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危废焚烧处置技术及多种处置途径的优劣势分析

作者:张媛 胡春云 谢斐 郭盼 吴家桦  来源:安全管理网 
评论: 更新日期:2020年03月25日

摘要:危险废物种类繁多,产生量巨大,但目前无害化处理率较低。随着国家政策趋严,危废处理处置的刚性需求进一步加大,无害化处置市场进一步释放,前景广阔。本文从处置效果、投资运行成本等方面对现有的焚烧处置技术进行了对比分析,预测了未来危险废物焚烧处置技术可能的发展趋势。

危险废物具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性、感染性等,目前,列入《国家危险废物名录》的危废有46大类别479种。2016年我国危废产生量统计值为6937万吨,其中资源化综合利用、无害化处置以及贮存占比分别为58%、37%和5%,实际预估量超过1亿吨/年。2018年,生态环境部的“清废行动2018”; 工信部的长江经济带工业绿色发展、工业固体废物综合利用大排查; 海关的打击“洋垃圾”走私等行动,刺激了危废处置市场空间 的 释 放,提升了危废处理处置的刚性需求。

国内危险废物的处置方式包括资源化利用和无害化处置。资源化利用经过多年发展已相对稳定,供需基本达到平衡。无害化处置由于产能释放慢、资质审批时间长、资质与需求错配、跨省运输限制等因素,导致产能缺口巨大。回转窑焚烧作为一种传统的无害化处置技术在危废处置市场占重要地位。其他传统焚烧技术还包括流化床炉焚烧、固定床炉焚烧、热解焚烧等,占比均较小。水泥窑协同处置作为一种新的无害化处置方式,由于成本优势明显,在危废处置市场的份额逐步提升; 等离子高温熔融处置技术由于环保和资源化优势显著,随着技术日趋成熟,其在危废处置市场也扮演着越来越重要的角色。

危废种类繁多、成分复杂,如何寻求科学、合理的无害化处置方式是当前环保领域急需解决的首要问题。本文从处置效果、投资运行成本等方面对危废焚烧处置的3种重要技术进行阐述分析,对危险废物焚烧处置技术未来可能的发展趋势进行预测。

1 回转窑焚烧危废的回转窑焚烧处置一般采用 “回转窑+二燃室” 的结构。回转窑运行温度在800 ~ 1000℃,废物在窑内停留时间40~75min,到达出口时彻底转化成高温烟气和灰渣。高温烟气进入二燃室,在过量空气作用下,进一步完全燃烧,停留时间>2s,保证微量有机物及二噁英在高温下充分分解。灰渣出回转窑经水冷后进入灰仓。

回转窑焚烧处置一般采用 “余热锅炉+急冷+消石灰脱酸+活性炭喷射+布袋除尘器+烟气洗涤”的热量回收和净化工艺。烟气出二燃室后进入余热锅炉,温度从1100 ~ 1200℃降至550℃左右,然后进入急冷塔。在急冷塔中,雾化水滴蒸发使得烟气温度瞬间 (一般为0.6s左右) 降至200℃。由于烟气在200 ~ 500℃之间停留时间小于1s,因此防止了二噁英的再合成。消石灰脱酸主要是对酸性气体进行脱除,活性炭喷射主要是对有毒有害成分进行吸附。

危废的回转窑焚烧处置技术已经成熟、相对于其它技术,回转窑操作简单,运行稳定,控制方便,工作连续性好。但在实际运行过程中,仍会因物料适应性差、结渣严重导致启停频发、排放超标等问题。褚衍旭等通过对进入回转窑危废物料实行“三级配伍”能够避免或者减缓上述运行问题的产生。而回转窑焚烧危废物料的合理配伍,也使得多种危废如固废、废液以及少量废气( 直接进入二燃室) 能够实现协同焚烧,提高了回转窑的物料适用性。另外,对于回转窑的结焦以及废物燃烧不尽等问题,朱先涛通过在回转窑尾部增设炉排装置,再加上合理的燃烧配风,能够解决燃不尽和回转窑炉内结焦的问题,但同时也增加了系统的复杂性和操作难度; 赵小燕通过对回转窑结构进行优化,将回转窑尾部插入二燃室,并提高窑尾温度等手段,解决了炉内结焦的问题。

限制回转窑焚烧技术使用的主要是飞灰的二次处理问题。回转窑焚烧产生的飞灰占处置危废量的3% ~ 5%,根据国家相关标准,其仍然属于危废,一般采用安全填埋进行处理。但由于可用土地资源越来越少,以及危废填埋场对于选址的诸多限制,安全填埋方式处理焚烧飞灰越来越困难。目前也有多种焚烧飞灰的减量化、无害化以及资源化处置技术,如固化技术、重金属螯合稳定化处理技术、熔融固化处理技术以及制建材或者陶粒的资源化处理技术等,其中固化技术以及重金属螯合稳定化处理技术的应用最广,但这两种技术对焚烧飞灰处理后仍旧需要进行填埋处理,且在环境因素改变的时候有重金属浸出的风险。所以危废的回转窑焚烧处置技术实质上是减量化处置,无害化不够彻底。

回转窑焚烧处置技术规模一般较小,通常为15 ~ 40t /d。投资成本 较 高、建 设 周 期 (2 ~ 3年) 以及产能爬坡期 (1 ~ 2年) 长等特点,也限制了其应用。

2水泥窑协同处置

通过对现有新型干法水泥窑生产线进行改造,增加危废储存、预处理系统以及危废投加点,可以实现危废的水泥窑协同处置。危废经预处理系统后,通过投加点进入水泥回转窑内,窑内温度为1450℃左右,气体在窑内停留时间4s以上,物料停留时间超过30min,气固两相混合均匀,保证危废物质彻底焚烧。水泥窑内呈碱性气氛,可以吸收废弃物焚烧过程中产生的酸性气体。

水泥窑协同处置技术的优势如下:

(1) 无害化彻底。危废的水泥窑协同处置,灰渣直接进入水泥熟料中,重金属元素固化在水泥熟料矿物晶格中,能够实现危险废物的彻底无害化,避免二次处理。水泥熟料出窑后进入篦冷机,数分钟内将熟料由1300 ~ 1400℃骤冷到100℃以下,废气温度为200℃左右,跨过了二噁英的生成区间 (200 ~ 500℃) ,避免了废气中二噁英的再次合成。

(2) 可处置大宗危废。协同处置危险废物的水泥窑应为设计熟料生产规模不小于2 000吨/天的新型干法水泥窑。协同处置时,不同热值与成分的危废掺烧比例,最大不能高于水泥窑熟料生产能力的22%。若按照10%计,则一条2000吨/天的水泥窑生产线可处置危废的量为200吨/天。所以,水泥窑协同处置适用于处置性能稳定的大宗危废。

(3) 建设周期短,产能释放快。危废的水泥窑协同处置系统环评周期大概需要6个月,改造建设周期大概需要8 ~ 10个月,产能爬坡期较短,产能释放速度较快。

水泥窑协同处置技术的劣势体现如下:

(1) 对于危废物料具有严格的要求。禁止协同处置放射性废物,爆炸物及反应性废物,未经拆解的电子废物,含汞的温度计、血压仪、荧光灯管和开关,铬渣,未知特性的不明废物。而实际运行中,水泥窑协同处置对于含硫、氯成分高的危废以及酸性较强的危废都需进行严格的入窑检测及试烧,并在运行过程中严格控制投加比例。

(2) 潜在安全隐患: 危废中所含各种微量或超量元素及再合成物对水泥产品的长期安全性能存在影响,或对水泥生产系统装备造成腐蚀和危害,进而带来安全问题。

3等离子高温熔融处置

危废的等离子高温熔融气化处置技术采用等离子发生装置作为熔融炉的热源,等离子发生装置包括电弧等离子炬 ( 直流非转移电弧等离子炬、直流转移电弧等离子炬、交流电弧等离子炬)、射频等离子炬、微波离子炬等。目前国内只有直流电弧等离子炬技术较成熟、能够连续进行生产。直流电弧等离子炬功率范围在5 ~ 300 kW,温度可达5000 ~ 6000℃,射流速度超过200m /s,工作气体为氮气、空气、氢气等。

危废物料经预处理,通过螺旋进料进入等离子高温熔融炉,炉内为缺氧环境,中心温度1 450 ~ 1 600℃。危废中的有机物在高温熔融炉内分解为小分子可燃气体 (CO、H2、CH4等) ,从炉子上方进入二燃室,无机物被高温熔融转化为一种完全惰性和无毒性、渗透性极低的玻璃类物质。二燃室内的燃烧温度控制在1100℃以上,烟气停留时间大于2s,有害成分在二燃室得到充分的分解和消除。燃烧完全的烟气出二燃室后进入余热锅炉及净化系统。

等离子高温熔融处置技术的优势如下:

(1) 减容率高,无害化彻底。危废的等离子高温熔融处置,炉渣为玻璃化残渣,为惰性物质,渗透性极低,不再属于危险废物,可作为建筑材料产品,减容比高达97%。等离子高温熔融炉内温度高,有机物分解彻底,二噁英几乎被完全消除。

(2) 可处理传统焚烧方式产生的飞灰。飞灰中的有机物如二噁英和呋喃,经过高温几乎被完全降解; 处置后的飞灰体积减少了68. 64 ~ 82. 19%,质量减少了23. 84 ~ 56. 65%; 飞灰中Cu和Ni等重金属熔融沉淀,可回收合金;Hg、Pb和Cd挥发性较强,大部分随烟气排出,循环富集后可回收; 玻璃体熔渣中重金属的浸出毒性远低于国家危险废物鉴别标准,可考虑进一步利用。

(3) 物料适应性广,可处理几乎所有危废种类。等离子高温熔融可以处理核电站的放射性核废料,具有设备体积小、处理速度快和减容比高等优势。而且它还可以处理未经拆解的电子废物,含汞的温度计、血压仪、荧光灯管和开关,铬渣等水泥窑不能进行处理的危废,物料的适用性更广。

等离子高温熔融处置技术的劣势如下:

(1) 运行成本较高。等离子高温熔融危废处置技术以电力作为能源,热效率为70%左右,耗能高; 运行过程中由于等离子炬阴极、阳极需定期更换,配件使用费较高,从而导致运行成本高。

(2) 等离子高温熔融技术对于国内危废处置行业来说是一种新型的技术类型,可借鉴经验少。

4经济性分析

(1) 投资成本

对已建投运的宁波北仑环保以及珠海永盛环保危废回转窑焚烧项目进行分析,1万吨/年回转窑焚烧危废处置系统的总投资成本为5700万元左右。贵港台泥东园环保科技有限公司水泥窑协同处置30万吨/年固体废物项目,项目总投资2. 3亿元,按比例折算,则1万吨/年处置规模的水泥窑协同处置投资成本约为690万元。上海固体废物处置中心的全国首套等离子体气化熔融工业危废处置系统处置规模为1万吨/年,项目总投资约233200万元。

由上述案例可以看出,对于3种危废处置技术的投资成本,回转窑焚烧技术>等离子高温熔融技术>水泥窑协同处置技术。

(2) 运营成本

国内的回转窑危废焚烧处置系统的直接运营成本约1 000元/吨,水泥窑协同危废处置系统的直接运营成本约500元/吨,而等离子高温熔融危废处置系统的直接运营成本约1 800元/吨。运营成本比较: 等离子高温熔融技术>回转窑焚烧技术>水泥窑协同处置技术。

(3) 建设周期危废的回转窑焚烧技术的建设周期为2年左右,水泥窑协同处置技术的建设周期为8 ~ 10个 月,等离子高温熔融处置技术的建设周期为9 ~ 12个月。建设周期比较: 回转窑焚烧技术>等离子高温熔融技术>水泥窑协同处置技术。另外,水泥窑协同处置的环评及审批周期约6个月左右,在三种技术中最短。

(4) 投资回收期国内的危废焚烧处置价格一般在3 500元/t之上。水泥窑协同处置对于大宗危废的处置价格为2 000元/t左右。回转窑焚烧处置飞灰的二次处理价格为3 000元/t左右。计算三种技术的投资回收期如表1。

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由上述可以看出,回转窑焚烧技术的投资回收期最长,约2.37年; 水泥窑协同处置技术的投资回收期最短,约0.46年。等离子高温熔融危废焚烧技术的投资回收期居中,为1.88年。

5结语(1) 回转窑焚烧处置技术成熟,操作简单、运行稳定。但焚烧飞灰仍属于危废,需进行二次处理。所以回转窑焚烧进行危废处置实质是减量化处置。该技术投资成本较高,建设周期较长。

(2) 水泥窑协同处置灰渣直接进入水泥熟料,无害化彻底,适用于处理大宗危废,建设周期短,投资成本低。但对物料要求严格,且对水泥产品生产存在潜在安全隐患。

(3) 等离子高温熔融处置技术二噁英分解完全,灰渣玻璃化后重金属被固化,无害化彻底。该技术可处理危废种类多样,物料适用性广。但其运行成本较高,目前国内商业化案例较少,可借鉴经验少。

(4)3种危废处置技术各有优劣,但都未能实现物料适用性广、无害化彻底、投资运行成本低的目的。预测未来危废无害化焚烧处置将采用多种技术协同处置的方式,如 “回转窑焚烧+等离子高温熔融”协同处置技术,结合回转窑焚烧的减量化处置以及等离子高温熔融的无害化彻底特点,达到装置投资低、处置效果好的目的。

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