等離子體爐處理危險廢物工藝及工程應用

程元舒

摘要：等離子體爐處置危廢技術是目前在處理危險廢物的主要方式之一，具有高效分解污染物、利用玻璃態產物固化有害物質，并實現資源利用等特性。同時該技術又具有耗能高、成本高的特性，國內又缺少相關的標準和技術規定。隨著等離子爐處理工藝應用水平的提高，國內行業政策的推進與完善，等離子體爐處置危廢技術的應用前景較廣泛，在處理危險廢物的同時，實現資源化利用與自然環境的可持續發展。本文就不同的危險廢物處理工藝展開分析，并闡述了等離子爐處理危廢工藝的類型與應用，同時分析了該工藝技術存在的不足。

關鍵詞：等離子體爐 ?危險廢物 ?工程應用

隨著十四五計劃的不斷推進，我國工業化水平的不斷提高，我國的固體廢棄物產生量不斷增加，嚴重威脅到環境和資源的可持續發展。根據生態環境部公布的《2020年全國大、中城市固體廢物污染環境防治年報》，截至2019年底，全國危險廢物（含醫療廢物）收集和利用處置能力達到12896萬噸/年，2019年度實際收集和利用處置量為3558萬噸，其中，利用危險廢物2468萬噸;采用填理方式處置危險廢物213萬噸，采用焚燒方式處置危險廢物247萬噸，采用水泥窯協同方式處置危險廢物179萬噸，采用其他方式處置危險廢物252萬噸：處置醫療廢物118萬噸。

1.危險廢物的處置工藝

1.1 回轉窯處置工藝

采用回轉窯焚燒處理工藝是處理危廢的主要方式，也是應用最廣泛的技術之一。回轉窯內的焚燒溫度為 850 ～ 1200℃。危險廢棄物通過回轉窯內的高溫燃燒與分解后，煙氣進入二燃室再次燃燒分解。高溫煙氣通過余熱鍋爐實現能源的利用。該技術的處理規模大，危廢減量化效果明顯，然而廢物中的重金屬、多氯聯苯類物質，則聚集在飛灰當中，目前處理灰渣的主要方式為經穩定化固化處理后送至安全填埋場;而安全填埋場存在選址困難的問題以及污染地下水的風險。同時，煙氣中二惡英、呋喃等有害物質含量超標，增加了煙氣處理的成本，并存在空氣污染的風險。

1.2 水泥窯協同處置工藝

采用水泥窯協同處置危廢工藝首先在預處理階段脫去危廢中的堿氯成分，可對飛灰及危廢等多種固廢進行協同處置，對物料的熱值要求較低。該處理技術的焚燒溫度可達到1450℃，可有效去除煙氣中的二噁英物質。

1.3 等離子體處置危廢工藝

采用等離子體處理危廢工藝是一種較為有效處置危險廢物的方式。等離子氣化爐中的等離子炬采用電能產生等離子體。等離子體是一種高溫氣體射流，危廢物料在4000-7000℃以上的等離子體高強度熱源加熱下被打碎為原子物質，使其中的有害物質失活，轉化無害物質，減量化和無害化效果顯著。在高溫條件下，二噁英等有害物質得到分解，處理產生的廢氣以混合可燃性氣體為主要成分，可經過進一步處理，分離或生產其他高價值化工產品。

等離子氣化熔融處理工藝原理上是物料分解和重組的過程。在等離子氣化熔融處理中，經處理的危廢爐渣，為惰性無浸出毒性的玻璃體狀，可用于路基或建材，具有良好的資源化效應。

等離子爐的物料適應范圍較廣，對危廢的入爐熱值要求較低（大于2000kcal）目前該技術已經進入到廣泛應用階段。

2.等離子體處置危廢工藝類型

等離子炬根據放電方式的不同，可分為交流等離子炬、直流等離子炬、微波等離子炬以及射頻等離子炬。其中直流等離子炬被廣泛應用于處理危險廢物。直流等離子體炬分為轉移弧等離子體炬和非轉移弧等離子體炬。轉移弧等離子體炬處理的廢物具有較好的導電性，可作為陽極，通過陰極與陽極之間的距離調節功率;非轉移弧等離子體炬的兩極僅產生等離子體與被處理物發生作用。

等離子體處置危廢的工藝包括等離子體熱解、等離子體氣化和等離子體熔融三種方式。等離子體熱解是在無氧條件下，有機廢物在高溫下熱解為小分子有機物;熱解用的載氣一般為惰性氣體。等離子體氣化是在有氧條件下，有機廢物發生部分氧化并生成H2和CO等可燃氣體;氣化用的載氣一般為氧化性氣體（空氣、氧氣或水蒸氣等）。等離子體熔融是無機廢物在高溫下熔融為玻璃態物質，從而固化廢物中的有害物質。

通過以上方式，可將被處理物中大部分的有機物質氣化或裂解為可燃氣體，大部分無機物熔融為穩定的玻璃態物質。

3.等離子體處置危廢工藝的工程應用

等離子體處置危廢工藝，包含了進料系統、等離子氣化熔融系統、等離子體炬系統、余熱回收系統、尾氣處理系統、輔助系統等。其中物料的預處理和進料系統、等離子體氣化熔融、余熱回收以及煙氣凈化排放是等離子體處置危廢工藝的重要環節。

3.1等離子體爐

等離子體爐系統是等離子體處置危廢工藝的核心系統。為節約廢物處理成本，提高處置效率，進入等離子體爐的物料需要經過破碎、干化和配伍等預處理步驟。固廢或廢液經過不同的進料系統進入等離子體爐，經過高溫等離子氣體的預熱、氣化和燃燼，廢料中的有機物充分裂解為小分子可燃合成氣體。通過氧化風進口閥門的控制，可實現對爐內氧氣含量的控制，進而控制合成氣體的產生。廢料從進料口至等離子體爐煙氣出口至少停留2秒以上，高溫工況（大于1200℃）不僅使廢料徹底氣化裂解和熔融，也避開了二惡英產生的工況區。廢料中的無機物在高溫和氧化性氣氛下形成熔漿，經爐底出漿通道引出，并在水淬工藝下，形成固化的玻化渣。

在等離子體爐中需要添加焦炭、石灰石或玻璃渣等作為床層，可保證熔漿的流動性及有效分離，并提供硅以提供玻化渣的質量。爐內采用預熱空氣，以提高系統的熱效率。 在氣化熔融過程中，需要采用離子水對等離子體炬進行冷卻保護;另外等離子體爐內需要提供輔助風以提高等離子體熱能的均勻轉化。

3.2 二燃室

等離子體爐氣化產生的可燃性合成氣在二燃室內進一步燃燒分解為 CO2、H2O 及 SO2、NOx 等氣體。二燃室設置有點火裝置，使用天然氣或輕柴油作為燃料。燃燒溫度在1100℃以上，煙氣在二燃室內至少停留2秒鐘，可有效的分解和消除氣體中的有毒成分。二燃室焚燒后的灰渣經爐底出渣裝置冷卻排出，可返回至進料系統進入等離子體爐中熔融。

3.3 余熱鍋爐

二燃室出口高溫煙氣其后的余熱鍋爐回收煙氣熱量。余熱鍋爐配套自動給水軟化系統，軟化水的水質應滿足《工業鍋爐水質》的要求。產生蒸汽可用于進料系統的蒸汽干化、蒸汽滅火，或廠區的污水處理等。實現余熱的回收利用。余熱鍋爐內的粉塵可返回至等離子體氣化爐熔融處理。

3.4 煙氣凈化系統

煙氣凈化工藝可采用“煙氣脫硝+旋風除塵+急冷凈化+干式除塵+濕法脫酸+濕式電除塵+活性炭吸附”的煙氣凈化工藝。 經過以上工藝，確保煙氣排放可達標至歐盟2010標準。滿足現行國內煙氣排放標準的要求。

3.5 存在的不足

目前的工程實際應用中，出于運行安全性和經濟性的原因，進入等離子體爐的物料需要進行配伍，配伍的物料是有選擇性的，且相互之間不能有反應性，并且需要滿足一定的入爐熱值要求。二燃室和余熱鍋爐底部收集的飛灰由于質量較輕，返回至爐內配伍和熔融的難度較大。

等離子體爐熔融反應產生的玻璃體需鑒定達到無害化要求，才可按一般固廢處置。完成鑒定仍需以危險廢物標準進行管理。因此廠區內需要規劃存儲玻璃體渣的用地，并按照危險廢物儲存設計。同時高溫熔融產生物質的綜合利用在國內現階段尚無據可依，國內還未制定針對相關的廢物資源化利用的標準規范。

等離子體爐處理危廢技術比傳統的焚燒工藝建設成本和運行成本高。電耗占用運行費用的40%以上。處理的廢料熱值越低，處理成本越高。另外，等離子體炬的維修和更換也提高了系統的運行成本。

4.結語

等離子爐處理危廢是一種高效的、低污染、適用范圍廣泛的技術。不僅利用高密度的能量有效分解有機污染物，同時可以將無機物中的有害物質以玻璃體的形式固化，達到了無害化和減量化的處置效果。隨著國產化設備和技術的不斷發展和優化，國內環保政策和法規的出臺和完善，等離子處理危廢技術具有更加經濟實用的應用前景。

參考文獻

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