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倚马可待热等离子体技术处理危险废物的应用探讨-现代化工

热等离子体技术处理危险废物的应用探讨-现代化工
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摘自《现代化工》2018年第5期
摘要:随着新环保法的出台,越来越多的增量危废进入市场,这对国内危废处理能力有着极大的考验。热等离子体技术是一种用来处理工业危险废物的新兴技术,国内外的研究机构做了大量的研究工作并取得了一定的成果。简单介绍了等离子体的相关概念与热等离子体技术的优点和工艺路线,并对热等离子体技术在石化与冶金危废处理、催化剂贵金属回收、铬渣的资源利用、土壤修复以及废液处理等领域的应用进行了详细的介绍与分析。由于满足不断严苛的环保要求和符合可持续发展我爱蔡枫华,热等离子体技术在危废市场的发展的前景广阔,但推动热等离子体技术市场化需要进一步提高效率并降低成本京通招聘网。
随着经济的不断发展,生产水平稳步提升,危险废物也随之增长,由此带来的环境污染也日益严重,在部分地区已经严重影响人们的正常生活。现阶段人们对青山绿水的环境需求越来越强烈,政府也从十八大开始增加了一系列的环保举措,这是关乎人民福祉和民族未来的长远大计。
根据2016年的统计数据,近几年我国工业危险废物产生量在逐年增加,在2015年达到3976.11万吨,其中处置量占29%,贮存量占20%,其余51%是综合利用。工业危险废物分布在不同的行业,主要是化学原料和化学制品制造业、有色金属冶炼和矿采选业、非金属矿采选业等行业。当危险废物没有得到妥善处理的时候,对自然对人类身体健康产生重大的威胁,近些年发生了常州毒地污染案、靖江养猪场地下填埋危废案、山东章丘危废倾倒案等严重事故,造成了严重的影响。
相对于庞大的需求而言,危废处理的能力不足是目前危废市场的最大门槛,技术水平不高、研发跟不上和企业资金薄弱都限制了危废市场的产能扩大,而且目前的技术设备与国外的知名企业还有较大的差距。为了应对种类繁多的危险废物,设备的通用型、适用性显得尤为重要,而且危废处理不能局限于传统的行业和传统技术,对新兴的热等离子体技术也有必要积极地研究推进。
针对热等离子体处理固体废物,国内外各研究单位做了大量的研究工作并取得了一定的研究成果。中科院力学所利用等离子体炬处理多氯联苯,处理效率达到99.99%,达到排放标准;浙江大学张璐等利用直流双阳极等离子体处理模拟医疗废物,对其中的重金属有很好的固化效果;中科院合肥等离子体物理研究所江贻满等采用直流电弧等离子体可以安全处理低水平放射性废物(LLRW),锶、钴、铯的捕获率分别为99.7%沈丕安,44.5%和18.6%。国外的研究如捷克等离子体物理研究所Hlina等使用等离子体炬将生物质气化,能够产生高质量的合成气;美国西屋等离子体公司利用等离子体熔融气化系统处理了220t/d的生活垃圾,已在商业成功运行;以色列环境能源资源公司开发了PGM(plasma gasification melting)技术,并有接近中试规模的设备投入运行处理低放射性废物。
1 热等离子体技术介绍
1.1 等离子体
等离子体并非一般的物质的常见的气、液、固三态,属于物质的第四种状态胡兰春,由电离的导电气体组成,包括了电子、正负离子、激发态原子或分子、基态原子或分子及光子。虽然等离子体作为高度电离的气体由大量的正负带电离子和中性粒子组成,但等离子体整体表现为电中性。
等离子体根据粒子温度和整体能量状态可分为高温等离子体和低温等离子体,其中低温等离子体又能细分为冷等离子体和热等离子体。具体如下表1。
表1 等离子体的分类
名称
体系温度
属性
例子
高温等离子体
106-108℃
热力学平衡等离子体
太阳、核聚变和激光聚变等
低温等离子体
热等离子体
103-105℃
非平衡等离子体
电弧等离子体、高频等离子体等
冷等离子体
20-120℃
准平衡等离子体
直流辉光等离子、微波、电晕等
1.2 等离子体发生装置
目前能够稳定产生连续等离子流并且能提供高温的装置是电弧等离子体炬,该装置适合连续生产。一般来说,等离子体发生装置功率在5kW~300kW,温度可达5000℃~6000℃,射流速度超过200m/s王婧乔,工作气体为氮气、空气、氢气等。
目前在研究或者已经商业的应用的设备的多为直流电弧等离子体发生器,根据阴阳极的分布规律分为两种结构,即转移式和非转移式。非转移式阴阳极都在发生器内部,而转移式通常将工件作为其中一个电极,所以转移式的电极寿命比非转移式更长。
1.3 热等离子体技术的优点
热等离子体技术处理危废与焚烧的方式相比有较大的区别。首先是原理不同,焚烧是一种富氧燃烧过程,需要源源不断的加入空气,炉内的温度一般低于900℃,而等离子体技术是缺氧气化的过程,并不需要额外的氧气,炉内平均温度可达1600℃以上;其次区别在于主要产物,焚烧的产物是烟气、炉渣以及飞灰,等离子体技术的通常是低热值合成气和玻璃体热熔渣。
热等离子体技术拥有特有的优势,第一是废物的减量化,灰渣体积大约为焚烧产生灰渣体积的五分之一,最大程度做到了减量化;第二,废物的无害化,热等离子体技术使得有机物(包括二噁英、呋喃等有毒有害物质)能够迅速脱水、热解和裂解;第三,废物的资源化,等离子体气化会产生的可燃性气体(包括H2、CO等气体),虽然热值相对降低,但由于产量较大仍可回收再利用。
1.4 工艺路线
图1为等离子体技术处理的工艺流程,在热等离子体技术处理之前需要预处理(如机械脱水处理、压实等),再通过螺旋进料将危废送入等离子气化炉,其中有机物分解为小分子可燃气体(CO、H2、CH4等),气体从炉子上方排出后经过除尘、脱毒装置后回收利用。无机物在高温下会变成熔融物,如果存在可回收利用的金属,会将金属富集便于后续湿法处理;其余残渣玻璃固化后可安全填埋。

图1 热等离子体处理危险废物的工艺流程
2 应用场所研究
由于等离子体具有能量密度高和反应迅速等特点,该技术在各领域危险废物的处理得到广泛的关注和研究。热等离子体技术研究处理对象包括污水污泥、电子工业污泥、垃圾焚烧飞灰的玻璃化处理和放射性废物处理等,在石化、冶金等行业也有广泛的研究。
2.1 石化含油污泥处理
石油化工行业中危废在工业危险废物的比重较大,占总量的30%,最新的《国家危险废物名录》中,跟石化行业有关的危废有28大类,占到总数的60%。在危废中含油污泥是我们等离子体技术应用研究的焦点。
含油污泥主要由落地原油和泥土、砂石、水等物质混合而成,其成分尤为复杂,是一种稳定的悬浮乳状液体系。含油污泥不但有大量的老化原油、沥青质、腐蚀产物、胶体、盐类等杂质,还包括凝聚剂、杀菌剂等水处理剂等。一般含油污泥里含油在10%-20%左右狡猾家丁,固体颗粒含量在5%-10%野枪,其余都是水,故处理含油污泥前需要脱水处理以减少体积。
含油污泥中各类污染有机物和烃类有机物较多,可利用热值较大,热等离子体技术可以将其分解为可燃的小分子气体(H2、CO等)销声匿迹造句,再回收利用。另一方面tboys,含油污泥中固体颗粒物多为无机物,主要成分是SiO2等,等离子焰流在极短时间可以将其转化为玻璃态熔渣,该熔渣形成致密的结构,有毒物质浸出率低,完全满足安全填埋的要求。
2.2 冶金危废处理
2.2.1 焦化废水污泥无害化处理
焦化废水是来源于焦化厂或者煤气厂等炼制焦炭、净化煤气和加工精制化工产品的生产过程,其中不仅含有氰化物、氟化物、硫氰化物等无机物,还包括酚类、联苯、吡啶、吲哚等难降解有机物,是焦化废水处理的难点所在,行业通常使用活性污泥法、生物脱氮技术处理得到焦化污泥。
焦化污泥有较高的含水率杨雪鸥,采用热等离子体技术处理首先需要进行脱水处理,把含水率降到50%以下,这样既可以把污泥体积大幅减小,降低系统耗能,也可以提高污泥可燃性。由于焦化污泥有机物含量较高,热等离子体技术处理后会产生大量的可燃气体回收利用,同时产生的废渣中Pb、Cd、Cr和Cu等重金属元素固化效果显著,浸出率完全满足环保要求,可安全填埋。
2.2.2 不锈钢渣资源化处理
不锈钢渣是不锈钢生产过程中固体废弃物,每生产3t的不锈钢会产生1t的不锈钢渣,大量的不锈钢渣未及时处理会占用大量的土地资源,更会对周围环境和人的健康产生直接威胁,所以不锈钢渣的资源化是必要的。
不锈钢渣资源化处理工艺流程如图2所示,不锈钢渣在一定的条件下与酸洗污泥和废玻璃按一定比例混合,在等离子体焰流下高温熔融后浇注成型,生成微晶相和玻璃相交织的多相复合材料。微晶玻璃兼具玻璃和陶瓷的双重特性,亮度比陶瓷高,韧性比玻璃强,还有强度高,耐腐蚀、介电性能优异等优点。不锈钢渣中的Cr2O3、Fe2O3、P2O5是理想的晶核剂,谢宗芬促使玻璃析晶。

图2 不锈钢渣资源化处理工艺流程
2.3 电镀污泥的资源化处理
电镀废水中大部分的重金属附在电镀污泥上,有着易积累、不稳定、易流失等特点,如果任由随意堆放,电镀污泥会造成很大的危害。
热等离子体技术处理电镀污泥分为无害化处理和资源化处理。当电镀污泥中重金属成分较杂回收成本高时,无害化处理比较适用,使用等离子体的上千度的高温将污泥中的有机物彻底分解,同时可以避免有毒有害的气体产生。热等离子体处理后可极大减少污泥的体积,并可对产生的可燃气体再利用,灰渣用来制砖、填埋等。
电镀污泥中金属含量多价值高时,对电镀污泥进行资源化回收。电镀污泥资源化工艺流程如图3所示,电镀污泥火法湿法联合回收有价金属技术,可回收污泥中Cu、Cr等,热等离子体技术作为预处理阶段,进行高温熔融处理,减少污泥的体积,重金属含量升高,便于接下来的浸出、分离、获得金属(盐)产品。

图3 电镀污泥资源化工艺流程
2.4 催化剂中铂族元素回收
铂族元素如铂、钯、钌、铑、锇、铱等作为主要的活性组分在催化剂中有着广泛的应用农家园林师,应用于石油化工中重整、氢化、加氢、脱氢、歧化等反应。因为铂族金属的价值高、储量少、生产成本高,所以对于铂族金属必须进行循环使用和回收,最大化铂族金属的使用价值。
使用热等离子体技术处理废催化剂并回收贵金属,在等离子电弧炉内1500℃高温加速废催化剂成分之间交互作用、熔化、造渣等反应,在几分钟内完成难处理物流的熔炼过程,等离子体熔融可以使铂族得到有效富集,当熔体沉淀杨稀胭,渣与金属相密度差别较大而分离较好。等离子体熔融后,进行下一步浓缩,提纯浸出液的铂族金属。
2.5 铬渣的资源化处理
铬渣是在生产金属铬或者铬盐过程中排出的工业废渣。铬渣中主要成分是Al2O3、CaO、MgO等,但是六价铬是有剧毒的,当铬渣露天放置,六价铬会渗入地下水或者进入河流中,污染环境,会以各种方式给人类的健康带来危险。
在处理铬渣这类危险废弃物的时候,对铬渣的解毒和综合利用显得尤为重要,介绍将铬渣烧制为铸石的工艺。以铬渣、硅砂、氧化镁皮和烟道灰作为配料,然后使用热等离子体技术进行熔融处理,接着有浇注、结晶、退火和成品的阶段。使用铬渣资源化利用烧制的铸石有很好的耐腐蚀和耐磨性能,可极大的延长部件或设备的使用寿命,并广泛应用于冶金、电力、建筑、煤炭等行业里设备磨损腐蚀严重的部位。
2.6 土壤洗涤等有毒废液处理
2.6.1 异位土壤玻璃化技术
当土地受到化工中有毒有害的有机物或无机物严重污染,部分区域土壤已经没有修复的必要,那么需要挖掘土壤再进行处理。使用热等离子体技术对污染土壤玻璃化处理就是异位玻璃化技术,用1600℃~2000℃高温将土壤及其污染物熔化。有机污染物在高温下被热解去除,有害物机废物则被固化,产生的水蒸气和可燃气体收集后统一处理,熔融的土壤冷却后形成化学性质稳定的玻璃体。
在土壤修复中使用热等离子体技术主要因为该技术应用范围广,设备小型使用灵活,处理速度快,污染物去除率较高,副产物少。但是由于成本很高,所以只适合高危污染土壤处理。
2.6.2 污染土壤洗涤废渣处理
目前,针对砷含量严重超标的土壤,技术路线采用“洗涤”和“热等离子体”组合技术处理,处理工艺见图4。当土壤使用洗涤剂后,将其中的超标砷转移到废液中来星光子,90%左右的土壤可以回填再使用,其他的废液和少部分土壤会作为危险废物处理。有较高浓度的浓缩物送入热等离子体熔融炉转化为玻璃态炉渣,而砷被固化在玻璃内部,可安全填埋。

图4 污染土壤洗涤废渣处理工艺
2.6.3 含氟废液
氟的过多会造成危害,土壤中氟会抑制植物的新陈代谢,最终导致死亡,对于人来说氟含量的过多会威胁健康。有机氟废液作为高危的废弃物越来越多,这些难以处理的废弃物中晨昊光采用等离子焚烧装置进行无害化处理。有机物除却率可达到99.9%以上,排放烟气HCl及NOx可满足达标排放,并可以回收酸。
3 结语
等离子体技术对危险废弃物的处理有着天然的优势,能够处理难处理的废弃物,并且对环境没有负面的影响,也可以回收有价值的副产品,这不但满足当今不断严苛的环保要求,也符合循环经济和可持续的原则。一方面,随着危废名录的扩展带来的石化、冶金等行业的危废的增量带来了更大的市场,另一方面,中国现阶段资源能源短缺对资源可回收利用有极大的需求,这些都是热等离子体技术的机会所在。
作为第三代“熔融气化”技术的等离子体技术,由于其对危废的处理,不但可以实现零排放的环保效果,而且可以提高项目的经济性白心上人,所以吸引广泛的学者和企业关注并开展研究,相信不久的将来凭借其突出的优越性和能量效率的不断提高,必然可以在未来市场占据一席之地。倚马可待
然而,现阶段国内等离子体技术还处于初级阶段,大型的工业化在国内仍然没有广泛应用,主要在技术和成本上有瓶颈需要解决,这些问题毫无疑问阻碍了这样技术的快速发展。所以,在我国继续开展等离子体技术的研究,推动该技术高效利用与成本降低阎毅,为国内危废市场带来优异的处理方案。
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