专题
低能耗等离子体焚烧技术处理
工业污泥的研究
文 / 伉沛宇 （中国市政工程华北设计研究总院 天津 300074）
随着我国经济的迅速发展，工业生产技术水平的不断提高，工业危险废物的产量急速增大，不仅种类繁多、性质复杂，且产生源数量分布广泛。因此，深入研究危险废物的处理工艺至关重要。焚烧作为一种危险废物的处置方法，适用于不能再循环回收或安全填埋的废物。但传统焚烧工艺需要消耗大量能源且指标控制不稳定，监控困难，同时会对环境产生二次污染。等离子体焚烧工艺较传统窑式焚烧工艺在对能源的消耗和对废物的处置方式上产生了质的飞跃。
工业污泥根据其来源不同，有非常大的差异。这些差异主要表现在其粘度、吸湿性、污染物性质、含油率、含水率、有机质比例、无机物比例等多方面。
相对于市政污泥来说，其粘度大、含油率高、无机物比例高，有时使得其处理难度更高。
来自化学、制药工业的污泥因其高浓度的污染成份，必须妥善处置。来自石油、冶金、制革、发酵、食品、屠宰等行业的污泥均可以分别处理并资源化。
本文针对等离子体焚烧工艺的基本原理、流程、设备选型及未来发展方向，以工业污泥的焚
烧处置方式为例进行探讨。
1、传统窑式焚烧工艺
工业生产产生大量的危险废物中污泥废物占据很大比例。目前，我国在工业污泥的处理方式上大多采用窑式焚烧工艺。窑式焚烧主要采用传统的气、油燃烧方式，该种方法对进入焚烧炉的废物的热值要求很高。要使废物维持燃烧，炉内废物自身释放的热量必须满足两个要求：(1)提供加热废物达到燃烧温度所需要的热量。(2)发生燃烧所必需的活化能。如果不可以满足上述要求，就要添加辅助燃料才能维持燃烧。由此可以看出，这种窑式焚烧工艺在对污泥的处置过程中会造成能源大量消耗。
为了保证焚烧全过程废物能量的充分释放，在对工业污泥进行窑式焚烧之前需进行干化处理。即在250℃左右先令污泥脱水（干化处理），再升高温度令其燃烧分解。理论上要求此时炉内温度达到900℃—1100℃，但在实际运行中，这种气、油燃烧方法的窑式焚烧炉的炉内温度常常低于900℃，数据表明，大多焚烧炉实际运行温度仅为700℃以下。这样，焚烧废物可能生成毒性更强的新物质，例如二噁
英。世界卫生组织（WHO）于1997年已将二噁英确定为一级致癌化合物。这种物质在700℃—800℃以下是不会被完全分解的。事实表明，在许多燃烧过程中均产生二噁英和呋喃等致癌物质。工业污泥的传统窑式焚烧方式是向环境中排放二噁英类物质最大污染源之一。因此，这种焚烧工艺产生的烟气需要进行复杂的烟气净化来减小排放物对环境的二次污染。
2、等离子体焚烧工艺
等离子体技术处理危险废物是一种新型环保技术，主要用于工业污水固粒饱水污泥、焚烧炉产生的飞灰及炉渣、工业危险废弃物等危险废物的处理工作。
(1) 等离子技术基本原理等离子体是与固态、液态和气态并列的第四种物质存在状态，它可以存在的参数范围相当宽广（其密度、温度以及磁场强度都可以跨越十几个数量级）。当一股强电流通过惰性气体（例如氮气）产生电离，即可形成等离子体。如果等离子体的形态和性质受到外加电磁场的强烈影响，就会发生强烈的粒子集体运动。此时能量发生瞬时集中，产生极高的电热效率（85%—
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95%），等离子体温度即时升高上千度。这种极高的温度可完全分解有毒物质中存在的有机物或无机物分子，同时完全分解了焚烧过程中可能形成的二氧化物类物质。整个过程在瞬间即可完成，产生的高温可以还原一切难以还原和难熔性的物质。等离子体弧心温度可达7000℃，而反应器工作温度可在3000℃内调整。
(2) 等离子体处理工业污泥技术试验
分析全国各危险废物处置中心的工业污泥处理技术和能源化研究现状，采用荷兰PANalytical公司Magix（PW2403）X射线荧光光谱仪测定了广西省和海南省主要城市取样工业污泥的组成和热值（试验用脱水污泥含水量74.3%，污泥干基固体挥发份含量62.9%），测试结果示于表1。
利用等离子体产生的瞬时高温突跃，进行了电弧等离子体技术的高温T-jump特性作用于工业污泥的处理试验。在数千度的高温下引起快速反应，使工业污泥中有机物质发生高温下物理化学变化，如挥发、裂解、氧化、聚合等。反应后的固体残渣表面明显碳化或呈现玻璃态，含水率与挥发成份含量明显下降，性质状态非常稳定。其中受到电弧直接作用的污泥反应后显熔融态，分解彻底。得到了类似水煤气的气
表1
成分含量%成分含量%
CuO12.4ZnO0.069
SO26.8TiO20.48
CaO14K200.77
Fe2O37.3SrO0.061
体产物（主要成分CO和CH4气体）。这种物质可以直接点燃，火焰温度高达750℃—850℃。至此，初步完成了高温突跃T-jump处理工业危险废物活性污泥的可能性的实验。
此外，在美国进行的测试已表明，经等离子体处理后的工业污泥可以完全分解，二噁英等致癌类再生物质实现零排放。
(3) 等离子体焚烧技术处理工业污泥工艺流程
工业污泥成分是复杂的混和物，其成分、水分均随时间、随地点、随产生源种类的不同发生变化，组分各不相同。与生活污泥、污水、生活垃圾相比，其处理难度更高。
等离子体焚烧工艺可以将成分复杂的固体废物和工业污泥在瞬间高压高温电弧的作用下完全分解。整个处理工艺过程包括：
①原料的破碎和捶压。当原料为固体工业危险废物时，首先要经过磨轮破碎设备，将要处理的原料破碎至粒径符合要求的颗粒。在破碎过程中加入配置水。经过磨轮破碎后的原料成干泥状物（含水率≤85%），才进入锤式倒压设备。如果需要处理的原料为工业污泥，则原料可不经过磨轮破碎设备，直接进入锤式倒压设备。经过该设备后的污泥成干饼状（含水率≤61.5% ）。
SiO213MnO0.082
MgO0.1Cl0.62
Na2O2.8P2O51.56
Al2O30.8PbO0.027
②原料的焚烧处置。经过破碎和倒压装置的原料，经石墨高聚物内衬管道送入等离子体焚烧设备—等离子体焚烧炉。该焚烧炉与等离子体发生器相连。当原料进入焚烧炉后，实时监控设备收到处理信号，在中控室的传输显示屏上出现启动提示。如果炉内原料量达到可处理参数要求时（主要是炉内需处理废物体积达到焚烧炉容积的85%即自动停止进料），操作屏会自动显示可以进行处理提示。选择进行处理命令后，等离子体发生器会先启动，高压直流电弧会通过工作气体—氮气形成等离子体，这时电磁发生装置会产生瞬时强磁场，磁场作用于等离子体，产生3000℃—7000℃的瞬时高温。此时等离子体焚烧炉开始工作，炉膛内工作温度≥1200℃，同时在炉内产生负压，防止危险废物发生泄漏。在该温度下，有毒有害物质和各类病毒全部分解，非挥发性物质发生碳化或呈稳定的玻璃态，产生的蒸气和可燃性气体被回收。不会产生致癌物（目前WHO确认的致癌物质在900℃都会被完全分解，如二噁英、呋喃等）。
③气体处置装置。工业污泥中含有大量金属元素（如电镀污泥等），经等离子体焚烧炉处理后的废物全部分解，在高温下产生金属蒸气和可燃性气体（主要为CO和甲烷）。高温蒸气经过气体处置装置—箱式回收器，利用不同物质沸点不同的原理将蒸气分离，金属被回收形成熔融
污泥处理处置新技术研究与新趋势解读
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状物，在经冷却成型设备得到固态混合金属块体，可燃气体被回收进入可燃气体收集罐。
④脱酸洗涤和废酸的回收。经等离子体焚烧炉处理后的废物会产生少量烟气，有时会含有酸性物质。位于焚烧炉的出口处设置烟气成分微型检测装置。该装置可对酸性气体发出报告。当检测装置发出酸性成分报告时，与焚烧炉相连的脱酸洗涤装置自动启动。出气控制阀关闭，脱酸洗涤输送口打开，脱酸洗涤器中产生负压，酸性气体进入洗涤器。经脱酸洗涤处理后的气体成分达标，可以直接排放。洗涤后产生的含酸废液进入废酸回收装置。
⑤废渣的后期处理。经过等离子体焚烧炉处理后的污泥，会产生非挥发性的废渣。处理后的废渣发生碳化或呈稳定的玻璃态，堆积于焚烧炉的底部。在焚烧炉的底部设有废渣导排管道，管道的另一端与废渣收集箱相连。焚烧炉、收集箱和废渣输送管道内壁均由特殊材料制成，可耐1500℃以上高温且不会与冷却后的废渣粘合，熔融态时经管道吸入收集箱，冷却后送往安全填
埋场直接填埋（废渣成分符合国家规定的安全填埋要求）。
⑥辅料供给系统。该系统由辅料配置罐和辅助给料器两部分组成，用于等离子体焚烧炉及尾气处置装置所需全部辅料的供给。
通过等离子体焚烧工艺流程简图（见图1），可以清楚地了解处置的全过程。经过等离子体焚烧工艺处理后的工业污泥有部分物质被蒸发回收（主要为金属蒸气），同时非挥发物被变成废渣，剩余的微量尾气可直接外排。复杂的工业污泥（主要成分为有机化合物）被分解为较简单的分子（大部分为一氧化碳和甲烷），全部过程在瞬间完成。
采用等离子体方法可以容易获得高于任何传统方法的温度（1200℃—1700℃），不会产生二噁英，垃圾焚烧会更彻底，且不会带来二次污染。燃烧的垃圾残余灰减容为≤3%，燃烧后的垃圾可作为生活垃圾填埋。
3、等离子焚烧设备(1) 现状
美国和日本在等离子体焚烧装置的技术研发方面处于世界
领先的地位。1998年美国研制成功了等离子体强热熔性焚烧炉，并已成功地用于工业废物和医疗废物的处置领域，但设备价格昂贵。2001年日本也将该技术成功应用于生产实践。我国近几年也已在该领域取得了一定成果，中国科学院力学所已自行研制成功用于处理“工业污泥及固体废物的等离子裂解装置”一次性试车成功并投入试运行。此装置运用DCS控制，自动化程度高，有机物除却率可达到99.9%以上，烟气、氯化氢等实现达标排放的同时还可回收酸，处理成本较低，具有显著的环保效益和经济效益。
该设备作为国内第一套可抗氯化氢腐蚀、工业规模处理化工污水污泥（含放射性）及化工固体危险废物的等离子体装置，包括原料破碎、玻璃体造渣辅料配料、混合和进料的前处理系统，等离子体裂解炉和专用电源系统，尾气焚烧系统、脱酸洗涤和废酸回收系统，测量控制系统等4个部分。主设备等离子体炉中有多个耐温1500摄氏度以上的部件，加工工艺复杂，精度要求高，涉及数十种材料(其中近10种为特种材料)，反应器内衬和电极均采用石墨材料。
(2) 等离子体焚烧炉等离子体焚烧工艺主体设备等离子体焚烧炉目前有等离子强熔性焚烧炉、等离子IET电浆焚烧炉和等离子体裂解炉。以等离子强熔性焚烧炉为例介绍特点与优点。
图1 等离子焚烧工艺流程简图
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特点：
① 系统使用石墨取代金属电极。
② 系统采用两套热源。③ 直流电阻系统直接加热熔融玻璃。
④ 系统在开启时仅需维持交流电阻供电，节约能源。
⑤ 可以废弃物特性调整两套热源比例，提高能源利用率。
⑥ 耐火材料距离加热区域较远温度约为1400℃。
⑦ 不需要经常停机，耐火材料耐用3—5年。
⑧ 利用加热式控制阀控制玻璃物排放。
⑨ 玻璃停滞时间增长，排放绝对不熔出。
优点：
①垃圾焚烧彻底，不污染空气、水源及周边环境。由于炉膛温度大于1200℃，有机物包括传染性病毒、病菌及其它有毒有害物质都全部裂解分解，产生的气体、灰烬无毒害；垃圾燃烧后的灰烬体积量大大减少，大约为传统炉燃灰体积的五分之一，而排放的气体无黑烟，不需烟囱。
②装置结构比较简单，结构小型化，具有占地面积小的明显优点，如一个中型化工厂产生的污泥，使用该类设备只占地65M2，具有普及的可能。③装置不用煤、燃油、天然气作燃料，只使用电与水，具有洁净、卫生的特点。
④操作简单、启动停机快、可全部实现自动控制、安全、可靠。
4、等离子体焚烧技术的优势
与传统焚烧法相比，采用等离子体裂解焚烧工艺处理废物具有以下优势：
(1) 可用于处理需高温裂解的多氯联苯(PCB)等高危险性废弃物；
(2) 被处理的物料能够在瞬间达到高温；
(3) 环保标准高，不产生二噁英(Dioxin)等剧毒物质，避免对人体和环境造成二次污染；
(4) 尾气处理量非常小，仅为传统焚烧法的5%至10%，且尾气处理方法简单，可回收利用可燃性气体；
(5) 产生的固体残渣为玻璃体，物理化学性质极为稳定，可安全填埋；
(6) 处理工艺无废水排放；(7) 成本低廉，每吨工业污泥的处理成本为不到1000元；
(8) 设备占地面积小，基建投资少；
(9) 工艺流程短，操作简便，安全可靠，各项指标均可达到国家环保要求。
综上，对工业污泥处置采用等子体焚烧技术，充分体现了科学、合理、先进、有效的特点，符合国际国内节能减排的新要求。
用电弧等离子体技术焚烧处理污泥；等离子体发生器采用氮气作为工作气体产生直流电弧等离子体；等离子体焚烧炉采用负压焚烧处理技术，消除处理系统可能发生的有毒物质外泄，保证
处理安全。采用直流电弧等离子体热源取代天然气热源，实现了能源节约、焚烧彻底，真正意义上做到了节能和减排双达标，具有保证可持续发展的积极作用。
该技术已成功应用于实际生产中，在国际上经过长周期运转证明采用的技术成熟、先进、安全可靠。利用等离子体处理污泥技术，在我国国民经济的各个领域应该可以得到广泛应用。在今后的生产实践中，等离子体焚烧技术还需要进一步深入探讨，以便为该技术的进一步开发和推广奠定基础。
污泥处理处置新技术研究与新趋势解读
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