t/d的在线等离子体熔融炉为例,对比原本单一的回转炉配置,需要增加熔融炉设备,成本约为150万元。除渣设备的费用基本与原费用相同,不过还需要进行土方挖掘及设备安装,成本费用并不固定,会受到施工难度的影响。

对比单一的回转窑技术方案,该方案的设备占地面积小,不需要设置独立区域对熔融炉进行安置,不需对回转窑系统布局进行大规模改动,对于系统布局相对紧凑的项目,具备升级改造空间。熔渣从回转窑中排出时,本身处于高温状态,故而可以在一定程度上减少熔融炉对能量的消耗。但该方案也存在一定的缺陷,即设备安放相对紧凑,安装空间狭小,很容易出现相互干扰问题,对后续检修维护造成不便,且熔融炉与回转窑系统的联系十分紧密,控制系统十分复杂,操作难度相对较大。熔融炉的检修周期相对于回转窑较短,设备连接区域属于高温区段,如果需要对熔融炉进行检修,则回转窑同样需要停机,会对系统整体产生较大的影响。回转窑内属于氧化环境,熔融炉内属于还原环境,当回转窑内的物料进入熔融炉后,石墨电极并不适用,需要选择等离子炬,成本十分昂贵。方案无法实现对原料的预处理,因此在实际运行中可能会对进料及熔融炉的运行产生影响[7]。

目前,回转炉+在线等离子体熔融炉技术在我国并没有得到有效应用,但部分企业已开展了相应的专利研究,取得了一定的成果。

2.3 回转窑+离线等离子体熔融炉+水封出渣机

该技术方案是在现有回转窑焚烧系统的周边设置独立熔融炉,回转炉焚烧后的底渣经过水封出渣机冷却处理后,投入到熔融炉进行高温熔融处理,熔融物冷却后的材质类似玻璃。熔融炉运作过程中产生的烟气会通过高温管道进入二燃室。以100 t/d的回转炉+40 t/d的离线等离子体熔融炉设备为例,其总占地面积约为100 m2,实际运行中的能耗约为680～900 kW·h/t。

对比前两种方法,这种方案的优势在于回转窑设备与熔融炉设备相互独立设置,不管是运行还是控制都互不干扰,系统出现问题时可独立维修,基本不会对危险废物的正常焚烧作业产生影响。熔融炉可与回转窑共用烟气处理设施,因为其本身产生的烟气量很小,不会对回转窑的运行工况产生很大的影响,通过这样的方式可显著降低成本,对于一些存在空余场地的回转窑焚烧线路而言,改造作业难度小,操作便捷[8]。相关设备布置比较简单,在等离子体电路中,可以选择石墨电极,并非一定要使用等离子体炬。通过增加炉渣处理设备的方式,能够有效应对回转窑内部工况波动对炉渣带来的影响,进一步提升处理效果。在该技术方案中,可定期对炉渣成分进行采样分析,结合分析结果对熔融炉内炉渣的添加量进行计算,做好相应的比例调控。对于一些原本就不适合焚烧的危险废物,可直接输送到熔融炉中进行高温处理。

该技术方案的缺陷体现在两方面:一是回转窑在焚烧危险废物后产生的高温炉渣需要经过水淬冷却之后才能进入到熔融炉中,没有实现对热量的合理利用,存在较严重的能源浪费问题。二是熔融炉与回转窑各自独立设置,工程整体造价较高。目前,该技术方案在国内进行了一定的尝试,不少企业对相关专利进行了研究,想要进行大规模的推广使用还需深入研究[9]。

3 技术方案对比

将上述三种技术方案进行对比分析,结果如表1所示。可以看出,使用第三种技术方案,即回转窑焚烧系统与等离子体熔融炉独立设置方案,能够最大限度地保障系统运转的可靠性。

表1 三种技术方案对比

4 结束语

危险废物产量不断增长,故而焚烧处置率需不断提高,但焚烧产生的底渣具有危害性。从无害化处理角度来看,应进一步加强对底渣熔融技术的研发及推广,真正实现危险废物焚烧底渣的资源化及减量化。危险废物底渣熔融技术在很多国家得到了推广应用,形成了完善的技术规范及标准体系,我国应加快对相关规范的研究,为技术应用提供良好的支撑。通过对三种技术方案的对比分可知,回转窑技术在我国已基本成熟,等离子体熔融技术依然处于专利技术研发阶段,尚未得到有效应用。应将研究重点放在回转窑+离线等离子体熔融炉+水封出渣机技术方案上,按照我国危险废物的物料类型、性质等,逐步推动此技术方案的优化,实现装置设备的产业化及本地化,为危险废物处置的实施提供良好支撑。