等离子体炉处理危险废物工艺及工程应用

程元舒

摘要：等离子体炉处置危废技术是目前在处理危险废物的主要方式之一，具有高效分解污染物、利用玻璃态产物固化有害物质，并实现资源利用等特性。同时该技术又具有耗能高、成本高的特性，国内又缺少相关的标准和技术规定。随着等离子炉处理工艺应用水平的提高，国内行业政策的推进与完善，等离子体炉处置危废技术的应用前景较广泛，在处理危险废物的同时，实现资源化利用与自然环境的可持续发展。本文就不同的危险废物处理工艺展开分析，并阐述了等离子炉处理危废工艺的类型与应用，同时分析了该工艺技术存在的不足。

关键词：等离子体炉  危险废物  工程应用

随着十四五计划的不断推进，我国工业化水平的不断提高，我国的固体废弃物产生量不断增加，严重威胁到环境和资源的可持续发展。根据生态环境部公布的《2020年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》，截至2019年底，全国危险废物（含医疗废物）收集和利用处置能力达到12896万吨/年，2019年度实际收集和利用处置量为3558万吨，其中，利用危险废物2468万吨;采用填理方式处置危险废物213万吨，采用焚烧方式处置危险废物247万吨，采用水泥窑协同方式处置危险废物179万吨，采用其他方式处置危险废物252万吨：处置医疗废物118万吨。

1.危险废物的处置工艺

1.1 回转窑处置工艺

采用回转窑焚烧处理工艺是处理危废的主要方式，也是应用最广泛的技术之一。回转窑内的焚烧温度为 850 ～ 1200℃。危险废弃物通过回转窑内的高温燃烧与分解后，烟气进入二燃室再次燃烧分解。高温烟气通过余热锅炉实现能源的利用。该技术的处理规模大，危废减量化效果明显，然而废物中的重金属、多氯联苯类物质，则聚集在飞灰当中，目前处理灰渣的主要方式为经稳定化固化处理后送至安全填埋场;而安全填埋场存在选址困难的问题以及污染地下水的风险。同时，烟气中二恶英、呋喃等有害物质含量超标，增加了烟气处理的成本，并存在空气污染的风险。

1.2 水泥窑协同处置工艺

采用水泥窑协同处置危废工艺首先在预处理阶段脱去危废中的碱氯成分，可对飞灰及危废等多种固废进行协同处置，对物料的热值要求较低。该处理技术的焚烧温度可达到1450℃，可有效去除烟气中的二噁英物质。

1.3 等离子体处置危废工艺

采用等离子体处理危废工艺是一种较为有效处置危险废物的方式。等离子气化炉中的等离子炬采用电能产生等离子体。等离子体是一种高温气体射流，危废物料在4000-7000℃以上的等离子体高强度热源加热下被打碎为原子物质，使其中的有害物质失活，转化无害物质，减量化和无害化效果显著。在高温条件下，二噁英等有害物质得到分解，处理产生的废气以混合可燃性气体为主要成分，可经过进一步处理，分离或生产其他高价值化工产品。

等离子气化熔融处理工艺原理上是物料分解和重组的过程。在等离子气化熔融处理中，经处理的危废炉渣，为惰性无浸出毒性的玻璃体状，可用于路基或建材，具有良好的资源化效应。

等离子炉的物料适应范围较广，对危废的入炉热值要求较低（大于2000kcal）目前该技术已经进入到广泛应用阶段。

2.等离子体处置危废工艺类型

等离子炬根据放电方式的不同，可分为交流等离子炬、直流等离子炬、微波等离子炬以及射频等离子炬。其中直流等离子炬被广泛应用于处理危险废物。直流等离子体炬分为转移弧等离子体炬和非转移弧等离子体炬。转移弧等离子体炬处理的废物具有较好的导电性，可作为阳极，通过阴极与阳极之间的距离调节功率;非转移弧等离子体炬的两极仅产生等离子体与被处理物发生作用。

等离子体处置危废的工艺包括等离子体热解、等离子体气化和等离子体熔融三种方式。等离子体热解是在无氧条件下，有机废物在高温下热解为小分子有机物;热解用的载气一般为惰性气体。等离子体气化是在有氧条件下，有机废物发生部分氧化并生成H2和CO等可燃气体;气化用的载气一般为氧化性气体（空气、氧气或水蒸气等）。等离子体熔融是无机废物在高温下熔融为玻璃态物质，从而固化废物中的有害物质。

通过以上方式，可将被处理物中大部分的有机物质气化或裂解为可燃气体，大部分无机物熔融为稳定的玻璃态物质。

3.等离子体处置危废工艺的工程应用

等离子体处置危废工艺，包含了进料系统、等离子气化熔融系统、等离子体炬系统、余热回收系统、尾气处理系统、辅助系统等。其中物料的预处理和进料系统、等离子体气化熔融、余热回收以及烟气净化排放是等离子体处置危废工艺的重要环节。

3.1等离子体炉

等离子体炉系统是等离子体处置危废工艺的核心系统。为节约废物处理成本，提高处置效率，进入等离子体炉的物料需要经过破碎、干化和配伍等预处理步骤。固废或废液经过不同的进料系统进入等离子体炉，经过高温等离子气体的预热、气化和燃烬，废料中的有机物充分裂解为小分子可燃合成气体。通过氧化风进口阀门的控制，可实现对炉内氧气含量的控制，进而控制合成气体的产生。废料从进料口至等离子体炉烟气出口至少停留2秒以上，高温工况（大于1200℃）不仅使废料彻底气化裂解和熔融，也避开了二恶英产生的工况区。废料中的无机物在高温和氧化性气氛下形成熔浆，经炉底出浆通道引出，并在水淬工艺下，形成固化的玻化渣。

在等离子体炉中需要添加焦炭、石灰石或玻璃渣等作为床层，可保证熔浆的流动性及有效分离，并提供硅以提供玻化渣的质量。炉内采用预热空气，以提高系统的热效率。 在气化熔融过程中，需要采用离子水对等离子体炬进行冷却保护;另外等离子体炉内需要提供辅助风以提高等离子体热能的均匀转化。

3.2 二燃室

等离子体炉气化产生的可燃性合成气在二燃室内进一步燃烧分解为 CO2、H2O 及 SO2、NOx 等气体。二燃室设置有点火装置，使用天然氣或轻柴油作为燃料。燃烧温度在1100℃以上，烟气在二燃室内至少停留2秒钟，可有效的分解和消除气体中的有毒成分。二燃室焚烧后的灰渣经炉底出渣装置冷却排出，可返回至进料系统进入等离子体炉中熔融。

3.3 余热锅炉

二燃室出口高温烟气其后的余热锅炉回收烟气热量。余热锅炉配套自动给水软化系统，软化水的水质应满足《工业锅炉水质》的要求。产生蒸汽可用于进料系统的蒸汽干化、蒸汽灭火，或厂区的污水处理等。实现余热的回收利用。余热锅炉内的粉尘可返回至等离子体气化炉熔融处理。

3.4 烟气净化系统

烟气净化工艺可采用“烟气脱硝+旋风除尘+急冷净化+干式除尘+湿法脱酸+湿式电除尘+活性炭吸附”的烟气净化工艺。 经过以上工艺，确保烟气排放可达标至欧盟2010标准。满足现行国内烟气排放标准的要求。

3.5 存在的不足

目前的工程实际应用中，出于运行安全性和经济性的原因，进入等离子体炉的物料需要进行配伍，配伍的物料是有选择性的，且相互之间不能有反应性，并且需要满足一定的入炉热值要求。二燃室和余热锅炉底部收集的飞灰由于质量较轻，返回至炉内配伍和熔融的难度较大。

等离子体炉熔融反应产生的玻璃体需鉴定达到无害化要求，才可按一般固废处置。完成鉴定仍需以危险废物标准进行管理。因此厂区内需要规划存储玻璃体渣的用地，并按照危险废物储存设计。同时高温熔融产生物质的综合利用在国内现阶段尚无据可依，国内还未制定针对相关的废物资源化利用的标准规范。

等离子体炉处理危废技术比传统的焚烧工艺建设成本和运行成本高。电耗占用运行费用的40%以上。处理的废料热值越低，处理成本越高。另外，等离子体炬的维修和更换也提高了系统的运行成本。

4.结语

等离子炉处理危废是一种高效的、低污染、适用范围广泛的技术。不仅利用高密度的能量有效分解有机污染物，同时可以将无机物中的有害物质以玻璃体的形式固化，达到了无害化和减量化的处置效果。随着国产化设备和技术的不断发展和优化，国内环保政策和法规的出台和完善，等离子处理危废技术具有更加经济实用的应用前景。

参考文献

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