危險廢棄物集中處置方案及其蒸汽利用

上海市機電設計研究院有限公司 吳云飛

經濟增長離不開工業的發展，而伴隨著我國工業化的不斷推進，隨之產生的工業廢物特別是危險廢物也逐年增加。同時，2020年初疫情防控以來，各地醫療廢棄物的產量劇增。這些工業危險廢物和醫療廢物都屬于危險廢物，2021版《國家危險廢物名錄》中將危險廢物系統地分為46個大類467個小類[1]。

危險廢物不同于普通的生活垃圾，往往具有腐蝕性、毒性或者感染性，隨意處置不僅危害人們的健康，同時還會破壞生態環境。“十三五”期間，還出臺了危險廢物臺賬制度，非法轉移和利用處置危險廢物均為違法行為，將受到嚴懲。黨的十九大以來，保護生態環境被提到了非常重要的戰略位置，各地積極響應，投入解決危險廢棄物問題處置工作中。然而，由于危廢生產量高速增長，前期處理技術及運營水平的局限，實際的處置規模遠不能滿足現在的危廢處理需求[2]，集中處置率低，仍需規劃建設綜合危廢處置項目，同時在現有的成熟的設備和技術基礎上，開發新工藝和新技術。

危險廢棄物的性質多樣，有油類廢棄物、有機/無機廢棄物、其它有害廢棄物等，對于不同性質的危險廢棄物，處置方法也不盡相同[3]。如固化 / 穩定化方法可處理電鍍污泥、鉻渣等危險廢棄物，處置后進行安全填埋，然而此方法不能徹底消除廢棄物毒性，有安全隱患，同時占用土地資源，不是長久之計。物化處理方法可處理烴水混合物或乳化液中油水混合物以及廢酸、廢堿等。熱處理方法主要有焚燒、熱解、等離子體法、濕空氣氧化及微波處理等。

一、危廢生產現狀

本文研究項目位于河南省，根據調查統計數據，本項目服務范圍內危險廢物種類達40種，為了集中處置當地大部分危險廢物，故采用了常規的回轉窯焚燒、物化工藝，結合金屬固化率高的等離子熔融新技術，創新采用了工藝協同等新理念革新危險廢棄物處置觀念，處理的危廢種類及處置方式見表1。結合各地市、行業產業結構優化程度預測，本項目收集范圍內的危險廢物產生量約為 88693t，其中可集中處置類別對應危廢產生量為 87945t/a。項目服務范圍內綜合型的危險廢物處置單位有 1 家，其設計危廢處置量為28350t/a，考慮部分危廢被綜合利用，結合設備規模，本項目設計處置廠外原生工業危險廢物 47190t/a，其中可焚燒處置的工業危險廢物 20900t/a，醫療廢物約 9000t/a，等離子熔融處置危險廢物 2290t/a；物化線處置危險廢物 15000t/a。考慮同時處理廠內自產危險廢物，項目設1套100t/d回轉窯焚燒處置線，1套30t/d等離子熔融處置線，1套 50t/d 廢乳化液處置線。

二、綜合處置工藝路線

根據危險廢物的不同特性，按照表1所采取的工藝處理方式，項目綜合處置工藝路線如下：

表1 危廢種類及處置方式

（1）熱值高的危險廢物處置技術

進廠時熱值較高或者可以燃燒處置的危險廢物等進行焚燒處置，對焚燒處置排放的煙氣進行凈化，灰渣送入等離子熔融系統處置。

（2）熱值低的危廢、爐渣、飛灰

表面處理廢物、焚燒線處置產生的爐渣、飛灰等危廢有機物含量低、熱值較低，采用焚燒工藝能耗高、減量化效果不明顯，且其產物仍屬于危廢，達不到無害化目的，因此不適合采用焚燒處置工藝。

等離子熔融處理是利用電能，通過等離子炬，將壓縮空氣電離成 3000℃-5000℃的等離子體，在熔融爐內將危廢加熱至1500℃以上，呈熔融態，再通過水淬形成玻璃體。

玻璃體具有熱灼減率低的特點，而且玻璃體網格的包裹作用極大降低了危廢的重金屬滲出，經檢測可遠低于危險廢棄物鑒別標準，作為一般固體廢物處理，并可用于鋪路材料等建材使用，達到危廢的資源化、無害化、減量化的目的。

形成玻璃體的主要組分是SiO 2，鑒于入爐危廢SiO 2 含量極低，難以形成玻璃體，因此需添加河砂（主要成分是SiO 2）作為配伍料。為防止配伍后粉料不經過高溫熔融直接被排放的煙氣攜帶出熔融爐，因此對配伍后的危廢進行造粒，粒料進入等離子爐進行高溫熔融。

（3）物化處置線

對于容易發生化學反應且呈液態的危險廢物，如油水、烴水混合物或乳化液中的油水混合物、廢酸、廢堿進行物化處理，處置廢水進入廠區污水處理站后可回用，物化處理產生的壓濾渣則進入焚燒系統進行焚燒處理。

（一）焚燒處理系統

焚燒處理的危險廢物為工業危險廢物和醫療危險廢物。本項目采用“回轉窯+二燃室+余熱鍋爐（SNCR 脫硝）+煙氣急冷＋干式脫酸（消石灰與活性炭噴射）+布袋除塵＋兩級濕法脫酸+煙氣再熱+SCR”的危險廢物焚燒及煙氣凈化處理工藝。

工業危險廢物運送至車間后，固體、半固體類危險廢物經過破碎等預處理，直接送入固體廢物儲坑。可焚燒的液體類危險廢物，根據其熱值，分別儲存在高、中低熱值廢液儲罐內，經過濾后泵送至回轉窯和二燃室的燃燒模塊。

醫療廢物以桶裝方式進場，卸進密封、隔離的醫療廢物暫存區。帶桶的醫療廢物經斗式提升機提升至上下兩級疊放的醫療廢物專用撕碎機進料斗內，經撕碎處理后的小粒徑物料直接進入帶稱重及密封系統的醫療廢物儲倉，經稱重后的醫療廢物由設置于儲倉底部的皮帶輸送至回轉窯窯頭鏈板給料倉內。

經預處理后的廢物在預混上料區根據實驗室配伍單進行配伍混合均勻。散裝廢物的上料采用皮帶輸送機及鏈板給料機組合式進料，桶裝廢物采用提升機進料。由于工業危廢與醫療廢物的性質不同，且不能同時處理，設置兩套不同的給料系統，通過各自的進料斗進入窯頭。

危險廢物進入回轉窯后首先完成加熱、干燥、燃燒過程，此段燃燒過程溫度較低，然后進入升溫揮發及燃盡過程，此過程的時間需要保證大于1小時，且控制溫度在850℃左右。高溫揮發的可燃氣體在回轉窯中來不及完全燃燒則進入二燃室，二燃室的燃燒過程需要保證燃燒溫度在1100℃，且煙氣停留時間超過3秒，以此使有害物質充分分解。溫度不達標時，就需要噴入柴油作為輔助燃料，來確保溫度。

從二燃室出來的煙氣進入冷卻過程，包括余熱鍋爐和急冷塔。煙氣進入余熱鍋爐冷卻爐膛后，依次通過四個通道換熱，煙氣溫度降至約550℃左右。同時在余熱鍋爐預留SNCR 裝置接口位置，通過尿素泵噴射尿素溶液，以SNCR 工藝去除爐內部分NO x。煙氣在急冷塔內實現溫度驟降至200℃以下，且時間控制在1秒內。

經急冷塔降溫后的煙氣進入煙氣后處理流程，首先在干式脫酸塔內噴入消石灰粉和活性炭粉，將煙氣溫度降到170℃，以此降低煙氣的濕度，起到進一步脫酸作用，同時活性炭可吸附煙氣中的重金屬、PCDD/PCDF 等有毒有害成分。然后進入布袋除塵器，除去各種粉塵。其后進入兩級濕式洗滌塔，經水和堿液吸收完成脫酸過程。然后煙氣需要經過再加熱過程，使煙氣升溫至300℃后進入SCR，將 NOx 還原為N3和H3O。而此時排放煙氣溫度偏高，本項目中又增加了一個換熱器預熱鍋爐給水，將煙氣降溫至適合溫度，至此煙氣達到可排放標準，通過煙囪排入大氣。

（二）等離子熔融系統

本項目等離子熔融處置廢物包括本項目自產爐渣、飛灰以及外來酸洗污泥。設計采用的工藝路線為：廢物預處理及上料系統+等離子熔融爐+二燃室+（SNCR脫硝）+煙氣急冷＋干式脫酸（消石灰與活性炭噴射）+布袋除塵器+兩級濕法脫酸+煙氣再加熱器+SCR脫硝+煙囪排放。

爐渣、飛灰、外來酸洗污泥以及種輔料（碎玻璃及石灰石）等物料進入各自物料緩沖倉，通過控制各自的振動給料機卸料量，將物料排至皮帶輸送機上送入混料機，物料混料完成后通過混料輸送機提升至進料緩沖倉，經倉下皮帶稱重給料機稱量后，通過水冷螺旋入料段輸送入等離子熔融爐。

處置物料運送至等離子上料區，通過螺旋推入等離子熔融爐。有機成分會在等離子體及高溫作用下裂解氣化，熔融區溫度達到1450-1600℃以上，等離子爐出口煙氣達到950℃以上。在1450-1600℃的反應溫度下，無機物熔融成為液態，同時向爐內添加助熔劑及其它氧化物組分調節出渣的形態，排出無毒無害的玻璃化渣，可二次利用作為建筑材料使用。

等離子爐反應生成CO、H2、CH4、HCl等合成氣。合成氣體經過二燃室再燃后將合成氣中的有機成分、CO和H2混合氣氧化成CO2和H2O，并釋放大量的熱。

二燃室溫度及停留時間以及后續高溫煙氣處置流程與焚燒處置系統處置流程相同，主要為余熱利用及煙氣后處理，不同的是煙氣加熱器將煙氣加熱至200℃，不需要進行換熱，二次脫硝后煙氣直接通過煙囪排入大氣。

（三）物化處理系統

物化系統處理的危險廢物主要以廢液為主，本項目物化處理廢物包括烴水混合物或乳化液中油水混合物以及廢酸、廢堿等。

（1）預處理

廢乳化液、油水混合物

針對廢乳化液、油水混合物的處理工藝為：靜置隔油+破乳+油水分離+絮凝沉淀+板框壓濾，廢酸廢堿經酸堿中和后，與油水分離后廢乳化液、油水混合物混合，經絮凝沉淀+板框壓濾處理。

廢酸、堿對廢酸廢堿的預處理，首先需要進行酸堿中和，使pH 值在9—10，然后進入上述廢乳化液、油水混合物的絮凝沉淀+板框壓濾工藝進行處理。

（2）蒸發處理工藝

經預處理的廢水進入雙效蒸發器進行蒸發處理，采用并流流程。廢水由循環泵加壓打入一效蒸發器，同時接入加熱蒸汽，在蒸發換熱室內廢水被加熱至過熱，然后閃蒸出蒸汽作為二效蒸發器的熱源。廢水在不斷濃縮后，鹽濃度越來越高直至析出，吸鹽泵將一效蒸發器濃縮后的廢水吸出后進行分離，分離后廢水進入二效蒸發器繼續加熱濃縮，不斷循環，最終實現水鹽分離。

三、余熱蒸汽系統

回轉窯焚燒和等離子熔融處理后，高溫煙氣回收熱量的主要手段就是利用余熱鍋爐產生蒸汽。危廢處置項目蒸汽利用的主要途徑有：系統自用、對外供熱、蒸汽發電以及乏汽換熱供采暖及生活熱水等[4，5]。由于危廢項目的特殊性，地理位置經常較為偏僻，故供熱較難實現。而蒸汽發電初期投資高，主要有螺桿發電機組和汽輪發電機組兩種。螺桿發電機組適應性強，但是效率較低，汽輪發電機組雖然效率較螺桿發電機組高，但是適應性沒有螺桿機組強，且占地面積較大，同時系統比較復雜，這些原因都制約了危廢項目余熱蒸汽發電應用。

本項目中，余熱鍋爐蒸汽主要為系統自用及冬季供采暖。其中100t/d回轉窯焚燒處置線產生蒸汽15.3t/h，30t/d等離子熔融處置線蒸汽0.867t/h，蒸汽參數均為3.5MPa，244℃（飽和蒸汽），項目的蒸汽系統工藝流程圖如圖1。

圖1 蒸汽系統工藝流程圖

由工藝流程圖可見，設計工況下，整個焚燒處置項目共產生3.5MPa飽和蒸汽16.17t/h，優先保證焚燒系統及等離子系統煙氣加熱及造粒干化等工藝用汽7.31t/h。剩余8.86t/h中壓蒸汽調壓至0.6MPa，加上煙氣加熱器換熱后的擴容產生的低壓閃蒸蒸汽，共9.96t/h，優先供除氧器、物化處理工藝及冬季采暖伴熱，剩余蒸汽供一二次風空預器使用，蒸汽量不足時，調節一二次風空預器蒸汽入口控制閥，減少蒸汽用量。由于物化處理系統和焚燒處理系統相對獨立，當物化處理系統檢修或者停用時，產生的蒸汽無法利用，仍需設置備用蒸汽冷凝器，將剩余蒸汽冷凝后回用，此時一二次風空預器可開到最大，故蒸汽冷凝器最大處理量為5.5t/h。

四、結論

本危險廢棄物集中處置項目，利用了回轉窯焚燒工藝、物化工藝，結合了金屬固化率高的等離子熔融新技術，可接收的危廢種類全，體量大，能處置區域內大部分工業危廢及醫廢，同時項目將危廢處置產生的爐渣及飛灰等協同處置，不產生需要二次處置的危險廢棄物，極大地緩解了城市危險廢棄物處置壓力，有利于改善環境，給城市工業健康積極發展提供良好保障。同時在正常運行情況下，項目產生的蒸汽能全部自用，減少了能源損失，具有很好的經濟效益和環境效益。