固体废物等离子体气化熔融实验分析

固体废物等离子体气化熔融实验分析

李宁建

南京创能电力科技开发有限公司 南京 211100

摘 要：采用等离子体气化熔融技术对固体废物特别是危险废物进行玻璃化安全处置，是一种实现固体废物物特别是危险废物无害化，减量化和减容处理的有效方法。通过在处置能力为3t/d的等离子体熔融炉进行的两个阶段试验，初步收集整理工艺参数，为10000t/a等离子体气化熔融炉设计定型，提供理论和数据依据。

关键词：等离子体气化熔融技术；等离子体熔融炉；等离子炬；玻璃体

使用等离子气化熔融炉处理危废时，除能使危废中的有机物质在部份氧化条件下充份气化和彻底摧毁反应中产生的二噁英及呋喃等有毒成份外，还能使危废中的无机物质在炉底部被熔融，成为以液态排出的炉渣，激冷后形成无害的玻璃体材料，可安全用于建材。这是因为熔融炉渣形成的玻璃体材料已牢牢包裹住残存的重金属等有害物质，可满足严格的浸出毒性检测鉴别和被证明不属危废。因此，用等离子气化熔融炉处理危废，是可以使处理未端得到“最终解决”和基本实现“零填埋”的，可以防止“二次污染”。同时，这项居于前沿的技术措施，不仅有其他方式不能企及的环保效果外，也有很强的经济竞争性。

等离子技术为南京创能电力科技开发有限公司核心知识产权，目前公司等离子技术已在电力行业节能环保工程中得到广泛应用，为公司主营业务，实现产值超亿元。等离子技术在电力行业应用过程中积累了丰富的运行经验，并进一步优化升级，形成核心知识产权保护。公司在危废处理方面核心技术为等离子体气化熔融技术，电力行业节能环保工程的技术应用经验既用至危废处理领域。

2017年南京创能电力科技开发有限公司在如东县洋口化学工业园成立南通远创环境服务有限公司。南通远创公司本着贯彻国家有关方针和促进园区可持续发展的目的，并充分发挥自身所拥有的先进的等离子体应用技术的优势，而积极策划和推进建设等离子体危险废物集中无害化处置中心项目。

通过在公司搭建如东项目1:5的等离子体气化熔融炉实验台，收集和整理相关数据，为如东项目设计定型，提供有效的技术支撑，从而确保整个项目顺利实施。

等离子体处理危险废物是近年来固体废物处理行业新兴的一项技术，是一种高温气化熔融技术，等离子炬不但具备能产生高强度热源的优势，同时等离子体是一种高度电离或者充电气体。由于其高温和高热密度，等离子技术几乎能将碳基废物中的所有有机物完全转化成合成气（主要为CO和H2），而无机物则熔融可变成玻璃体渣。其主要目的是采用等离子体特有的高温效果，对危险废物实现无害化、资源化和减容处理。其具有高温高能、高转化率、相应速度快、可控性强和生成物稳定等特点。

1 等离子体气化熔融危废处理工艺

1.1 系统组成

等离子体气化熔融危废处理系统由7个子系统组成：

1)进料系统：包括固体废弃物和辅料进料,系统包括进料提升机、破碎机、混合器、柱塞泵、辅料料仓、进料液压推杆系统、进料螺旋等；

2)等离子体气化熔融系统：气化危险废物中的有机成分，熔融无机成分，实现废物的彻底处理。包括等离子体气化熔融炉、氧化风/PSA系统、冷却风系统、烟道系统等；等离子体炬系统由等离子体炬、电控电源、点火器、纯净压缩空气、去离子水冷却系统和RO水系统等设备组成；

3)余热回收系统：由余热锅炉、锅炉水制备系统、吹灰器管道系统等设备组成;

4)尾气处理系统：由急冷半干吸收塔系统、活性炭反应器、布袋除尘器、洗涤塔和主引风机等系统组成；

5)电控系统：由HMI系统、MCC控制系统、仪器仪表和电缆及配件等设备组成；

6)辅助系统：由辅助燃烧系统、二燃室、烟囱、出渣系统、钢架平台/楼梯、系统冷却循环水系统和紧急电源系统等设备组成；

7)耐火材料系统：包括等离子体反应炉体、等离子体反应炉底、二燃室和高温烟道。

1.2 工艺流程

危险废物专用运输车辆进入场区，按《危险废物转移联单管理办法》的规定进行快速检测、验收、计量后，再根据废物性质分别送到危废暂存库或者废液罐区接收、暂存。达到一定负荷后，经预处理、配伍后通过进料系统送入等离子体气化熔融炉进行处置，危险废物有机组分在等离子体炉内气化转化成烯烃、烷烃等可燃气体，无机组分在等离子炉内熔融形成熔渣。可燃气体经二燃室燃烧充分燃烧后，烟气通过余热锅炉降温至600℃后，再通过烟气净化系统作净化处理后，最终经由60m高的集束式烟囱排放到大气中。熔渣经水淬后冷却得到玻璃体渣。

其工艺流程示意图见下图：

图1 等离子体处置工艺流程示意图

2 等离子体熔融厂内实验

2.1 实验试验装置

本次试验主要实验装置为等离子火炬及等离子气化熔融实验炉，以及相关的水、电、气等辅助系统。

等离子炬采用公司现有的CNPIS-200型。输出功率范围：120~200KW/h。

等离子体气化熔融实验炉，根据如东县洋口化工园危废处理项目设计炉1:5同比例缩小，本次实验主要验证熔融炉熔池及等离子炬安装段工作情况，上部炉膛及炉膛出口做了简化设计。

本次试验炉，采用两段式，下段为熔池和等离子炬工作段，上段为烟气出口通道。下段内层采用刚玉可塑料预制，可耐温1400℃，外壳采用钢板卷制，外壳和内胆之间填充耐火轻质浇注料。上段采用钢壳加耐火轻质浇注料制作。

下段底部区域主要设排渣口、低位排渣口、高位排渣口各1个以及高压补风口（通压缩空气或瓶装氧）4个；下段中部设空气进口3个；下段上部设等离子炬安装孔一个。上段设空气进口3个，观察孔1个。炉底及炉壁设温度测点8个（4用4备）

图2 等离子体气化熔融实验炉示意图

2.2 第一阶段实验过程及总结

本次实验从2019年5月14日下午开始，到2019年5月20日结束。前期用了3天进行低温烘炉，确保耐火浇注料中的水分被去除，保证耐火浇注料使用效果。期间，还投运等离子炬，确保实验系统可以稳定运行。5月17号进行了第一次带料实验，5月18号进行了第二次带料实验，主要内容如下：

2.2.1 第一次带料实验

烘炉是从5月17日下午两点开始的，首先在炉底铺放木头和淋一些柴油，加入15KG焦炭，用液化气枪点火，着火迅速，焦炭很快被引燃。炉膛温度在一小时内上升到450℃，后增加10公斤焦炭。一个半小时候温度持续升高到830℃， 投等离子炬，温度迅速上升，炉内温度达到1050℃，壁温达到1000度，投加玻璃5KG，焦炭2.5KG，玻璃融化良好，间隔5分钟，又在14：40，14：45，14：50分别加入玻璃5KG。玻璃融化情况良好，炉膛温度及壁温持续升高，到1150℃；在15：00加入玻璃10KG，炉温超过1200℃；15：15加入玻璃10KG，炉温超过1300℃；玻璃融化良好，但是排渣口处又从新凝结，无法顺利排出。停止炉内供风让系统自然冷却。

5月18日下午，拆除等离子炉上段及等离子炬，观察炉膛内情况，凝固体厚度200mm。顺着出料口一侧，用电锤清理出一小块区域，清理出炉渣10公斤。能通过断面观察到玻璃及焦炭板结在一起，焦炭在主要在上部，玻璃穿过焦炭渗透到炉底。

2.2.2 第二次投加物料试验

5月19在17日实验后的炉内直接进行实验，凝固体厚度200mm。10：30启动等离子，到11:30炉内温度超过1000℃，投加10KG玻璃，11：45再加10KG玻璃。炉内温度持续上升，最终稳定在1200℃以上，12:30开始陆续分批投加炉渣10公斤，玻璃20公斤，到14:00熔融玻璃深度达到300mm，继续维持等离子炬运行半小时，用金属棒从炉膛上部插入，能判断出熔融情况良好，打开出渣口，熔融物流动很短的距离就凝固了。尝试多种办法后熔融物仍然不能通过排孔排出，15：10停等离子炬，本阶段实验结束。

2.2.3 第一阶段实验结果分析

1）等离子炬熔融纯无机物的能力得到了验证，达到设计预期。消耗1KW电，可以熔融1KG废玻璃。

2）原设计炉底距离等离子火炬距离较远，热量不能很好的向下传递，热量都往上传，热损失比较大。

3）炉底蓄热能力差，熔融的玻璃在排渣口内就凝固了，排渣口由于温度低，无法排渣。

2.3 试验装置整改

整改方案：

试验台在5月份进行了两次试验，等离子炬对于纯无机物的熔融能力也得到了确认，物料熔融情况也达到了设计预期。但是没有成功将熔融物排出等离子炉，之前排渣的口设计以及熔融炉的设计，还有一些问题，从而提出了，以下几条整改意见：

1）缩短等离子矩和炉底之间的距离，减小炉膛深度，用刚玉浇筑料填充，填充深度200mm。同时埋入电阻丝，可以起到加热保温的作用。

2）在等离子矩对侧炉底开孔，从新布置排渣口，排渣处预埋一段DN50的不锈钢管，倾斜角度20°，管道两侧预留安装硅碳棒通道，为防止硅碳棒损坏，熔融实验开始前再进行安装。

3）试验炉上段从新设计，增加炉拱、进料口、温度测口等。上段开一个DN100孔和一个20个DN50孔，流通面积约是原炉膛流通截面积的25，流通截面积减少，可以减缓熔池部分热量的散失，炉拱底面可将一部分热量反射回熔池区域，提高了容积热负荷，提升了熔融能力。炉拱本身以可以蓄积一部分热量，降低了烟气带走的热量损失，起到很好的保温和节能效果。

图3 实验炉示意图

2.4 第二阶段投加物料实验

由于其他项目的开展以及人员的原因，本来在8月就具备了试验条件，但试验一直等到9月3号才得以进行，一共进行了两天。本次试验仍然是要先烘炉，然后才是投等离子矩及辅料，查看物料熔融情况的实验。

2.4.1 试验炉烘炉：

烘炉是从9月3日下午一点半开始的，给电阻丝通220V交流电，电流34A，到下午17点，电阻丝附近热电偶温度逐步从室温升到400℃，炉膛其他测点温度升到150-220℃；17点30投运等离子矩，确保等离子炬系统工作正常，5分钟后停等离子炬，到晚上20：00切断电阻式供电，闷炉。

9月4日早晨8点上班后，查看发现炉温各点温度在130℃左右，给电阻丝送电，发现电阻丝已断路。点燃液化气枪保持炉膛内温度，同时安装排口两侧硅碳棒，准备进行投料试验。

2.4.2 投加物料试验：

9月4日，早上10点炉内温度约250℃左右。

10：05停液化气枪，启动等离子矩。各点温度逐步上升。

10：30，炉膛内最高点温度已接近600℃，检查发现等离子矩和炉壁之间漏热烟气，区域温度达到400℃，停等离子矩。在缝隙间塞入玻璃纤维棉，有效的进行了密封。

11：15，再次启动等离子矩，此时炉内温度约300℃，温度持续升高。

12：00，最高点壁温达到950度，通过加料口投加玻璃渣10KG，玻璃逐渐融化；

12：15，炉内最高点温度显示为1020℃，炉拱下温度达到820℃。从排渣口观察，之前加入的玻璃已经融化；

12：25，再次投加玻璃渣，从进料口加入13公斤，从炉拱上加入7公斤，炉内最高点温度1064℃，炉膛区域920℃，炉拱下部温度872℃。

12：40，炉内最高点温度1192℃，炉膛区域994℃，炉拱下部温度1012℃，炉拱上加入的玻璃已完全融化，流进炉内。

12：58，炉内最高点温度1297℃，炉膛区域1151℃，炉拱下部温度1160℃，炉拱上加碎玻璃7KG。

13：04，炉内最高点温度1327℃，炉膛区域1194℃，炉拱下部温度1172℃，炉拱上碎玻璃逐步融化。

13：09，炉内最高点温度1342℃，炉膛区域1220℃，炉拱下部温度1196℃，炉拱上碎玻璃完全融化，流入炉内，硅碳棒通电。

13：17，炉内最高点温度1362℃，炉膛区域1244℃，炉拱下部温度1220℃。检查排渣管情况，通过硅碳棒加热，不锈钢管道变红，玻璃熔浆逐步向外流淌，过了烧红的部分，又开始凝固，用细钢管可以插入，但是没法流出，将整个排渣管抽出，玻璃熔浆顺利流出试验炉。

13：33，炉内最高点温度1417℃，炉膛区域1297℃，炉拱下部温度1330℃，排渣持续。

13：43，炉内最高点温度1425℃，炉膛区域1313℃，炉拱下部温度1366℃，由于液位下降，排渣已非常缓慢，停等离子矩，1分钟后再次启动，排渣基本停止。

13：49，炉内最高点温度1429℃，炉膛区域1322℃，炉拱下部温度1377℃，排渣停止，停等离子矩。

14：30，将等离子矩拆下，检查表面有氧化，其他情况正常，炉内温度降到1000℃，炉内玻璃浆基本排除，排口上部已露出，本次试验结束。

图4 熔融炉排渣照片 图5 熔融炉炉拱热态照片

2.4.3 实验过程及结果分析

1）通过硅碳棒加热，玻璃熔浆排除试验炉，说明之前的改造方向正确，但是在硅碳棒的设置和安装上，还要合理设计，虽然预留安装通道，但是感觉施工的质量不高，没能完全分隔开，所以一排渣，硅碳棒出现短路损坏的情况，其连接电缆也被熔浆烧坏。

2）炉拱上面的物料可以很好的融化并进入炉膛区域，炉拱也可以蓄积一部分热量；通过设置炉拱，炉膛最高温度比前几次试验略有提升超过了1400℃，拱上和拱下还是有60°以上的温差，起到了一定隔绝热烟气和向下辐射热量的作用，炉膛熔融能力加强。

3）炉底电阻丝损坏，在实验中没验证出使用效果，再预埋的时候，还要考虑保护方式。

4）玻璃熔浆虽然顺利排除，但是感觉里面气泡较多，致密度不够，分析可能是在炉内停留时间不够，没有澄清，玻璃液化状况还要提高。

5）排口设置在炉底最低位，炉底面向排口倾斜，排渣是从熔浆底部开始，本次试验排出物料约25KG，占到了加入的三分之二。由于排口位置较低，排渣完成后，整个通道全被堵住。通过高温也没将熔浆进一步液化排除。

3 结论

采用等离子体气化熔融技术对固体废物进行玻璃化安全处置，是一种切实可行的处置方案，可实现固体废物的资源化、无害化和减容化。通过在厂内进行的两个阶段中试试验和研究，可以得出以下结论：

1）通过缩小比例的熔融试验炉，可以确定本公司生产的等离子炬熔融无机物的能力可以达到理论数据，消耗1KW电可熔融1KG无机物。在第二阶段实验中，由于增加了炉拱，强化了炉膛容积热负荷，提高了炉膛区域温度，消耗0.8KW电就可熔融1KG无机物。

2）出渣通道安装硅碳棒进行加热，有利于熔融物排出炉体，但是安装方式和开孔位置还要进一步优化。

3）本次实验，主要为验证系统的熔融特性，没有做气化方面的实验。可以预见的是，最终设计的炉体，由于保温和蓄热效果更好，熔融效果会更好；同时多只等离子炬的切向投入，可以加强炉内扰动，带动熔融物在炉内流动，提高澄清效果。

参考文献：

[1] 全国产品回收利用基础与管理标准化技术委员会，固体废物玻璃化处理产物技术要求（征求意见稿）[S]，2020年3月.

[2] 胡建杭，王华，张效宁等，城市生活垃圾在直接气化熔融焚烧炉中的焚烧实验分析[J]，《中国稀土学报》， 第24卷.

[3] 林奇峰，等离子体“熔融气化炉”处置危险废物的工艺浅谈及市场展望，《中国化工贸易》，2018年1月.