李宁建
南京创能电力科技开发有限公司 南京 211100
摘 要：我公司在如东县洋口化学工业园，新建一个危险废物集中无害化处置中心，主要采用等离子气化熔融技术对危险废物进行玻璃化安全处置。目前已开工建设两条生产工艺线，主要设施包括破碎系统、炉前进料系统、等离子气化熔融系统、二燃室系统、余热回收系统、烟气处理系统、在线监测系统等。等离子气化熔融技术，有其他方式不能企及的环保效果，可以使处理未端得到“最终解决”和基本实现“零填埋”的，可以防止“二次污染”。
关键词：危险废物处理；等离子气化熔融技术；等离子炬；玻璃体；无害化
近年来，国家持续出台相关政策指导性文件，鼓励推广应用等离子等新型危险废物高温处理技术，包括《危险废物污染防治技术政策》、《国家鼓励发展的重大环保技术装备目录》、《危险废物处置工程技术导则》等一系列文件。
等离子技术适用于处置毒性较高、化学性质稳定，并能长期存在于环境中的危险废物，特别适宜处置垃圾焚烧后的飞灰、粉碎后的电子垃圾、液态或气态有毒危险废弃物等。
文中介绍了本公司根据园区危险废物产生状况，结合有关技术规范和导则，所确定的技术工艺路线和主要处置系统组成。为大家初步了解等离子气化熔融危废处理工艺提供帮助。
1 工艺方案及规模介绍
1.1 项目地基本情况及物料情况
1.1.1 项目地基本情况
如东县洋口化学工业园（江苏省如东沿海经济开发区），是一个以医药、农药和精细化工企业为主的工业园区，并已逐步形成集新材料、新医药、新农药和环保产业为主导的四大产业板块群。现有入园企业达119家，在产企业89家，拥有世界五百强投资企业3家上市公司及其控股企业33家。2018年开发区GDP产值达112亿元，2019年开发区GDP产值121亿，预计2020年GDP产值达到200亿元。
2020年11月，苏政发〔2020〕94号文件正式宣布如东县洋口化学工业园，成为全省14家定位化工园区当中的一家，整个南通市也就两个全省定位化工园区。
1.1.2 物料情况
园区企业产生较多的危险废物数量较多的包括精（蒸）餾残渣，有机残液，有害污泥，废碱渣，废活性炭，焚烧灰渣等。2019年统计如下表。
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1.2 项目建设规模
项目设计危险废物处理总规模为40000吨/年。项目分两期建设，一期建设的处理规模为20000吨/年（通过环评，已开工），二期建设的处理规模为20000吨/年（远期规划）。
一期已开工建设内容主要包括新建2套处置量为10000吨/年等离子气化熔融炉系统，尾气净化系统, 以及固体危废暂存库、有害废液储罐、污水处理站、公用工程和辅助设施（总平面及道路，给排水，偱环水，消防，供配电，通风空调，机修间及备品备件库、化验室、空压站及自控系统等），综合楼。
二期计划建设内容主要包括新建1套等离子气化熔融炉系统（年处理危废20000吨）和尾气净化系统以及其他配套部份。
2 等离子气化熔融危废处理工程工艺系统设计
2.1 等离子气化熔融危废处理总体工艺
危险废物由专用运输车辆送到厂区，进行快速检测、验收、计量后，再根据废物性质分别送到危废暂存库或者废液罐区接收、暂存。达到一定负荷后，经预处理、配伍后通过进料系统送入等离子气化熔融炉进行处置，危险废物有机组分在等离子炉内气化转化成烯烃、烷烃等可燃气体，无机组分在等离子炉内熔融形成熔渣。可燃气体经二燃室燃烧充分燃烧后，烟气通过余热锅炉降温至600℃后，再通过烟气净化系统作净化处理后，最终经由60m高的集束式烟囱排放到大气中。熔渣经水淬后冷却得到玻璃体渣。
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2.2 工艺系统简介
2.2.1 废物储存系统
本项目设置固体废物储存区和液体废物储存区。
固体废物储存区即危废仓库，本项目设甲类库两个（750m2），丙类库一个(3500m2)。在生产车间设废物料坑用以储存散装废物以及破碎机破碎后的固体废物，料坑与设备区域隔开，该区域配备足够的消防设备并布设若干台工业摄像头。
液体废物储存区即废液罐区，设置5台废液罐，其中2台为制备罐，用于制备需要焚烧的废液，3台储存罐，用于储存制备的废液，并送到二燃室焚烧。
2.2.2 废物预处理系统
废物预处理主要功能是将大块、散状物料的预处理和配伍，设置有破碎机、行车、链板输送机。
本项目破碎系统为10t/h危废SMS系统。目的是通过一套先进的破碎机、混合器及螺旋输送系统将危险废弃物进行破碎后充分混合再送入料坑，再由抓斗送入各生产线设在炉前的进料系统。
物料颗粒均匀，才更能更好满足等离子炉物料处理的要求，所以本项目采用二级破碎，一级破碎机采用液压驱动，二级破碎机采用电动。破碎系统可以破碎200升桶装工业废物、吨袋、吨箱、散装工业固废及少量IBC吨桶盛装物等，破碎后尺寸要＜50mm。
2.2.3 废物的配伍
均衡废物的热值和水分，保证等离子气化熔融炉的稳定，节省辅助燃料。碱性金属盐类和卤素成分同时通过配伍，控制一次入炉的量，避免结渣和对耐火材料的快速侵蚀。本项目处理的工业废物以固态、液态废物为主。从废物的状态划分有固体废物、液体废物、半固体膏装废物。根据国内外一些危险废物焚烧处理单位的运行检测分析结果，以及项目前期采集园区物料分析化验结果，本项目进等离子气化熔融炉的废物成分见下表。
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2.2.4 炉前进料系统
设置料封式进料系统，分为压料单元、推料单元。料道内采用物料进行密封，即有可靠的密封性，不漏气，又有相当的隔热性能，对离子炉的进料进行保护。
2.2.5 焚烧系统
2.2.5.1 等离子气化熔融炉
等离子气化熔融炉内的高温是由等离子炬产生，等离子炬将电能直接转化为电离的高温气体（火炬温度高达3000~5000℃）。物料进入等离子气化熔融炉后，其中的有机物质在高温的作用下迅速气化。无机物则在熔池区域高温作用下熔融，熔池内熔渣蓄积超过炉底设置除渣口后，排出等离子气化熔融炉。
等离子炉的主要部件包括：等离子炉炉体采用耐热钢板卷制，内衬耐火及保温材料，炉内设进料口，温度测点、压力测点、等离子炬安装口、进风口、观察口等。
在反应过程中，需要添加适量辅料，如焦炭，石灰石，玻璃渣等。
2.2.5.2 二燃室
等离子炉产生的热烟气送到二燃室，在这里烟气中的可燃物质被进一步焚烧和分解。满足相关规范要求二燃室的温度大于1100℃，处理后烟气在二燃室内停留时间＞2s。二燃室烟气出口设有温度监测，联锁控制燃烧器火力大小调节，使二燃室温度稳定在设定值。
二燃室采用落地式结构，烟气上进下出，多功能废液组合燃烧器安装在二燃室的上部，便于燃烧火焰与烟气充分混合。
2.2.6 余热利用系统
余热锅炉吸收热烟气中的余热产生蒸汽，采用膜式水冷壁蒸汽锅炉。锅炉采用三回程结构。
锅炉进口烟气温度1100℃。锅炉出口烟气温度大于550℃，蒸汽系统余热被充分利用，可用于物料预处理，用于冬季厂区采暖，剩余部分配置螺杆发电等节能装置，所发电量用于等离子炬，降低综合能耗。
2.2.7 烟气处理系统
为满足烟气排放指标要求，本工程烟气处理系统采用SNCR脱硝+烟气急冷+干式脱酸+活性炭吸附+布袋除尘+湿法脱酸+管束式除雾器的综合处理工艺。
2.2.7.1 SNCR系统
本工程采用非催化法（SNCR法）控制烟气中的NOx。主要通过在余热锅炉第一回程1000℃的环境区域，喷入浓度为5%~10%尿素溶液，喷枪采用压缩空气雾化形式，超细的尿素雾滴与烟气混合反应，烟气中NOx组分还原成N2和H2O。
2.2.7.2 烟气急冷
高温烟气从喷淋塔上部进入，均匀地分布于塔内，急冷水从喷淋塔顶部喷入，直接作用于烟气，使烟气温度在1秒内从600℃骤冷到200℃以下，从而避开二噁英再次合成的温度区间，抑制二噁英再次生成。
2.2.7.3 干法脱酸及活性炭吸附
采用循环流化床干式脱酸塔，经过急冷后的烟气从干式脱酸塔底部进入，熟石灰经文丘里前喷入塔内，以很高的传质速率在塔中与烟气混合，烟气中石灰粉以很高的传质速率与烟气中的SO2等酸性物质混合反应，生成CaSO4、CaSO3和CaCl2等反应物。
活性炭粉储存在活性炭仓内，通过圆盘给料机、罗茨风机连续均匀地将活性炭粉喷入烟气管道中。可以根据设定值调节喷入的活性炭粉量。通过设置在活性炭仓支座的称重模块，实时传输活性炭的消耗量。活性炭与烟气充分混合，对烟气中的重金属和二噁英等污染物进行吸附处理。
2.2.7.4 布袋除尘
含有尘粒的烟气进入布袋除尘器，经滤袋过滤后，烟气中的尘粒被挡在滤袋外侧，烟气得到净化。除尘器采用DCS控制，定期控制各反向吹扫阀，使滤袋在压缩空气的灌注下瞬间急剧膨胀，抖落尘粒，使设备阻力维持在限定的范围内，确保除尘系统效果。
布袋除尘器采用离线脉冲清灰，从滤袋背面吹出压缩空气，使烟尘脱落入灰斗。为防止布袋结露，下部灰斗设电加热装置。加热装置可以保持灰斗壁温在140℃以上(高于烟气露点温度10℃以上)，防止搭桥和板结。
2.2.7.5 烟气湿法脱酸
烟气湿法脱酸采用两级洗涤工艺。设置预冷器，调节烟气温度从170℃左右的到70℃，达到酸碱反应的最佳温度段后，进入洗涤塔。
系统设置湿法脱酸设备保护系统，通pH计控制洗涤水碱度，当洗涤水pH值达到6时，系统报警。如pH值没有得到有效的提高，系统将程序强制停止进料系统工作，强制投加碱液，待洗涤水恢复到碱性后重新上料。预冷器和洗涤塔共用一套洗涤水箱及喷淋水泵。洗涤水箱排水部分用于出渣机补水，剩余部分输送至污水站。
2.2.8 烟气排放
2.2.8.1 引风机
引风机设在整个烟气处理工艺的后端。通过变频调节引风机出力来控制等离子炉炉膛压力，以及维持整个燃烧及烟气处理系统气动力。
2.2.8.2 烟囱
烟囱采用砖混结构，一体双通道，设计高度为60米。
引风机至烟囱出口，系统配一套烟气排放连续监测系统，直接抽取热烟气，实时在线监测等离子气化熔融炉所排放烟气中的颗粒物、SO2、NOx、CO、CO2、HCl、HF的浓度、O2含量、烟气温度、烟气压力、烟气流量等参数。
3 技术优势
3.1 传统处置手段的一些局限性
传统的危废处置主要以物化填埋与焚烧为主。现阶段处置手段迫于技术适用的局限性，使得已堆积以及每年新产生的大量危废不仅侵占了宝贵的土地资源，而且给土壤、水体和大气带来了不同程度的污染。 主要表现为：
物化填埋：1）增容达1.5左右、浪费填埋库容；2）存在长期稳定性问题，盐类和有机物的分解容易造成固化体破裂，进而造成二次污染；3）部分重金属的固化效果欠佳，无法实现二噁英类有机污染物的降解；4）经济发达地区很难找到合适的安全填埋场选址。
焚烧（以技术成熟回转炉窑为例）：1）适用于处置有机成分多、热值高的危废，不适用于热值较低的有害污泥等。2）在非集中处置及专业人员管理运行下，由于温度场的易波动，氧、氯和颗粒物的存在构成了形成二噁英和呋喃的潜在条件，极易产生二次污染。3）焚烧残渣、飞灰含有重金属和二噁英，仍然属于危废，需要作稳定化／固化处理并送安全填埋。
3.2 等离子气化熔融危废处置工艺的技术优势
本项目采用的等离子气化熔融工艺相比以上传统危废处置工艺的技术优势主要表现在如下几方面：
3.2.1 自主知识产权
创能在引进俄罗斯科学院高温等离子炬技术基础上，结合国内环保特点以及多年运行经验，开发出自主知识产权的高温等离子炬，打破了国外技术壁垒，实现国产化，极大降低了运行成本。
3.2.2 零填埋
用等离子气化熔融炉处理危废时，危废中所含无机物在1300 ℃到1500 ℃高温下被熔融，炉底形成融池，金属和非金属化合物基本上都固熔在熔渣中，熔渣以液态排出经激冷后形成无害化玻璃体，残存的重金属等有毒有害物质成分均被SiO2致密包裹，不再具有毒性侵出性。玻璃体可作为建材、路基材料使用，实现了零填埋，可节约大量宝贵土地，避免二次污染。
3.2.3 数量级的二噁英降低
在等离子的3500 ℃高温及高化学活性共同作用下，结合气化熔融炉流场的CFD模拟，确保烟气停留时间大于4S；基于此，二噁英被打破苯环结构，将其彻底摧毁；国外众多检测数据显示，二噁英排放指标小于0.01ugTEQ/m3。
3.2.4 卤族元素（Cl和F）危害的控制
通过CaO辅料的添加，在高温、高化学活性的作用下，生成CaCl2、CaF2等化合物，被最终固化到融池中；烟气成分中卤族元素的减少，将极大减少烟气净化系统负担，降低腐蚀风险，提高尾部设备的使用性能及寿命，节约运行成本。
3.2.5 处置危废种类的相对广谱性
等离子气化熔融炉还是“通吃炉”，基于等离子气化熔融炉的工作原理，对危废热值、成分、形态（半固体，膏状，液，固）均无要求。回转炉窑炉渣、飞灰均可入炉熔融。且处理能力弹性很大，能较好满足各类市场需求。
3.2.6 NOx排放控制
本项目较回转炉窑焚烧具备如下几个控N优势：1）气化熔融炉内为缺氧还原状态、2）焦炭辅料的添加，除了气融池骨架作用、增加透气性外，在高温状态下，C先于N与O发生反应，形成CO、3）N以化合物状态被融池固定等。基于上述优势，NOx排放满足最严格排放标准。
3.2.7 自环保特性
本项目中所产生的飞灰、废活性炭以及其他烟气净化残渣均可做入炉重融处理，实现了整套系统的自清洁环保运行。
4 结论与建议
（1）该项目总体设计化工危险废物处理规模40000吨/年。项目分两期建设，一期已开工建设的处理规模为20000吨/年，建成后可有效解决该园区及周边化工危险废物处理问题。
（2）该项目采用等离子气化熔融工艺处理化工危险废物，是近年来危险废物处理行业新兴的一项技术，由于等离子其高温和高热密度，等离子技术几乎能将碳基废物中的所有有机物完全转化成合成气（主要为CO和H2），而无机物则可变成玻璃体渣。对危险废物实现无害化、资源化和减容处理。通过结合先进的废气和废水处置工艺，全厂排放可满足严苛的环保要求。
（3）该项目一期正在加紧建设中，建议在系统启动前，完善各种预案，制定详细的处理工艺书和操作规程，确保生产线顺利投运，从而收集整理等离子气化熔融处置工艺相关参数，为二期建设打下良好的技术基础。
参考文献：
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