2工艺说明

2.1 系统及工艺说明

2.1.1工艺过程

等离子体系统(PCS)由废弃物进料系统、等离子体转换炉、等离子体焰炬、烟气处理系统、转换气利用系统、PLC控制系统、辅助系统等构成.废弃物进入等离子转炉中,通过等离子体焰炬发生的高温连续弧,在这么高温的情况下废弃物的分子结构几乎全部被破坏,分子被打断为原子、离子、电子等微小粒子,仅有微量的分子存在.等离子体做为促进反应的媒介,等离子体促进废弃物的分裂尤其是有机分子的分裂.废弃物经过等离子区的反应后产物为玻璃熔融渣以及转换炉气.

                                     

残余物玻璃熔渣可以大约为处理的原物料的1/300,此玻璃熔渣可以用作研磨剂、路基材料和绝缘器或者有作为市政清洁填充荒地的一种趋势.转换气经过烟气处理系统的净化(预除尘、急冷、布袋除尘以及脱酸)处理后进入转换气处理系统,转换气具有极高的商业利用价值.

等离子体转炉具有一般焚烧炉不能比拟的优点,等离子体转换炉处理废弃物彻底,不会有二噁英类(dioxins)和呋喃类(furans)物质产生,再加上后续的尾气净化处理有急冷和活性炭吸附措施, 二噁英的合成问题也得到有效的解决.

2.1.2工艺原理

（a）通过等离子焰炬产生等离子体;

（b）等离子体具有超高温的特性;

（c）超高温能有效去除废弃物的毒性及有害性;

（d）反应特性为将大分子态物质的转换为小分子态气体(如H2/CO/CH4等);

（e）通过等离子焰炬控制等离子体转炉的温度;

2.1.3技术特点

（a）废弃物破坏去除率高,几乎100%,其他的废弃物处理方式无法与之媲美.

（b）可达到极高的环保标准,严于目前欧盟标准;

（c）处理毒性强、危害性大的废弃物更具有优势;

（d）在处理废弃物的同时获取了具有商业利用价值的转炉气体;

（e）工艺流程简单,系统设备少,且转动部件少,从而提供了系统的可靠性,降低了维护及检修费用;

（f）占地面积小,且系统布置灵活;

（g）运行费用主要是等离子焰炬消耗电能,消耗的电能相对可通过转炉气的价值重新获取回来;

（h）工程投资相对处理同类型废弃物较高;

（i）烟气排放口无需设置烟气加热器;

（j）发达国家已有十多年的运行经验,工艺已成熟,可靠.

2.1.4进料系统

本处理车间进料系统位于集料坑与等离子体转炉之间，采取全封闭式自动化进料方式，可避免人员接触废物。由于集料坑为全封闭式结构，进料系统在处理线中相对独立和隔离。

进料系统主要由固废进料系统、废液进料系统及自动进料机水冷系统组成，完全满足散装废物、袋装废物、桶装废物和液体废物等顺利进入等离子体转炉。

进料系统全部采取密封连锁控制，主要进料机构——自动进料机采取二段式油压闸门自动控制方式，进料作业时，进料闸门自动开启，废物由天车抓斗或子车投入进料斗内，进料闸门自动关闭，并自动开启炉前闸门，油压推杆将废物经进料管道推入转炉内，然后炉前闸门自动关闭，油压推杆回复原位，等待下次进料作业。二段式设计能防止有害气体外溢，并设有自动清堵装置，保证进料顺利。

天车抓斗和子车操作平台上均设有电子称重装置，废液输送管道上设有流量计（废液储罐配备比重计），信号传至中控室，能对固废、废液进炉量进行自动计量，具有实时记录及累计的功能。

2.1.5等离子体转炉

2.1.5.1等离子体转炉本体

等离子体本体为圆柱型、不锈钢材料制造而成,等离子体焰炬由上端开口处插入.外表具有绝缘功能,内部铺设耐火隔热材料防止外表高温变形.等离子体转炉本体还包含进料孔、检修孔、转炉气排出孔以及玻璃熔融渣排出孔.还设有一定倾斜角度的排渣装置以便玻璃熔渣能连续顺利排出.

2.1.5.2等离子体焰炬

等离子体转炉系统的根本是利用等离子体焰炬产生连续电子弧。等离子体焰炬做为一个相当成熟的设备在冶金行业使用.等离子体焰炬采用的是水冷式,本体使用不锈钢材料制成内部由标准的聚合体和电绝缘陶瓷组合而成.等离子体焰炬中电极是仅有的消耗品,电极是由容易制造的铜合金组合而成,并且很多国家都可以很容易的制造取得.电极的典型的使用寿命一般为300～500小时.伴随着技术的不断改进电极的使用寿命也在不断的延长.

等离子体转炉系统同时也配置一个火焰远程调节装置.这个调节火焰的装置允许等离子体焰炬对准不同的等离子体转炉内部的不同点.等离子体转炉难以控制的是经受住极高的温度以及变化无常的操作条件. 为了防止等离子体流直接撞击在难以控制的等离子体转炉的内部,不然可能会引起长时间对炉壁的摩擦,因此等离子体焰炬安装的位置是不容许上述的情形发生的. 进而PCS系统还通过热电偶的温度监测控制等离子体焰炬的输出能量. 

                                                                                  

2.1.5.3炉内熔渣料位控制及熔渣冷却输出

通过安装一个类似雷达装置(此装置和物料没有接触)的设备去测量等离子体转炉内部的玻璃熔渣的液位,并把测的的数据传输至中控系统.当玻璃熔渣到达高液位点的时候,操作人员就可以通过料位的通知卸出部分玻璃熔渣.当玻璃熔渣到达超高液位点的时候,料位控制和进料系统产生连锁,进料系统拒绝进料.

除玻璃熔渣料位控制之外,工业电视监控系统也和等离子体转炉共同配置.监控画面实时传输至中控电视画面,这样,操作人员也可以通过监控画面去判断玻璃熔渣的料位是否在允许范围以及料位仪器是否故障.

由于系统间歇放电的,玻璃熔渣系统的设置是简单的,等离子体转炉设置有一个卸料口,卸料口图片:

      

2.1.5.4炉内压力和压差控制

为了避免转炉气泄漏至大气中,等离子体转炉必须在负压的情形下运行.等离子体转炉内的压力的变化的控制根据转炉内物料相态(固相-液相-气相)的变化而变化.这里需要指出的是等离子体转炉内的压力变化不会根据相态的变化而急剧的变化,通过控制方式的加入,即使相态变化,转炉内的压力还是被控制在一个稳定的水平.

2.1.6烟气处理系统

等离子体转炉处理废弃物的同时,转炉气中也会伴随卤化物、气态重金属类以及无机类粉尘类污染物质产生,烟气处理系统包含高温旋风除尘器、急冷塔、布袋除尘器以及填料除酸塔的设置可有效去除上述污染物质,最后是一个引风机维持整个等离子体转炉系统处于微负压状态下运转.

等离子体转炉处理废弃物产生的气体体积仅为同类型废弃物焚烧炉排放气

体体积的10%左右,由于产生的气体的体积小,故烟气处理系统处理会更有效,处理设备的体积也能大大的减小.

2.1.6.1高温型旋风除尘器

首先一个预淬火的过程在等离子体转炉中进行,通过直接注入水这个过程转炉气从2000℃降低到1200℃.高温以及干燥的转炉气通过一个中间管道进入高温旋风除尘器,高温旋风除尘器专门去除转炉气的大颗粒的粉尘,去除的粉尘通过收集后重新进入等离子体转炉中进行处理.

2.1.6.2换热器

高温型旋风除尘器出口处转炉气温度为1200℃,1200℃的烟气具有一定的能源利用价值,通过设置空气换热器可回收其中部分能量,回收能量可用于厂内气体用途.换热器出口温度为500℃.

注:参考<危险废物集中焚烧处置工程建设技术规范>HJ/T176-2005,对危险废物焚烧的热能利用应避开200～500℃温度区.

2.1.6.3急冷塔

高温烟气经烟气余热回收系统降温后，进入烟气急冷塔，此时温度约500℃。冷却水经由高效雾化喷嘴喷入烟气急冷塔，烟气在1s内降温至180℃，从而有效避免二恶英类物质再合成。降温之同时，部分颗粒物被吸附且飞灰粒径增大，有利于后续净化设备对飞灰的收集。部分飞灰经塔底电动双挡板装置排至飞灰输送机，贮存于飞灰储仓。

急冷塔采取温度感应自动微调冷却水喷射量，确保出口温度为180℃，避免发生“过喷”或“欠喷”现象。喷嘴材质选用哈氏合金C-276，耐高温，耐腐蚀。

急冷塔采用特制浇注料，其具有良好的热震稳定性、化学稳定性、耐磨损性以及抗酸腐蚀性能。

给水系统冷却水输送泵（A、B）采用1用1备设计方式，如出现故障，冷却水喷射系统自动报警且自动启动备用泵B运转，同时A/B泵控制线路另接于紧急发电机处，即使意外停电亦可正常运转。此外增设高压空气冷却系统自动保护后续设备如布袋除尘器。

同时，雾化水的精确喷入可保证收集之飞灰为干基状，显著降低了飞灰处置难度；塔底无废水产生，减轻了废水处理系统之负荷，有利于保持作业环境之整洁；最大程度上防止了酸性烟气对塔壁之腐蚀，延长了设备使用寿命。

注: 焚烧废物产生的高温烟气应采取急冷处理,使烟气温度在1.0 秒钟内降到200℃以下,减少烟气在200～500℃温区的滞留时间;

2.1.6.4布袋除尘器

布袋除尘器前设活性炭喷射系统，作业时向烟气喷入活性炭颗粒，以在布袋除尘器外侧表面快速形成滤饼，增强布袋除尘器滤布对烟气中烟尘及其他有害成分之拦截。

布袋除尘器前另设置高压空气冷却系统，采取温度感应自动控制，当布袋除尘器入口温度超过210℃时自动开启，迅速喷入高压空气以降温保护布袋除尘器。

（1）滤袋性能

滤袋采用进口PTFE材质，并进行覆膜处理，滤袋缝线材质与滤袋材质相同，具体如下表所示。

                                     

（2）控制方式

可调式差压、PLC控制器调整

逆洗时序步阶控制器

旋转卸料阀、清灰机附现场手动操作面盘

滤袋超温或温度过低紧急联动控制装置

2.1.6.5引风机

本项目采用涡轮式引风机，采用自动变频调速控制，与等离子体转炉出口压力感应器联动，能维持等离子体转炉系统负压工况，可节省电耗和有效降低运行成本。

引风机叶片及壳体内部均采用SUS316L不锈钢材质，耐腐蚀，设有扇壳清洁口和自动泄水孔，转轴采取水冷方式，延长了设备使用寿命。

2.1.6.6填料除酸塔

通过布袋除尘器除尘后的转炉气,进入填料除酸塔直接通过水降温至50℃左右,然后通过填料脱酸塔去除转炉气中的酸性气体,填料脱酸塔中的水的pH值通过一个放入循环水隔膜计量泵中的pH感应器控制,填料脱酸塔出口的转炉气通过一个高效除雾器、标准高效的微粒空气过滤器以及一个活性炭过滤器做最后的处理.

从除酸塔排出的部分无机盐类废水主要含有Cl-、F-、SO42-的钠盐以及钙盐,为了使除酸塔内的废水中盐分不至于过高,脱酸使用的水需要不断补充及不断的循环使用.

最后需设置一台引风机抽出转换炉气以维持等离子体转炉系统处于负压状态下运行,负压检测设备安装在等离子体转炉设备的出口处并和引风机设备构成联动(通过PID的控制).

                                                                             

2.1.7转炉气利用系统

转炉气经过烟气处理系统处理之后,可以做为洁净的能源使用,可做洁净能源使用的转炉气主要由H2、CO、N2、CO2、CH4、C2H2等，生成物质一般所占体积比例见下表：

                                          

医疗废物,市政垃圾以及多氯联苯类经处理后产生的此类转炉气的热值在10,000 to 11,500 kJ/Nm3之间.

2.1.8废水处理系统

调料脱酸塔产生的废水的数量比较少,此含盐废水可采用物理化学方式处理,主要是采用混凝沉淀加上后续的过滤方式处理.

                                                                 

 另外考虑到等离子体转炉工艺的需求,此部分含盐废水可考虑注入等离子体转炉中做为降温使用。

2.1.9 PLC控制系统 

由于等离子体转炉系统控制的点位比较少,故采用可程序化编程器控制(PLC)足以控制,PLC控制系统主要由可程序化编程器控制,通过工控机控制操作运营状况.

等离子体转炉系统(PCS)配置众多的仪表探测运营的数据并实时回溃给控制终端,以便操作人员合理控制操作状况.操作界面友好及简单.操作人员只需通过工控机内的软件控制运行状况,控制过程只需要动用鼠标和键盘.

2.1.9.1控制仪器使用

测量和控制参数主要包括温度、压力、流量以及液位(料位)等.,基本的仪表一般现场配置数字显示及仪表控制面板.电子仪器主要包括热电偶以及探头、压力开关以及感测器、流量感测器、限位开关、料位感测器、负载感测器、过程分析器等.所有的电子仪器的电子信号不仅现场设有控制面板也可通过远程在工控机上控制.控制参数被输入至控制系统中做自动回应、维护以及报警.关键参数比如转炉气成份、温度以及压力等通过在线监测仪器实施连续监测,这些参数做为维持整个系统自动运转的基础数据.

2.1.9.2气体监测

为了对转炉气实行在线监测,系统中配置一套转炉气在线监测系统(CEMS),此转炉气监测系统主要监测转炉气中的一氧化碳、二氧化碳、氧气、氢气、氮气以及碳氢化合物.

各种气体的主要监测方法:一氧化碳以及二氧化碳非分光红外(NDIR)气体传感器进行监测,氧气含量使用磁压技术进行监测,氢气、氮气以及碳氢化合物使用气体套色复制方式监测.

2.1.9.3温度控制

等离子体转炉系统中温度的变化不是很大,等离子体转炉中的热介子能够缓冲内部热量的变化.进而,等离子体焰炬持续提供能量,等离子体转炉的操作温度被5支热电偶监测.等离子体转炉出口的温度通过物料的喂入量来调节控制.稳定(成份稳定,数量稳定)的喂料量可以稳定的控制操作温度,另外,也可以通过控制等离子体焰炬的能量输入输出来控制等离子体转炉出口的转炉气温度.

2.1.9.4压力控制

为了避免转炉气外泄,等离子体转炉系统需在微负压的情况下工作,故在系统的尾部设置一台引风机.引风机采用变频控制,根据等离子体转炉内的压力控制风机的频率.压力计和风机是互锁的.负压大频率相对就大,负压小频率就相应变小.在这种情况下等离子体转炉中一直维持着负压状态.

2.1.9.5转换气质量控制

早期的等离子体转炉系统依据喂料量的变化来控制,是通过设置很多料位感测器来探测系统的变化.根据喂料变化来控制转炉气的成份及体积,绝大多数废弃物的情形都很相似.例如,处理医疗废弃物和市政垃圾的情形就很相似.因此,转炉气的性质主要和废弃物中有机和无机类物质的多寡有关.等离子体转炉系统适应有机及无机的变化,并为因为物料的变化造成能源效率的降低以及转炉气品质的降低.

2.1.10辅助系统

主要是工艺用水、空压、电等的供应.

2.2执行标准

本等离子体转炉系统在严于欧盟标准的基础上几乎对环境无二次污染，是目前国际公认的最合理的处置危险废物的方式之一。

2.2.1破坏去除率（DRE）

DRE=（输入的有害物质总量-输出的有害物质总量）/输入的有害物质总量

所谓破坏去除率类似于焚烧系统的焚毁去除率，等离子体转炉系统的破坏去除不仅对有害化学物质进行破坏去除，而且连同一起反应的水蒸汽等都一同转换为具有能源性质的可利用气体，所以等离子体转炉的有害物质的破坏去除率（DRE）＞99.9999(趋近100％)

下表为中广环境使用奥矩3等离子体设备处理多氯联苯的试烧记录:

                                                      

上表显示7次试烧记录及废气排放情形,在7次的测试中,多氯联苯以不同比例(11-18%)混入丁酮及甲醇之中,测试时间自1小时到5小时不等.

2.2.2温度及停留时间（T&T）

美国环保标准制定1200℃下至少停留2S,1600℃下至少停留1.5S。接近等离子体转炉的壁的温度大致在1200～1500℃之间,等离子体焰炬的中心温度超过10000℃,气体在等离子体内的停留时间超过2S.等离子体炉出口的平均温度大致在3000℃左右.

2.2.3残余物执行标准

焚烧系统残余物是以热灼减率去衡量,国家标准中都以小于5%为标准,而由于等离子体转炉的温度极高,故经处理后的残渣都成玻璃熔渣,对环境无害可直接利用.

2.2.4残余物所占原物料的比例

减量化更多,体积为300份的废弃物进入等离子体转炉经处理后只剩1份的玻璃熔渣,体积减量化达99.7%.

2.2.5能源效率

尽管目前位置还没有适用于等离子体处理废弃物的标准,废弃物处理的能源消耗和能源利用都具有相关的规定.尽管等离子体转炉会消耗大量的电能,但是废弃物经等离子体转炉转换出来的高能量气体极具有商业利用价值,下面列举一个等离子体转炉处理医疗废物的处理案例,

                                    

从上表可以看出,废弃物在处理的同时即耗费了能量同时也获取了能量,在获取的能量多于所消耗的能量的同时,把废弃物资源化、无害化及减量化处理.

如果污染的土壤或焚烧飞灰被利用等离子体进行处理,不会产生等离子体转炉气同时处理过程中也不需要加入蒸汽作为反应媒介,排放残渣的温度会比处理有机类废物的温度稍高一些.

2.2.6环保标准的执行

2.2.6.1防止二次污染

处理危险废物和医疗废物最大的关注点在于处理的过程当中是否有二噁英类(dioxins)和呋喃类(furans)物质产生或者合成.等离子体转炉系统在高温环境以及限制氧供应量的情况下处理废弃物,以及在二噁英类(dioxins)和呋喃类(furans)物质容易重新合成的温度区间进行急速冷却.这样就有效控制了二噁英类(dioxins)和呋喃类(furans)物质的生成和重新合成.

2.2.6.2烟气排放标准

烟气排放标准远远优于欧盟排放标准,下表为中广环境采用奥矩3号等离子体危废处置一体化设备处置混杂危险废物（油漆渣40%、树脂20%、有机废物20%、活性炭10%、实验室废物10%）排放烟气参数和国家标准(GB 18484-2001)和欧盟标准(2000L0076-28/12/2000)的对照:

                                                        

                                                        

1) 在测试计算过程中，以11%O2（干气）作为换算基准。换算公式为：

c=10/(21-Os) × cs

式中：c——标准状态下被测污染物经换算后的浓度（mg/m3）；

   Os——排气中氧气的浓度（%）；

   cs——标准状态下被测污染物的浓度（mg/m3）。

2.2.6.3水处理废弃物过程中产生的废水主要来自等离子体转炉系统脱酸产生的洗涤废水,此部分废水可经过处理后回用或者达标排放,排放应符合 污水综合排放标准 ---GB 8978-1996。

2.2.6.4噪声

等离子体转炉同其他废弃物处理方式相比具有相对低的噪音.在等离子体转炉及洗涤塔附近噪音一般在70 dB左右,而只有空压机房内的噪音在90 dB以上.厂界的噪音严格按照工业企业厂界噪声标准 ---GB 12348-90设计执行.

3等离子体与其他工艺的对照分析

3.1建造成本对照

                                                   

3.2各种工艺危险废物处理价格比较

                                  

4结论

难处理危险废物的安全处理问题日益引起我国政府及企业的重视，纷纷投入巨资发展危险废弃物处理技术。我国热等离子体危险废物处理技术的研究始于八十年代中期，最早应用于化学武器的销毁，九十年代转向民用，其技术的主要优势是对危险废物处理彻底，克服了填埋、焚烧等传统方法无法解决的二次污染问题。该领域已成为环境科学的一个研究热点，并成为新兴环保产业的一个重要方向。我国的危险废物处理技术还比较落后，因而大力发展先进的热等离子体处理技术已成为环境工作者日益紧迫的任务。目前，我国正在研究和利用热等离子体技术处理危险废物的单位有：

中广环境研发的奥矩（Auto Matrix）等离子体危废处置设备已经进入第三代产品更新，具备自动化程度高、设备运行稳定、处置成本低的优势；

大连东泰产业废弃物处理有限公司开发研制的“废催化剂无害化处理及综合利用新技术”；

核工业等离子体技术开发应用中心是核工业西南物理研究院成立的高科技综合型企业，；

深圳能源集团将与中国科学院等离子体物理研究所合作开发等离子体技术处理危险废物，解决危险废物燃烧产生的二噁英等问题；

湖北省引进美国等离子技术，建造全国第一座等离子危险废物处置工程。据介绍，这一项目选址距武汉城区60余公里，总投资1.5亿元；

沈阳环境科学研究所与香港星科环保（亚洲）国际有限公司3月31日在香港签定了"等离子转换系统技术合作合同"。该项目总投资2500万美元，应用于我国PCB和废弃危险化学品的处置中关键技术问题；

中关村最近正与美国七星集团协商合作，准备将环保等离子废物处理系统引进园区，并在全国推广，填补我国环保高新技术方面的空白；

深圳市真高科实业有限公司研发的“等离子体特种垃圾焚烧炉”，该产品已通过深圳市科学技术成果鉴定和新产品成果鉴定，并通过国家环保局2003年国家重点环境保护使用技术推广项目认定；

北京市对外贸易进出口公司与中国科学院力学所合作成立北京外贸环保产业部，主要为国内外客户提供无害处理和回收各种危险废物的等离子炉设备和处理方案。

随着工业生产的快速发展，环境污染变得日益严重。人工合成的各类化学物质品种正以惊人的速度增长，其中不少是有害或是有毒的。例如，曾用作高压变压器油的多氯联苯(PCB)，剧毒农药六六六，DDT等具有高毒性与高残留性，能通过地下水和食物链在人体及动物体内富集，从而导致癌症及基因变异；用作致冷剂的氟里昂类化合物及用作溶剂等的卤化物是臭氧层空洞的罪魁祸首；含有生物技术、农药生产、医院等的高毒性高传染性的废物，则严重危害人体健康。如何处理这些环境污染物的问题已成为国际上共同关心的重要课题。传统的填埋法及化学处理法由于二次污染、迁移效应及低效率已受到严重挑战。随着各种难处理或特殊的污染物对处理效率的更高的要求，常规的处理技术已逐渐显现出其不足之处，尤其是对于多氯联苯类(PCB)，氟里昂类等难消解含卤化合物及生物技术产业、农药、医院等的特殊废弃物处理，常规技术的处理效率常常不能达到国际规定的标准(PCB的消解效率必须大于99.9999%)，并且更高毒性的多氯二苯并二噁英(PCDDs)与多氯二苯并呋喃(PCDFs)的二次污染问题日益引起人们的重视。

由于各国环境保护法的严格限制，危险废物的来源企业不得不发展和应用更先进的处理技术。大量的废催化剂、废溶剂、农药废液、含PCB废物、医院及生物技术危险废物的严格处理都为热等离子体处理技术提供了广阔的市场。热等离子体处理技术以其高科技、高效率的处理功能，在未来环保中将有很好的发展前景。

新的危险废物处理技术----热等离子体处理技术因其应用对象广泛、快速、高效、二次污染小，因而在危险废物处理领域将有很好的发展前景。