等离子气化熔融技术在危险废物处理中的应用

摘要:等离子体处理技术可为危险废物的合理处置提供高效安全的解决方法。本文简要介绍了等离子体气化熔融技术的特点、优势及存在的问题,结合危险废物的产生特点,分析了危险废物处置行业的发展趋势;在此基础上,介绍了一种适用于工业园区的离网式电源耦合等离子体处理危废的系统;最后,总结了等离子体处理危险废物可能的发展方向。

危险废物是指列入《国家危险废物名录》或根据国家规定的危险废物鉴别标准和鉴别方法认定的具有毒性、腐蚀性、易燃性、反应性或感染性等一种或几种危险特性的废弃物,包括固态、半固态和液态废弃物。目前列入《国家危险废物名录》(版)的危险废物有46大类别种。

受到危险废物名录调整、”清废行动”及环保督察的影响,我国危废处置市场快速增长。特别是年,受到春节期间爆发新冠肺炎疫情的影响,预计全国医疗废物产出量增幅将超过20%,受医疗废物产出量增长推动,年我国危废产量或将超过万t〔1〕。

国内危险废物的处理方式可分为资源化利用和无害化处置。资源化利用主要有湿法冶炼、火法冶炼提取贵金属,废矿物油/有机溶剂回收等,经过多年发展,供需基本达到平衡。无害化处置的主要技术有安全填埋、回转窑焚烧、水泥窑协同焚烧以及以等离子气化熔融为代表的新兴处置技术等。按照危废平均处置价格为元/t测算,年危废无害化处置市场空间将达到亿元。以万吨投资规模~万元计,到年危废无害化处置工程建设新增市场规模将达到亿元。

由于技术研发能力弱、资质审批时间长、资质与需求错配等因素限制,危废处理市场上供需矛盾突出、产能缺口巨大。为了应对种类繁多的危险废物,人们要提升技术的适用性。在众多危险废物处理技术中,等离子气化熔融技术原料适应性强、环保性好,是实现危险废物无害化与资源化处置极具发展前景的一种技术,对该技术的研究推广正当其时。

1等离子气化熔融处置技术

等离子气化熔融处置技术是利用等离子体炬使惰性气体发生电离,形成.85P的等离子体电弧,在超高温、缺氧环境及反应活性粒子的作用下,危废中的有机物被分解成含氢气、一氧化碳、水等气体的合成气,可用作燃料或化工原料;无机物被熔融形成玻璃体炉渣(主要成分为硅酸盐和金属),可用于回收金属和制作建筑材料。

等离子气化熔融处置技术具有固体危废减量化效果好(熔渣密度大)、二次排放低(二噁英前驱物分解彻底)、热效率高、经过处理后的残渣不需要二次填埋等优点,单独使用可处置HW01~HW13、HW15~HW25、HW27、HW29、HW34~HW37、HW39、HW40、HW46~HW50等大多数危废(共计37大类),特别适合处置低热值、高毒性的危废,如医疗垃圾、石棉废物、回转窑焚烧飞灰和炉渣等。

2等离子气化熔融处置技术存在的问题

一是能耗高:电力作为能源,热效率为70%。

二是运行成本高:等离子炬电极在氧化氛围中易腐蚀,寿命短,需要定期更换。

三是制造成本高:运行温度非常高,装置使用大量耐高温、耐腐蚀的材料。

四是自动化控制要求高:处理过程需要控制的参数多,控制系统较为复杂。

五是运行维护风险高:对于国内危废处理行业来说,等离子气化熔融处置技术是一种新的技术类型,可借鉴经验少。

3危废处置行业发展趋势预测

危废的种类繁多,特性复杂,区域分布广泛,且单个产废企业产量小。危废的转移受到国家层面的严控,比如,西部多省份禁止省外危废转入;江苏省要求做到危废不出市,就地安全处置。危废的处置有严格的资质要求,资质申请门槛高,难度大,周期长。随着环保督查趋严及工业企业“入园”工作的不断推进,危废处置设施将作为工业园区配套的公共设施,助力园区做到污染物零排放。

基于以上情况,结合危废处理处置的全周期管理政策及规范分析,危废处置项目未来的处置终端建设形式有:区域性规划体系内的危废处置中心;园区和产废单位配套危废处置厂/车间;产废企业内资源化利用、无害化处置工艺改造;小型移动式成套装置产废企业内现场处置服务。

等离子气化熔融处置技术虽然运行成本较高,但因其适应性极强、环保性极好,越来越受到行业的青睐,其在国内正处于技术示范阶段,尚未得到大规模应用,具有较好的市场前景。

4离网式电源耦合等离子体处理危废的系统

结合行业发展趋势,下面介绍一种适用于工业园区的离网式电源耦合等离子体处理危废的系统,如图1所示。

布置在园区内的光伏面板吸收入射的太阳光转换成为电能被蓄电池组吸收,然后通过DC/DC转换器调节、整合,以稳定的电压输出,供给等离子体危废处理系统使用。系统运行时,等离子体炬将电能直接转化为电离的、中心温度约为℃的高温气体。危险废物经破碎等预处理后,由给料机推入等离子体气化炉内。在等离子体炬产生的高温射流作用下,危险废物中的有机物热解气化成CO、H2等可燃气体,由炉顶合成气出口排出,进入二燃室。无机物则在炉底形成高温熔融物,经水激冷后形成玻璃体渣,从炉底排渣口排出,作为一般固体废物储存。同时,废液经废液泵进入废液烧嘴,在二燃室中进行混燃形成高温烟气,高温烟气进入混风室冷却至℃,经半干法脱酸装置除去酸性气体后进入除尘器除尘。除尘后的烟气由引风机送入烟囱排放。在二燃室、混风室、半干法脱酸装置、除尘器处收集的飞灰和废液返回进料斗处,与危险废物混合后进入等离子体气化炉内再次熔融处理。合成气可以根据园区的需求净化后作为一般工业原料,也可将混风室改为余热回收装置,为园区供热。

等离子体气化炉运行时,除了需要一定量的洁净压缩空气以产生等离子体外,等离子体炬壳体需要去离子水冷却。同时,需要一定的辅助风将能量非常集中的等离子体热能均匀化。在反应过程中,要添加适量辅料,如焦炭、石灰石、玻璃渣等〔2〕。焦炭的功能是在反应炉内形成一个有空隙的炉床。熔融的无机物通过空隙落入反应炉底的熔浆池。同时,焦炭也提供了熔化无机物的一部分热能。石灰石的作用是增加熔浆的流动性,同时起到一定的酸碱中和作用。当物料中硅的成分较少时,要添加一些玻璃渣,以便得到质量较好的玻化渣。

离网式电源耦合等离子体处理危废系统是几个成熟子系统技术的组合:光伏发电、等离子体炬、合成气净化以及合成气用于发电或制取化学品都是被国内企业掌握了的成熟工艺,各模块设备通用性强,装置结构简单,占地面积小,一个日处理量为5t的系统占地面积只有㎡(不含光伏),因此,从技术的可行性上讲,项目建设只需要做好子系统的结合和完善流程即可,具有普及的可能。

5结论

年,我国城镇化水平提高到60.60%,随着我国工业化进程进入后期的后半阶段,未来危险废物的产生量将继续增大。同时,伴随着政策趋严、环保监管力度加大,危险废物处置从看样子进入到看效果时代,直接引发了危废处置刚需的急剧上升。持续增大的市场规模既是我国危险废物处置行业的挑战,更是机遇。等离子体处理危险废物将会成为危废无害化处置领域的一项共性核心技术,具有广阔的发展空间,未来可在以下方向继续深入研究。

一是设备小型化、移动化。等离子体气化熔融处置系统具有原料适应性强、设备占地面积小的特点,在系统小型化、移动化方向上具有天然优势。小型化优势体现在企业工厂内可以自行建设,自行处理危险废物。移动化优势体现在产废企业可租赁设备在厂内自行处理危险废物,既节省运输费用、减少投资费用,又能避免危险废物运输过程中可能发生的二次污染,为解决危险废物跨境转移问题提供一种思路。鉴于危险废物的特殊性,还需要相关法律、政策等严格规范自建或租赁危险废物处理装置,但无疑小型化移动化的等离子体处理设备对于投资、安装、运行等过程会更有竞争力〔3〕。

二是开发“等离子体+”技术,多种工艺技术联用。等离子体处理技术不仅环保性好,而且增加了终产品及副产品的潜在应用价值,但是,等离子体技术以电力作为能量的来源,其经济性较差的缺陷已经成为影响等离子体技术商业化应用的主要障碍。因此,现阶段应着力设法提高等离子体技术的经济性,以推进该技术实现更广泛的应用,比如,混合多级等离子体炬;与其他危废处理技术联合使用;与新能源耦合,既可降低常规能源用量,又可增加新能源消纳。

三是提升产物附加值。危险废物经等离子体处理后可得到较纯净的微晶材料、玻璃化残渣以及合成气,产物可再次应用于工业生产和建筑材料生产。例如,玻璃化残渣的浸出性非常低,可与其他材料如水泥、砾石等组合在一起用来生产铺路砖、装饰透水性砖等。鉴于玻璃化渣是多数等离子体处理固体废物过程都存在的主要终产物,因此,提高该产物的附加值对于提高等离子体处理技术的经济性具有更为普遍的意义〔4〕。

作者:程虎,韦耿,李维成,孙登科

单位:东方电气集团东方锅炉股份有限公司

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