關于等離子氣化熔融爐長周期穩定運行因素的分析

陳元哲 駱雪云

摘要：隨著工業的發展，危廢產量逐年增多。等離子氣化熔融技術作為危廢處理的先進技術，可以實現危廢減量化、無害化、資源化處理目標。等離子氣化熔融技術雖然已經成熟應用，但仍存在運行周期較短的問題。本文介紹了等離子氣化熔融爐目前運行情況，從危廢性質、等離子氣化熔融關鍵設備、工藝操作等方面分析了影響等離子氣化熔融爐長周期運行的因素，提出了應對措施。

關鍵詞：等離子;氣化熔融爐;長周期運行

1概述

隨著工業的發展，工業生產過程中產生的危廢數量逐年增多。國內外傳統的危廢處置技術主要包括填埋法和焚燒法[1]。危廢填埋會占用大量的土地，焚燒會產生大量的二噁英和飛灰。等離子氣化熔融爐利用其高能量密度、高溫（核心溫度高達4000-7000℃）的特點，使危廢在氣化熔融爐內進行高效的能量轉移和化學反應，將有機質分解氣化，生成合成氣，灰渣與輔料配比后高溫熔融生成玻璃體，將重金屬固化在玻璃體內[2]，具有相對較低的污染物排放和適應危廢種類范圍廣等優點，克服了填埋法和焚燒法的缺點。因此，危廢等離子氣化熔融技術被認為是一種綠色和可持續的解決方案。目前國內已投產和在建的等離子氣化熔融爐有數十套。

等離子氣化熔融技術的工藝流程主要包括危廢預處理與輸送系統、進料系統、等離子氣化熔融系統、等離體炬系統、余熱回收系統、合成氣洗滌系統等單元。等離子氣化熔融技術雖然已經成熟應用，但仍存在運行周期較短，通常1個月左右需按計劃停爐更換等離子炬，3個月后按計劃停爐檢修，同時受到其他非計劃停爐因素的影響，制約了等離子氣化爐的長周期運行。

2影響等離子氣化爐長周期運行因素分析

2.1危廢性質對等離子氣化熔融爐長周期運行的影響

等離子氣化爐熔融爐要求進爐危廢具有較高的熱值，較低的水分和合適的灰熔點，低硫、低灰、低氯。這些因素對等離子氣化熔融爐的長周期運行都有較大的影響，下面重點對其進行分析。

2.1.1熱值

對于等離子氣化熔融爐，氣化爐輸入的能量主要包含危廢氣化熱、等離子炬產熱、焦炭產熱。熔融過程中除了玻璃體消耗一部分熱量外，還有少量的熱損失，可有效利用的是合成氣的熱值和顯熱。

在維持合成氣熱值1000Kcal/Nm3的條件下，危廢熱值越低，則需要等離子炬和焦炭產熱更多，將造成危廢處理成本上升;危廢熱值太高，爐溫難以控制，耗氧量上升，氣化效率降低。通過模擬計算，控制危廢低位熱值在3500～3800Kcal/kg之間時，合成氣的低位熱值在1000～1100Kcal/Nm3之間變動，既能滿足合成氣品質要求，等離子氣化爐也可經濟運行。

2.1.2灰熔點

危廢灰熔點高，將使氧耗增加，氣化爐操作溫度提高，導致耐火材料使用壽命縮短;同時為了降低灰熔點，必須添加助熔劑，增加運行成本。等離子氣化熔融爐要求控制灰熔點在1400℃以下。

2.1.3灰分

危廢中灰分的升溫、熔化及化學反應將增加氣化爐能耗。同時，為了玻璃體的生成，將需添加更多的輔料，增加玻璃體外排量，帶走更多的熱量消耗。等離子氣化熔融爐要求控制危廢灰分在25%以下。

2.1.4鹵素、磷、硫

氯、氟、硫化合物氣化過程中會產生腐蝕性較強的酸性氣體，硫、氯元素在氣化過程中，會生成酸性氣體，不僅影響合成氣洗滌效果，還會加速系統設備的腐蝕。一套日處理60t的等離子氣化爐，入爐危廢要求控制Cl<2%，S<2.5%。

2.2關鍵設備的影響

2.2.1危廢預處理設備

危廢成分復雜，形態不一。為了進料順暢、在爐內充分的發生氣化熔融反應，需要將危廢破碎成粒徑小于50mm，并與輔料混合均勻。

為了達到破碎效果，一般采用兩級雙軸剪切式破碎機，一級破碎采用液壓驅動，二級破碎采用電機驅動;混料機采用雙軸防纏繞混料器。

造成破碎機、混料機故障的主要原因：

（1）危廢熱值高，破碎、攪拌過程中易產生火花導致危廢起火燃燒;

（2）危廢中有堅硬物質，易使破碎刀片斷裂;

（3）液壓驅動系統中液壓泵、液壓馬達、減速機易產生故障;

（4）柔性物料易導致混料機出現纏軸現象。

延長設備使用周期的應對措施：攪拌、混料過程中對系統充氮氣保護，并設計氧含量在線檢測系統和二氧化碳滅火系統;破碎刀片選用NiCrMo鍛造合金鋼材質;液壓系統核心部件選用進口品牌;難破碎柔性物質單獨采用撕碎機破碎。

為了防止預處理設備出現故障導致氣化爐停車，應設置一個可滿足氣化爐24h用量的中間料倉，給設備留出檢修時間。

2.2.2等離子氣化爐

等離子氣化熔融爐是實現危廢減量化和無害化的重要設備。危廢在氣化爐內的高溫下，發生氣化、熔融反應，使危廢分解。等離子氣化爐內襯耐火材料需要承受1500℃的玻璃體熔融物和1100℃合成氣的沖刷腐蝕，使耐火材料不斷變薄，在某些情況下，也會出現耐火材料脫落，熾熱氣體就會穿過耐火材料使爐壁溫度升高，產生安全隱患。因此氣化爐的設計、制造、材質選型、耐火材料的砌筑等都影響等離子氣化爐的長周期運行。

延長氣化爐使用壽命的主要措施：

（1）在等離子氣化熔融爐設計時，高徑比設計在3.2左右;

（2）耐火材料必須耐侵蝕性好，一般選用Al2O3-Cr2O3質、Cr2O3為15%的耐火磚;

（3）氣化爐爐壁設置表面測溫電纜，在檢測到溫度異常時及時處理;

（4）進爐危廢的熱值要穩定，避免合成氣量、爐溫頻繁波動;

（5）嚴格控制危廢中重金屬、氯和硫含量。

2.2.3等離子體炬

等離子體炬是等離子體氣化熔融爐的核心設備之一，其運行的穩定性直接影響著危廢處理系統的運行可靠性。一套日處理60t危廢的等離子氣化爐，需要4套220Kw的等離子體炬。而目前等離子體炬的壽命只有2000h。

解決措施：

（1）優化電極結構和工質氣體供應方式，設計合理的電磁場，提高電極的抗燒蝕能力;

（2）加強等離子體炬循環冷卻水流量、溫度的監控，防止冷卻水流量波動或中斷而損壞等離子體炬;

（3）增加在線更換等離子體炬系統，實現不停爐就可更換等離子體炬。

3結論與建議

（1）加強危廢配伍管理。為了保證等離子氣化熔融爐運行穩定、合成氣熱值滿足要求，必須對形態各一、成分復雜的危廢進行化驗分析并建立一套配伍方案。配伍前，要全面了解危廢的信息，包括元素分析數據、工業分析數據、反應性、相容性等。配伍方案要保證進爐危廢熱值相對穩定，避免工況脈沖式波動;控制氯素、硫、磷、重金屬含量，減輕對設備的腐蝕。

（2）針對等離子體炬開展技術研究，提高等離子體炬的使用壽命，延長更換周期。

（3）做好氣化爐耐火材料生產、安裝質量的監控及檢查驗收;生產中平穩控制進氧量，做好爐壁溫度監控。

（4）定期對安全聯鎖系統進行調試，提高儀表運行的可靠性。

參考文獻：

[1]李欣.氣化熔融處理城市生活垃圾時灰渣的熔融特性及行為研究[D].重慶：重慶大學，2009.

[2]段翠九，曾紀進，陳國艷.氣化熔融技術處理城市生活垃圾研究進展[J].工業爐，2013，35（1）：39-42.

作者簡介：陳元哲（1986—），男，陜西寶雞人，漢族，工程師，碩士。