危險廢物焚燒底渣熔融技術研究

肖燕，柳培文，楊華，曹彤

（1.中國天楹股份有限公司，江蘇 南通 226600；2.南通市海安生態環境局，江蘇 南通 226600）

危險廢物是指列入《國家危險廢物名錄》，或者根據國家規定的危險廢物鑒別標準和鑒別方法認定的具有危險特性的固體廢物。2011 年企業危險廢物申報下限由10kg 調整至1kg，全年統計量躍升；2016年國務院印發的《土壤污染防治行動計劃》為危險廢物管理和處置提供了強大推力；2018 年新的《環境保護稅法》實施，進一步推動了環保監管的日常化和規范化；2020 年《固體廢物污染環境防治法》修訂，危險廢物管理措施上升到法律層面，國家政策驅動危險廢物行業快速發展。

目前，焚燒、物化、填埋是危險廢物無害化最終處置的主要方法[1,2]，我國對于焚燒底渣主要采用安全填埋的方式進行最終處置，但是填埋場地容量有限且填埋處置存在滲漏等環境風險。《危險廢物填埋污染控制標準》（GB 18598—2019）頒布后，危險廢物產廢量集中區——東部沿海地區的填埋場的選址異常困難且建設和運行成本會越來越高。不斷增長的焚燒底渣產生量勢必會給危險廢物填埋場庫容造成巨大壓力，因此實現焚燒底渣的減量化與資源化具有重大意義。

1 危險廢物焚燒底渣特性

1.1 產生量預測

根據前瞻產業研究院發布的《2020—2025 年中國危廢處理行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》，受疫情影響，醫療廢物產生量增長，2020 年我國危險廢物產量超過10 000 萬t。焚燒和填埋的需求占比約為34%，2020 年焚燒和填埋的處置量約為3400 萬t，按照危險廢物的焚燒處置量占總處理量的55%、60%、65%三種比例預測我國危險廢物焚燒底渣產生量，由表1 可看出，三種比例下2020 年我國危險廢物焚燒底渣產生量分別為468 萬t、510 萬t和552 萬t。

1.2 重金屬毒性

焚燒產生殘渣量占固體廢物總量的20%—30%，由于其具有很高的金屬含量和浸出濃度，殘渣仍屬危險固體廢物，須經過安全穩定化處理滿足進場要求后方可填埋[3]。表2 為兩種危險廢物焚燒底渣的重金屬成分及含量[4,5]。

表2 兩種危險廢物焚燒底渣的重金屬成分及含量（單位：mg/L）

根據《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007），固體廢物浸出液中任何一種危害成分含量超過表3 所列的濃度限值時，即判定該固體廢物是具有浸出毒性特征的危險廢物。根據《危險廢物安全填埋處置工程建設技術》，危險廢物中鉛含量高于5mg/L、鎳含量高于15mg/L、砷含量高于2.5mg/L時，禁止直接進入危險廢物填埋場處置。

表3 無機元素及化合物浸出毒性鑒別標準值

1.3 國內外底渣玻璃化應用情況[6]

1.3.1 中國

目前我國已建成10 余套危險廢物高溫熔渣（熔融）玻璃化處置設施。經檢測，浸出毒性測試結果遠低于《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》（GB 5058.3—2007）限值，但是玻璃化技術建設成本比普通危險廢物回轉窯焚燒爐高10%—20%，在我國未得到廣泛使用。熔融技術的推廣已經形成了一定規模，具有一定普遍性，我國正在積極推進《固體廢物玻璃化處理產物技術要求》標準的制定，江蘇省《生活垃圾焚燒飛灰熔融處理技術規范》（DB32/T 3558—2019）已于2019 年3 月30 日起正式實施，填補了國內空白。

1.3.2 歐盟

歐盟明確規定危險廢物處置后所產生的玻璃態殘渣是一般固體廢物（代碼：19 04 01），不作為危險廢物進行管理。目前，歐盟國家超過1/2 的危險廢物焚燒處置設施采用了熔渣（熔融）玻璃化處置技術。

1.3.3 美國

美國國家環境保護局（EPA）于1992 年出臺了《危險廢物玻璃化工程技術手冊》，用于指導危險廢物玻璃化處置技術，對熱處理、電處理兩大類危險廢物玻璃化處置技術進行了綜合對比。美國近1/3 的危險廢物焚燒處置廠采用高溫熔渣（熔融）處置技術。

1.3.4 日本

受土地資源的限制，為了有效控制危險廢物的填埋量，熔融焚燒技術在日本也得到廣泛應用。根據有關資料介紹，日本有超過30 個企業采用危險廢物熔融和玻璃化熱處理技術。

2 底渣高溫熔融技術路線比較

目前危險廢物高溫熔渣玻璃化技術主要包括回轉窯熔渣焚燒技術和等離子體熔融技術，高溫熔渣玻璃化技術具有適應范圍廣、處置能力大、焚毀去除率高、煙氣凈化程度高等優點，處置成本低于填埋處置[7]。熔融處置后，可將熔渣中重金屬等有毒有害物質封存固化在玻璃態結構中，具有較強的穩定性，而且體積較小，易于儲存和轉移。

2.1 熔渣回轉窯技術路線

根據窯內灰渣物態及溫度范圍，回轉窯可分為干灰式和熔渣式。干灰式回轉窯內的溫度低于1000℃，窯內固體尚未熔融，仍為固體灰渣。熔渣式回轉窯內溫度可達1350℃，固體廢物中的惰性物質除高熔點的金屬及其化合物外，皆在窯內熔融，因此焚燒程度比較完全。熔融的流體由窯內流出，經急速冷卻后凝固。這種類似礦渣或巖漿的殘渣顆粒大，重金屬浸出濃度較干灰式回轉窯排放的灰渣低。

熔渣回轉窯在德國已經有很多成熟案例，如表4所示。我國沒有熔融玻璃化相關產品標準，運營要求相對高，耐材成本高，因此限制了該技術在我國的發展。

表4 德國熔渣回轉窯技術應用案例

2.2 回轉窯焚燒+水封出渣機+離線等離子體熔融爐技術路線（共用煙氣處理）

在回轉窯焚燒線附近設置一臺獨立的熔融爐，回轉窯焚燒后的爐渣，經過水封除渣機冷卻后，作為原料投入熔融爐進行高溫熔融，形成玻璃體排出。熔融爐產生的煙氣經高溫管道匯總后進入回轉窯焚燒線的二燃室處理。100t/d 回轉窯焚燒線配套40t/d 熔融設備，占地面積約100m2，等離子電弧設備的運行能耗為670—900kW·h/t。

此方案的優點在于：

（1）熔融爐設備與回轉窯焚燒設備相對獨立設置，運行和控制彼此獨立，對危險廢物焚燒線的正常運行影響最小。

（2）熔融爐和回轉窯可共用煙氣處理設施（熔融爐煙氣量小，對回轉窯工況影響不大），可降低設備的投資和運營成本。

（3）兩臺設備之間的聯系可以斷開，一臺設備檢修不影響另一臺設備運行。

（4）對于有空余場地的回轉窯焚燒線，改造較為簡單。

（5）設備容易布置，等離子體爐可以采用石墨電極，無需受限于等離子體炬。

（6）可以增加爐渣預處理設備，以應對回轉窯工況波動對爐渣的影響，比如破碎、磁選除鐵等。

（7）方便定期對爐渣成分進行取樣分析，以計算熔融爐的添加劑量，調配比例。

（8）對于來料中不適宜焚燒的無機廢物可送入熔融爐，增強物料適應性。

此方案的缺點在于：

（1）回轉窯焚燒產生的高溫爐渣被水淬冷卻后才進入熔融爐，熱量沒有被充分利用，浪費的能量約為500kW·h/t。

（2）熔融爐和回轉窯獨立設置，工程建設造價相對較高。

目前回轉窯+離線等離子熔融爐的技術路線在國內還沒有成熟案例，東方電氣、廣州維港等公司有相關專利研究（見表5）。

表5 回轉窯+離線等離子體熔融爐技術專利研究

2.3 回轉窯焚燒+在線等離子體熔融爐技術路線

此方案取消了回轉窯尾部落渣口下方的出渣裝置，改為設置一個熔融爐。回轉窯中的高溫爐渣從窯尾直接落進熔融爐內，在高溫下形成玻璃態熔渣，連續穩定排出。整個方案中危險廢物焚燒進料和出渣的穩定是保證危險廢物焚燒裝置長期連續運行的關鍵。

以100t/d 回轉窯配套40t/d 熔融的方案為例，按照此種設備布置方案，增加的費用主要有建設成本和運行成本。在建設成本方面，熔融爐設備約為150 萬元，除渣機費用和原來基本持平。此外，需要增加一部分建設施工費用（土方挖掘、設備安裝等），此部分費用根據現場改造施工難度不同而有所不同。在運行成本方面，主要為電費，由于各地電費不同，所以運行費用有所不同。

此方案的優點在于：

（1）設備占地面積相對較小，不需要設置單獨區域安放熔融爐設備。

（2）對于傳統回轉窯系統的布置結構改動較小，可以用于沒有多余場地的回轉窯爐的升級改造。

（3）爐渣進入熔融爐之前已經從回轉窯攜帶大量熱量，可減少熔融爐能量消耗。

此方案的缺點在于：

（1）設備緊湊，設備安裝空間狹小，容易產生干擾，不利于檢修。

（2）熔融爐與回轉窯工藝聯系緊密，控制系統復雜。

（3）熔融爐檢修周期短于回轉窯檢修周期，設備高溫段相連，一旦熔融爐停爐檢修，回轉窯必須同時停止，設備間相互影響較大。

（4）回轉窯內為氧化環境，熔融爐內為還原環境，回轉窯物料進入熔融爐，不適用石墨電極，只能采用昂貴的等離子炬。

（5）無法對原料進行預處理，可能會對進料和熔融爐造成影響。

目前回轉窯+在線等離子體熔融爐的技術路線在國內尚無應用，光大環保、天和控股等公司有相關專利研究（見表6）。

表6 回轉窯+在線等離子體熔融爐技術專利研究

2.4 三種技術路線比較

表7 從技術特點、運營要求、設備投資等方面對三種技術進行了綜合比較，采用成熟的回轉窯焚燒和等離子體熔融爐獨立布置，系統的可靠性相對最高。

表7 不同熔融方案對比

3 結語

隨著危險廢物產生量的不斷增加及焚燒處置率的持續提高，焚燒底渣所產生的危害將持續顯現，需要加快玻璃化技術的應用開發，實現焚燒底渣的減量化與資源化利用。危險廢物玻璃化技術已在發達國家推廣應用且有完善的技術規范及鑒別體系，建議加快研究制定我國的危險廢物高溫熔融玻璃化技術規范、玻璃化殘渣最終處置技術規范。

通過對“熔渣回轉窯技術”“回轉窯焚燒+水封出渣機+離線等離子體熔融爐”“回轉窯焚燒+在線等離子體熔融爐”三種技術綜合比較，并結合目前國內回轉窯技術雖然已經成熟，但是等離子體熔融技術還在消化吸收國外先進經驗的現狀，建議優先開展“回轉窯焚燒+水封出渣機+離線等離子體熔融爐”技術路線的研究工作，根據國內危險廢物的物料情況，實現危險廢物底渣高溫熔融玻璃化處置設備的本地化和產業化。