摘要:本文介绍了危险废物等离子体基本知识及处理技术分类。对几种等离子体处理方法进行了技术分析,重点分析了危险废物等离子体气化熔融一体炉技术应用存在的主要问题与解决建议,提出了等离子体处理技术的发展思路,供国内同行业参考和交流。
一、等离子体技术概况
1、等离子体技术简介
等离子体是物质存在的一种状态,与固态、液态和气态并列,俗称“第四态”,是由大量相互作用但仍处在非束缚状态下的带电离子组成的宏观体系。
等离子体可使热化学反应过程的热力控制得以相对独立地实现,不再全部受制于废物热化学反应动力学的局限,等离子体技术比传统热化学处理效率更高,同时实现残渣玻璃化处理,因此等离子体处理技术通常被认为是固体废物的终极处理技术,俗称“固废终结者"。
2、等离子体技术应用概况
等离子体处理技术起步于20世纪60年代初期,最初主要用其销毁低放射性废物、化学武器,20世纪90年代才开始步入民用阶段。近30年来随着等离子体处理技术的发展,工业化应用成本逐渐下降,随着全世界对环境保护的高度重视和公众环保意识的不断提高,危险废物等离子体处理技术逐渐成为国内外工程应用研究的热点。
目前,等离子体处理技术发展成熟的国家有美国、英国、法国、日本等。
虽然我国危险废物等离子体处理技术发展起步晚,但2013年上海市30吨/天医疗废物及飞灰等离子体气化熔融项目引入美国西屋公司等离子体炬技术,打破了国内危险废物等离子体处理技术难以大型化的局面,为国内危险废物等离子体处理实现工业化、规模化应用起到了示范作用,加快了国内危险废物等离子体处理的工业化应用进程。据统计,截止目前国内危险废物等离子体处理技术应用案例接近40个,详情见表1。
二、等离子体技术分类
等离子体处理技术按等离子体发生器可分为直流非转移弧型、直流转移弧型、交流弧型三种,直流等离子体发生器应用更为广泛。直流非转移弧通常被称为“等离子炬”。直流转移弧常采用石墨电极作为阴极,通常被称为“石墨电极等离子弧”。
等离子体按热平衡状态可分为热等离子体和冷等离子体。处理危险废物的等离子体是工作在高气压下的等离子体,处于局部热平衡状态,属于热等离子体。
等离子体处理技术按反应原理可分为等离子体热解熔融、等离子体气化熔融、等离子体熔融三种。
等离子体处理技术按反应器类型可分为固定床、回转炉、流化床、喷射炉、熔池熔炼炉等类别,其中固定床应用较为广泛。目前我国危险废物工程技术企业、投资运营企业正独立或联合开发适合我国危险废物政策、治理模式及市场需求的新型等离子体反应器。
等离子体处理技术按工艺流程通常可分为气化熔融一体炉、气化熔融分体炉,目前我国航天六院等单位正开展焚烧炉、热解炉与等离子体炉组合应用的工程实践,以期实现多工艺协同的目的。
三、几种等离子体技术的分析
由前述可知,直流等离子体适用于处理危险废物。石墨电极等离子弧发生器的结构原理决定了其炉体顶部垂直布置的特点,适合无机类废物利用处置,故石墨电极等离子弧的应用具有一定的局限性,因此常用于等密子体熔融玻璃化处理及贵金属回收领域。等离子炬不受炉体结构和工艺过程限制,应用更为广泛。本文以等离子体炬技术作为应用研究对象。
1、等离子体热解熔融技术
我国危险废物等离子体处理技术应用始于等离子热解技术,主要用于特殊废物焚毁,例如中科院力学所分别与四川自贡晨光化工、深圳迈科瑞合作开发的处理化工危险废物、多氯联苯等持久性有机污染物的等离子热解炉。该技术主要利用等离子体高温、高化学反应活性的特性,废物在高温、低反应能级条件下发生快速热裂解,使有毒有害物质彻底分解,实现无害化处理目的。项目采用固定床作为反应器,干燥、热解、还原、氧化等工艺过程无法实现独立控制,处理能力完全依赖等离子炬输出功率,反应器热效率低,热解产物无法定向调控,因此等离子体热解熔融技术能耗高,难以连续高效运行。
2、等离子体气化熔融技术
①一体炉技术。一体炉技术主要是将废物普通气化与等离子体快速气化熔融相结合,而形成的新型高效气化熔融技术,其中以美国西屋等离子体技术为典型代表。美国、日本等西方发达国家危险废物分类工作起步早,危险废物污染环境治理工作采取园区化管理模式,废物来源单一、成分稳定,一体炉技术具有较好的物料适应性和经济性。
我国现阶段采取危险废物集中处置模式,废物收集工作市场化竞争激烈,废物来源广、种类多、成分复杂且波动大。一体炉技术工艺过程中对废物普通气化调控难度大,影响等离子体快速气化熔融过程的实现。
②分体炉技术。分体炉技术主要是将气化、熔融过程在不同反应器同时进行,废物首先经气化炉去除有机有害物质,气化残渣经输送装置进入熔融炉实现无机残渣熔融玻璃化处理,气化炉和熔融炉共用一套尾气净化装置。
由于气化和等离子体熔融过程不在同一反应器内进行,存在热损失大热效率低的特点。其次,熔融过程处理的是气化过程产生的无机残渣,气化工艺过程波动会导致熔融工艺条件、工况和技术参数剧烈振荡,甚至会出现工艺模式改变而引起熔融处理恶化,因此气化和熔融工艺过程难以稳定控制,直接表现在炉体负压控制。第三,在目前国内有机类危险废物集中处理模式下,现有传统气化技术的物料普适性和工艺弹性差。因此,分体炉技术在处理效率和处理效果上表现不佳。
3、等离子体熔融技术
等离子体熔融技术适合无机类危险废物熔融玻璃化、资源化再利用,石墨电极等离子弧的热转换效率高于等离子炬,石墨电极等离子弧反应器结构简单,石墨电极可在线自动续接,石墨采购成本低,因此石黑电极等离子体熔融技术用于稀贵金属回收、飞灰制岩棉等方向,具有商业化应用空间。
4、多工艺协同等离子体技术
多工艺协同等离子体技术主要是指回转窑焚烧技术、热解气化技术、等离子体气化熔融一体炉技术、等离子体熔融技术之间的技术组合,充分利用不同技术的经济技术优势,根据废物的不同来源、种类及特性,选择合理的处置方法,实现不同种类危险废物的分质利用处置,实现环境效益和经济效益最大化。
多工艺协同等离子体技术是不同热化学处理技术的组合体,非多种热化学处理炉串并联应用。
四、一体炉技术的主要问题及解决办法
等离子体热解熔融技术、分体炉技术存在应用缺陷,除早期已实施的工程案例外,已无新的工程案例。
等离子体气化熔融一体炉技术在物料普适性、热效率、处理效率、环境效益等方面存在明显的优势,国外已有多个商业化运营案例,因此成为国内外应用研究的重点。国内已实施多个一体炉工程项目,商业运营也存在缺陷与不足。
1、主要问题
①运行效率低。国内已经投入运行的一体炉装置出现运行负荷低,异常停炉次数多,有效运行时间短,难以达到设计产能等问题。但这与分体炉装置运行效率低,存在技术本质的不同。
一体炉原则上要求废物普通气化反应与等离子快速气化反应在同一个反应器内高效进行。这对废物干燥、热解、气化、等离子体气化熔融反应过程的工艺及热力学输入条件、热力学独立控制、技术参数要求十分严苛。国内工程应用过程中,装置技术缺陷工艺模式、运行操作均会导致一体炉偏等离子体气化快速反应运转工况达不到工艺设计目的及预期效果,出现工艺过程紊乱、技术指标及工艺参数恶化,从而引起运行成本上升,设备故障频发。
②污染物控制难。国内一体炉工程项目运行过程中常出现污染物排放超标,其一体炉配套的烟气净化装置尚存在设备选型与前后系统集成的缺陷。
③玻璃体高值化应用不畅。目前一体炉工程应用案例大多停留在危险废物处置应用层面,产生的玻璃体进入一般固体废物填埋场或作为路基材料进行直接利用,玻璃体价值未得到体现,尚需配套健全的后续高值化利用装置。
④规模化应用匮乏。目前国内已投运的一体炉最大处理能力达70吨/天,相对于焚烧、协同处置、资源化再利用而言,尚处于中小型应用阶段,对于一体炉成套技术装备水平的提升是不利的,会延缓工程应用技术集成的发展进程,会影响一体炉技术的工程应用推广和工程经验的完善。
2、解决办法
①优化技术工艺。国内危险废物分类差,废物来源、种类、成分及特性变化波动大,结合国内有机类废物来源的复杂性变化规律及物料气化特性,研发适合国内市场需求和废物特征的一体炉。需重点加强一体炉反应器技术选型及结构优化设计,消除普通气化对等离子体快速气化熔融的制约:借鉴行业内成熟的烟气净化技术和工程经验,对一体炉成套装备涉及的配套系统和设备进行融合创新。
②开展高值化联合应用。一体炉工程技术企业应联合岩棉制造等企业,进行玻璃体高值化工程应用研发,打通危险废物等离子体气化熔融技术到玻璃体产品的技术工艺链,做好两种技术的有机衔接,缩短工艺流程,降低运行成本,增强一体炉技术的附加值。
③大型化创新。一体炉工程技术企业应对现有处理能力的核心设备进行放大,走大型化创新之路,从而解决小型化一体炉设备存在的重难点问题,进一步降低一体炉投资和运行成本,发挥等离子体气化熔融一体炉的技术先进性优势。
五、总结
我国等离子体处理技术起步晚,但近五年来等离子体处理技术工程应用进入快速发展期,大量等离子体项目上马建设,不同应用场景的等离子体装置正开展商业化运营探索和总结。
①针对废线路板、三元催化剂,等离子体熔融装备具有更高的贵金属回收效率。
②针对飞灰等大宗、单一危险废物,需优化石墨电极等离子体熔融技术装备,增强装备的技术经济性和可靠稳定性,将玻璃体高值化利用与等离子熔融技术进行有机耦合,才能使飞灰等离子体熔融技术全面推广。
③针对有机类危险废物集中处置需求,需做精做细、优化创新等离子体气化熔融一体炉技术,提高运行可靠性,实施废转能,降低投资运营成本,使一体炉技术成为传统危险废物焚烧、填埋的有益补充,实现部分替代作用,方能在综合集中处置领域得以快速发展。
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