張春飛, 周云端, 劉 丹, 胡安寶, 仲偉聰

（1.西安航天源動(dòng)力工程有限公司，陜西 西安 710100；2.航天推進(jìn)技術(shù)研究院，陜西 西安 710100）

0 引言

危險(xiǎn)廢物由于具有腐蝕性、毒性、易燃性、反應(yīng)性或感染性等一種或幾種危險(xiǎn)特性，環(huán)境危害特別嚴(yán)重。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的數(shù)據(jù)，2019年全國(guó)196個(gè)大、 中城市工業(yè)危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量達(dá)4 498.9 萬(wàn)t，綜合利用量為2 491.8 萬(wàn)t，處置量為2 027.8 萬(wàn)t，貯存量為756.1 萬(wàn)t，工業(yè)危險(xiǎn)廢物綜合利用量占利用處置及貯存總量的47.2%，處置量、貯存量占比分別為38.5%和14.3%[1]。 危險(xiǎn)廢物處置主要有焚燒法、填埋法、物化法、熱解法、等離子體熔融法等處理技術(shù)[2]。隨著市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大，環(huán)保監(jiān)管力度加強(qiáng)，將有越來(lái)越多的危廢進(jìn)入市場(chǎng)。 除特種危廢采用專(zhuān)用物化法、專(zhuān)用回收法處置以外，大部分危廢采用填埋法、焚燒法、熱解法和等離子體熔融法處置。 然而，填埋法并不能解決危廢的本質(zhì)問(wèn)題，且隨著土地資源的緊張，填埋法將逐漸棄用；焚燒法減容、減量效果較好，但會(huì)帶來(lái)二噁英、飛灰、爐渣等次生危廢問(wèn)題[3-5]。熱解法針對(duì)高熱值危廢能實(shí)現(xiàn)資源化利用，且在低氧或無(wú)氧條件下進(jìn)行的，減少了二噁英前體物的生成，可有效遏止二噁英類(lèi)有毒物質(zhì)的產(chǎn)生和排放[6-7]。 等離子體熔融法由于“高溫、還原性氣氛”的技術(shù)特點(diǎn)，危險(xiǎn)廢物中的有機(jī)物質(zhì)（含毒性、腐蝕性、傳染性物質(zhì)）可完全裂解氣化為可燃合成氣（主要成分為CO，H2等），無(wú)機(jī)物質(zhì)（含礦物質(zhì)、重金屬類(lèi)物質(zhì)）高溫可熔融為玻璃態(tài)物質(zhì)并回收利用，資源化利用率高、技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，幾乎可處理除高放射性核廢料外的所有固體廢棄物[8-9]，但存在整體裝備投資昂貴，以及等離子體炬的自耗電、運(yùn)行壽命和穩(wěn)定性等問(wèn)題，使等離子技術(shù)的推廣使用存在困難。

基于中溫?zé)峤夂透邷氐入x子熔融的多工藝協(xié)同危廢處置技術(shù)，先在貧氧環(huán)境下通過(guò)中溫?zé)峤鈱?duì)危廢進(jìn)行減量化處理，再將減量后的熱解殘?jiān)腿敫邷氐入x子熔融裝置中進(jìn)一步高溫氣化熔融后以玻璃態(tài)形式排出，可實(shí)現(xiàn)固態(tài)殘?jiān)臒o(wú)害化處理。處置過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔庀冗M(jìn)入余熱利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)余熱資源化利用，再經(jīng)煙氣凈化裝置實(shí)現(xiàn)高效凈化。該協(xié)同工藝技術(shù)可實(shí)現(xiàn)“有機(jī)熱解氣化”與“無(wú)機(jī)熔融”相結(jié)合，使危廢在熱解爐內(nèi)大幅減量從而降低了高溫等離子熔融爐處置量，解決了高溫等離子系統(tǒng)高能耗問(wèn)題，2 種系統(tǒng)相結(jié)合可取長(zhǎng)補(bǔ)短，同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行性。

以廣東某修造船廠(chǎng)內(nèi)基于“中溫?zé)峤?高溫等離子體熔融+煙氣余熱利用及凈化”為主體的多工藝協(xié)同危廢處置中心為例（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“固廢處置中心”），結(jié)合168 h 性能試驗(yàn)和3 個(gè)月生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)情況對(duì)2 種不同運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，提出合理建議，為后續(xù)處置中心的建設(shè)運(yùn)營(yíng)提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

固廢處置中心位于廣東某修造船基地內(nèi)，項(xiàng)目場(chǎng)地長(zhǎng)約56.0m，寬約36.3m，占地面積約為2032.88 m2，包括物料存儲(chǔ)區(qū)、預(yù)處理區(qū)、熱解系統(tǒng)和等離子溶融系統(tǒng)裝置區(qū)及配電間、去離子水制備間等輔助用房。項(xiàng)目符合國(guó)家的環(huán)保產(chǎn)業(yè)政策，實(shí)現(xiàn)了該基地內(nèi)所有修造船企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物的減量化、無(wú)害化和資源利用化處理。

1.2 工藝流程簡(jiǎn)介

1.2.1 危廢類(lèi)別及處置規(guī)模

處理的廢棄物包括含油污泥、含油抹布、廢油漆渣、廢油漆桶，根據(jù)《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》規(guī)定，需要處理的廢棄物均為危險(xiǎn)廢物，其類(lèi)別、代碼和年處理量見(jiàn)表1。含油污泥（包含含油抹布）為粘稠狀固體，廢油漆渣大部分為粘稠狀固體，部分廢油漆渣為粘稠狀液體，廢油漆桶為95%金屬固體。

表1 待處理危險(xiǎn)廢物明細(xì)

針對(duì)危險(xiǎn)廢物的種類(lèi)和性狀，采用了基于“中溫?zé)峤?等離子高溫熔融+煙氣余熱利用與凈化”的多工藝協(xié)同危廢處置技術(shù)解決方案。項(xiàng)目規(guī)模：系統(tǒng)處理能力為5 000 t/a，其中預(yù)處理系統(tǒng)處理能力為40 t/d，熱解系統(tǒng)工業(yè)廢棄物處理量為20 t/d，等離子熔融系統(tǒng)處理熱解殘?jiān)繛? t/d，裝置每年操作時(shí)間為連續(xù)操作6 000 h 或250 d。

1.2.2 工藝流程

系統(tǒng)主要包括預(yù)處理系統(tǒng)、熱解系統(tǒng)、等離子體熔融系統(tǒng)、煙氣余熱利用及凈化系統(tǒng)工藝流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)工藝流程示意

待處理的危險(xiǎn)廢物通過(guò)預(yù)處理系統(tǒng)破碎與油泥配伍后，送入熱解系統(tǒng)中在絕氧的環(huán)境下逐漸被加熱至600 ～700 ℃左右，使危廢中含有的有機(jī)組分中溫裂解為可燃的熱解氣、炭渣、以及少量的焦油[10]。其中熱解氣體經(jīng)過(guò)高溫除塵器進(jìn)行有效除塵后進(jìn)入二燃室充分燃燒為熱解裝置提供足夠的熱量； 中溫?zé)峤鈿堅(jiān)ㄖ饕煞轂闊o(wú)機(jī)物殘?jiān)捌渌饘俟虘B(tài)物） 通過(guò)輸送單元經(jīng)磁選分離金屬鐵后和高溫除塵器收集的飛灰經(jīng)造粒成型為粒徑為1 ～3 cm 顆粒后，通過(guò)配伍上料系統(tǒng)與配伍物料比例配伍送入等離子氣化熔融爐進(jìn)行高溫玻璃化處理。在等離子炬、輔助燃料和空氣的共同作用下，熱解殘?jiān)c配伍料中的碳及其他可氣化物質(zhì)在等離子體熔融爐內(nèi)進(jìn)一步氣化為CO 等小分子氣體。 固體殘?jiān)鼰o(wú)機(jī)物部分與配伍物料經(jīng)1 400 ～1 500 ℃高溫熔融形成致密玻璃化渣，玻璃化渣通過(guò)急冷水淬后以玻璃態(tài)形式排出。 等離子熔融爐氣化產(chǎn)物進(jìn)入二燃室經(jīng)1 100 ℃高溫且停留時(shí)間大于2 s 條件下進(jìn)一步燃燒，使煙氣中的有機(jī)物和二噁英徹底分解，達(dá)到無(wú)害化目的。

等離子體系統(tǒng)及熱解系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)煙道混合后進(jìn)入余熱鍋爐經(jīng)換熱回收部分能量后降溫為中溫?zé)煔猓厥盏哪芰慨a(chǎn)生1 MPa 的飽和蒸汽，一部分為煙氣再熱器和多效蒸發(fā)提供蒸汽熱源，另一部分加熱空氣至150 ℃，進(jìn)入烘砂裝置進(jìn)行烘砂實(shí)現(xiàn)煙氣余熱資源化利用。 余熱鍋爐降溫后的中溫?zé)煔膺M(jìn)入急冷塔在1 s 內(nèi)急速冷卻至200 ℃以下，避免二噁英的低溫再合成[11]。 經(jīng)急冷后的煙氣進(jìn)入干式反應(yīng)塔，在干式反應(yīng)塔中噴入研磨至一定粒徑的小蘇打粉末和活性炭粉末進(jìn)一步脫酸，并對(duì)煙氣中的重金屬和可能再生成的二噁英等物質(zhì)進(jìn)行吸附，再進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行除塵，二次飛灰從布袋排灰口定期排出，用噸袋收集后返回至等離子體熔融爐中再處理。 經(jīng)布袋除塵器除塵后的煙氣進(jìn)入濕式脫酸系統(tǒng)，在濕式脫酸塔中噴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH 溶液進(jìn)一步脫除SO2，HCl，HF 等酸性氣體，達(dá)到煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)。 最后經(jīng)過(guò)凈化的煙氣被加熱以消去白煙后通過(guò)引風(fēng)機(jī)的作用送入煙囪排入大氣中。

多工藝協(xié)同危險(xiǎn)廢物處置技術(shù)可有效解決傳統(tǒng)危險(xiǎn)廢物處置煙氣排放量偏大的問(wèn)題，大幅降低煙氣中二噁英的產(chǎn)生幾率，并通過(guò)高溫熔融玻璃體形式解決熱解碳渣和焚燒飛灰的無(wú)害化處置問(wèn)題，工藝過(guò)程中產(chǎn)生的熱量用于修造船企業(yè)的烘沙工藝，大幅提升了熱量的利用效率，節(jié)能效果明顯。

1.2.3 系統(tǒng)的運(yùn)行控制

根據(jù)本處置中心生產(chǎn)裝置的工藝特點(diǎn)和當(dāng)前的自動(dòng)化控制水平要求，預(yù)處理系統(tǒng)、熱解系統(tǒng)、等離子體氣化熔融系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng)各工作區(qū)域儀表采用分散控制系統(tǒng)（即DCS）實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制。測(cè)控柜設(shè)置機(jī)柜間及操作室，現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)直接進(jìn)入測(cè)控柜機(jī)柜間，再與測(cè)控柜的操作站/工程師站相連接，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、監(jiān)視及聯(lián)鎖。 裝置中的成套設(shè)備等采用自有控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和安全保護(hù)，同時(shí)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)在測(cè)控柜DCS 系統(tǒng)進(jìn)行顯示或操作。 公用工程和輔助系統(tǒng)為系統(tǒng)設(shè)備提供配套的水、電、氣、燃料、視頻監(jiān)控、設(shè)備消防等功能。

2 工程運(yùn)行分析

2.1 工程總體運(yùn)行情況

該處置中心于2020年12月完成系統(tǒng)烘爐、煮爐；2021年2月完成熱態(tài)聯(lián)調(diào)及168 h 性能考核試驗(yàn)；2021年6 ～9月份完成試生產(chǎn)。 168 h 性能考核試驗(yàn)及試生產(chǎn)階段熱解單元和等離子體熔融單元均達(dá)到額度處理負(fù)荷；余熱利用單元、煙氣凈化單元及公用工程設(shè)備單元同時(shí)進(jìn)行了性能考核，系統(tǒng)總體運(yùn)行狀態(tài)良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在熱解單元和等離子體單元額定負(fù)荷工況下整個(gè)系統(tǒng)每小時(shí)生產(chǎn)消耗及排放的理論計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2 ～表3。由表2 ～表3 可以看出，理論分析與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

表2 每小時(shí)生產(chǎn)消耗量對(duì)比

表3 每小時(shí)排放情況對(duì)比

2.2 熱解系統(tǒng)運(yùn)行分析

熱解系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)或間歇性運(yùn)行，系統(tǒng)控制完全適應(yīng)對(duì)含油污泥、含油抹布、廢油漆渣、廢油漆桶各種物料處理量的波動(dòng)，處理量為15 ～20 t/d，中溫?zé)峤鉅t溫度控制在500 ～700 ℃之間，熱解氣出口約450 ℃，熱解系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)設(shè)計(jì)值及運(yùn)行值見(jiàn)表4。

表4 熱解系統(tǒng)工藝參數(shù)

熱解系統(tǒng)主要排放物中殘?jiān)?jīng)磁選分離后的金屬主要浸出毒性監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。 由表5 可以看出，金屬鐵殘?jiān)龆拘赃h(yuǎn)小于GB 5085.3—2017《危廢鑒別標(biāo)準(zhǔn)-浸出毒性鑒別》浸出毒性限值要求，經(jīng)鑒定為一般廢棄物，可進(jìn)一步資源化利用。

表5 金屬浸出濃度

2.3 等離子體系統(tǒng)運(yùn)行分析

磁選分離金屬鐵后的熱解碳渣經(jīng)造粒成型和配伍助熔劑一起送入等離子體系統(tǒng)處理，等離子熔融爐系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定。 余熱鍋爐出口氧含量控制在10%～11%，主熔池爐渣電阻控制在0.1 Ω，上升道爐渣電阻控制在0.5 Ω，熔池液位穩(wěn)定，正常出渣時(shí)，熔池液位高出溢流排渣口約100 mm，出渣順暢，等離子體熔融爐系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)設(shè)計(jì)值與運(yùn)行值見(jiàn)表6。

表6 等離子體爐系統(tǒng)工藝參數(shù)

按照GB/T 41015—2021《固體廢物玻璃化產(chǎn)物技術(shù)要求》 對(duì)溢流排出的?；母黜?xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，其中玻璃體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.2%，酸溶蝕率為0.02%，熱酌減率為0.2%，重金屬浸出含量見(jiàn)表7，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，可作為建設(shè)用卵石、碎石、砂等的替代材料資源化利用。

表7 金屬浸出濃度

2.4 余熱利用及煙氣凈化系統(tǒng)運(yùn)行分析

熱解系統(tǒng)和等離子系統(tǒng)產(chǎn)生的煙氣經(jīng)二燃室充分燃燒后進(jìn)入余熱鍋爐降溫回收余熱副產(chǎn)飽和蒸汽，副產(chǎn)的飽和蒸汽主要供應(yīng)到空氣換熱器、煙氣再熱器和廢水處理設(shè)備循環(huán)利用，進(jìn)入空氣換熱器的飽和蒸汽與空氣換熱產(chǎn)生熱空氣用于廠(chǎng)區(qū)烘砂，進(jìn)入煙氣再熱器的蒸汽將煙氣凈化系統(tǒng)中堿洗塔排出的煙氣加熱至130 ℃以上排出，進(jìn)入廢水處理設(shè)備的蒸汽對(duì)堿洗塔排出的高濃度含鹽廢水進(jìn)行多效蒸發(fā)析出廢鹽。 在余熱鍋爐溫度為900 ～1 050 ℃的區(qū)域設(shè)置尿素溶液噴口，通過(guò)脫硝噴槍噴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的尿素溶液過(guò)SNCR 系統(tǒng)脫除煙氣中NOx。煙氣余熱降溫后通過(guò)“急冷+干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵+堿洗”的多工藝煙氣凈化單元凈化后達(dá)標(biāo)排放。 生產(chǎn)過(guò)程中的余熱利用及煙氣凈化系統(tǒng)工藝參數(shù)見(jiàn)表8。由表8 可以看出，設(shè)計(jì)值與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

表8 余熱利用及煙氣凈化系統(tǒng)工藝參數(shù)

系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，利用在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和取樣口取樣監(jiān)測(cè)方式對(duì)煙氣排放污染物進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表9。 由表9 可以看出，煙氣經(jīng)“SNCR+急冷+干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵+堿洗” 多工藝煙氣凈化單元凈化后的排放指標(biāo)優(yōu)于GB 18484—2020《危廢焚燒污染控制》標(biāo)準(zhǔn)煙氣排放限值要求。

表9 煙氣排放濃度

3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)該處置中心168 h 性能測(cè)試和3 個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)危廢無(wú)害化、資源化和減量化的運(yùn)行模式上可采用以下2 種運(yùn)行方式: ①熱解系統(tǒng)（20 t/d）、等離子系統(tǒng)（3.63 t/d）均按照設(shè)計(jì)運(yùn)行250 d；②熱解系統(tǒng)（20 t/d）按照設(shè)計(jì)規(guī)模運(yùn)行250 d、等離子系統(tǒng)（6 t/d）1 a 集中運(yùn)行150 d。 對(duì)上述2 種運(yùn)行方式和原設(shè)計(jì)方式進(jìn)行了全成本經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果見(jiàn)表10。 由表10 可知，原設(shè)計(jì)分析與運(yùn)行方式1實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果基本一致，處理成本為2 606.2 元/t。運(yùn)行方式2 的處理成本為2 352.8 元/t，比運(yùn)行方式1 節(jié)約9.73%，運(yùn)行費(fèi)用累計(jì)可節(jié)省126.73 萬(wàn)元/a。這說(shuō)明，對(duì)于等離子體熔融爐系統(tǒng)可以集中運(yùn)行時(shí)間，將運(yùn)行負(fù)荷提高至設(shè)計(jì)上限，能夠有效節(jié)省成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

表10 不同運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)成本分析

4 結(jié)論

（1）以船舶修造行業(yè)產(chǎn)生的罐底油泥、廢油漆渣、含油抹布、廢油漆桶等危險(xiǎn)廢物為處理對(duì)象，提出了基于“中溫?zé)峤?高溫等離子熔融+煙氣余熱資源化利用及凈化”的多工藝協(xié)同危廢處置技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了修造船工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的危險(xiǎn)廢物的減量化、無(wú)害化和資源化處置，推動(dòng)修造船企業(yè)逐步建成“無(wú)廢工廠(chǎng)”；

（2） 多工藝協(xié)同危廢處置系統(tǒng)燃燒效率≥99.9%，有機(jī)物焚毀去除率≥99.99%；危險(xiǎn)廢棄物中的無(wú)機(jī)物經(jīng)處置后形成無(wú)害化玻璃體爐渣，熱灼減率＜1%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足GB/T 41015—2021《固體廢物玻璃化產(chǎn)物技術(shù)要求》的要求，可實(shí)現(xiàn)建材資源化利用；煙氣中的NOx，HCl，SO2，二噁英等污染物排放濃度優(yōu)于GB 18484—2020 《危廢焚燒污染控制》標(biāo)準(zhǔn)煙氣排放限值要求，可實(shí)現(xiàn)超低排放；

（3）采用等離子體熔融爐系統(tǒng)集中時(shí)間運(yùn)行的方式，處理成本為2 352.8 元/t，可有效節(jié)省成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。