危险废物等离子体焚烧处理技术

危险废物等离子体/焚烧处理技术力学所工程科学研究部内容•引言•力学所的危废工作基础•危废处理实例—化武•下一步工作计划–科学与工程问题研究–处理三类废物的两种炉型（三种工艺流程）•结束语危险废物(HazardousWaste)•国家危险废物名录（巴塞尔公约）–HW01~HW47，多数有机化合物–医疗/医药废物等–化学品与化工废料–PCBs、PCDD/Fs、氰化物–含有毒重金属废物–焚烧处置残渣–废矿物油、油漆、染料、涂料废物–爆炸性废物–其他•危险废物焚烧污染控制标准–GB18484-2001国内外危废处理现状•高温热处理技术–焚烧/热解/等离子体/熔融/微波/红外•化学方法–Findon,SCWO,电化学氧化等•国际：–焚烧–等离子体热解/玻璃化（PP/V）•化武、低放、焚烧炉飞灰等•国内：–仅部分得到处理（焚烧/水泥窑）–电子废物—氰化物—黄金–等离子体热解，环保效果好，国家环保局引进示范工程——发展方向美国星科热处理技术•等离子体/焚烧：–高温使化学键断裂—无机化–前/后处理原理相同–氧化气氛：放热•彻底氧化•尾气量大——空气中氮78%，辅助燃料燃烧–还原气氛：吸热•有机物裂解，无机物还原•热源：传热，等离子体加热•尾气量小：裂解气（氧化法的5-10%）危废相关基础—等离子体研究学科带头人——吴承康院士钱学森同志1956年建立中科院力学所后，为了航天器再入大气，安排由吴承康院士领导研究导弹防热烧蚀和通讯中断问题。吴承康院士采用电弧风洞作为研究手段，开创了我国等离子体技术的事业。•中国力学学会等离子体专业委员会主任委员•国际等离子体化学委员会委员（1987-1995年）•13届国际等离子体化学会议大会主席（1997年）危废相关工作基础•燃烧研究为基础，1991，所长基金启动焚烧–废物焚烧•基础研究•小型医疗废物炉、流化床焚烧炉–等离子体热解实验•化学武器销毁、电子废物、医疗废物•工程可研+工程设计（工艺设计）–嘉兴垃圾焚烧国家经贸委示范工程–前、后处理/发电系统焚烧技术基础研究•非均匀布风内旋流流化床（院八五重点，50kg/h，煤,MSW,医疗,RDF）–燃烧特性–流动特性–传热特性–建立设计计算方法•协助引进三井技术•小型医疗垃圾焚烧炉–所长基金，1995，50kg/h–80，120kg/h立式系列–100-500kg/h卧式系列0.02.04.06.08.0NuNumberofExperimentation0.02.04.06.08.0NuNumberofCalculationCFB固废焚烧技术•院“九五”重大项目–预处理系统、燃烧特性、传热特性–上庄示范基地（100t/d生活垃圾）•非典垃圾焚烧–嘉兴-国家经贸委示范工程•工艺设计总负责人，盛宏至•成功并网发电，12MW，300t/dX2•投资=进口技术1/4采用“外置过热器”–HCl高温腐蚀问题—垃圾焚烧的世界性难题–国际：•蒸汽温度限制320‘C，发电效率14%•高镍铬合金材料制造过热器–国际首创，引入工程实际•450‘C/3.82MPa，发电效率21%HCl=500ppmHCl=12ppm固废处理相关工作•环保产业协会顾问–执笔起草环保产品标准2项，国外标准/国内现状•小型焚烧炉HJ/T-18-1996–国内首部有关焚烧标准，成为范本•危险废物焚烧炉HBCXXXX-2002，报批中–参与多项焚烧污染控制标准的制定–相关政策制定–环保产品鉴定/评审•专家咨询–计委中咨公司–各省市环卫/环保局•城市建设机械协会–垃圾处理专业委员会副主任力学所相关工作和成果•多年积累+学科基础–各种等离子体技术（吴承康，960kW电弧风洞，1961）–焚烧和等离子体技术—危废热处理—综合优势•氧化/裂解–提出还原气氛（基于冶金技术的积累）•等离子体处理危废的新方向•高环保标准，低成本—尾气量小–广泛国际学术交流，新思想•国际燃烧大会，等离子体大会，IT3，ICIPEC等•美、加、德、英、法、日、韩、泰等•系统集成技术经验：前处理、后处理等–不同类型问题等离子体弧发生器250kW30kW高频发生器及设备100kW高频实例—日本遗弃化武•5000吨，在中国处理，日本方案存在环境后遗症•总参兵种部履约事务局/外交部日本化武办•含砷量大、处理难度大，遍及14省数十处•毒剂类型多：HD、L、DA、DC、光气•弹量大、弹种复杂、规格多、弹体结构复杂•弹体炸药装量大，弹体破碎困难•弹体敏感度高，易爆炸•保存条件极差，污染物多•创新点：控制引爆+还原气氛—砷还原–国际无先例，氧化法—As2O3•2001-7：“用控制引爆—交流等离子体技术销毁日本遗弃化学武器的技术可行性研究报告”•2003-4：小型机动式销毁装置（日本尚无此技术）–主任基金+创新经费，原理性装置小型机动式化武销毁装置•尾气量仅为焚烧法的2-5%•处理时间短，设备尺寸小，车载•20kg/h，所有弹种化学战剂销毁实验-2002–总装防化兵研究院：3-30~9-27–DM(Adams)C12H9NClAs–DM+造渣材料~连续进料/出渣–玻璃体性质稳定实验结果-2002–3-30批处理，渣含砷3%•总砷：渣35%，气体（碳黑）65%–9-27连续进料，20-30kg/h•增加总渣量/减少渣含砷量，提高渣对砷的捕集量•改进气体/颗粒中砷捕集方法医疗、电子废物实验模拟肢体：肉塑料、橡胶残渣电子废物等离子体裂解处理尾气排放表中：CO、NOx、SO2是中科院生态中心为力学所试验测试的数据。PCDD是参考美国Startech公司提供的数据，等离子体炉的PCDD排放为美国焚烧炉排放新标准限制值的1/1250左右。种类单位GB18484等离子体美国标准德国标准荷兰标准PCDD/Fsng/Nm3（TEQ）0.5~0.00010.14~0.210.10.1颗粒物mg/Nm3800.38~0.69COmg/Nm31001.25~1.75NOxmg/Nm35000.03~0.0520020070SO2mg/Nm34000.29~0.38505040THCmg/Nm30.18~0.35三相工频等离子体炉特点•1980年代，冶炼铌铁，150kW实验炉–八五重大成果、97院三等奖，发明专利–1000kW工业冶金炉•特殊交流稳弧电路，三个电极形成球形电弧–不依赖于炉料的导电性–能量集中，弧温高，高温冶金–设备简单，电热转换效率高–可随时开停炉•H2等离子体还原气氛•处理有机废物的优点：–还原气氛，尾气量小–无PCDDs、SO2、NOX、CO生成条件交流等离子体150kW实验炉1000kW工业冶金炉（广西）工业炉工程应用的问题•工艺配套：前处理--实处理(氧化/还原)--后处理•进料、出渣：处理对象不同–工作效率：对象不同•尾气：处理对象和处理工艺不同，优化工艺–干、湿、半干，碱吸收，集尘•温度、尾气监测•自动化、可操作性•可靠性、寿命•成本控制•……危废等离子体处理技术方案•基础：现有炉子–交流等离子体•创新点：–还原气氛•优化方案：弧/炬，还原/氧化—对象•针对3类不同对象，提出不同设计方案–优化等离子体发生技术•直流弧/炬性能稳定国际通行•交流工频弧/冶金医疗/化学/电子–高频用得少无电极污染效率低成本高–载气：氧化、中性、还原技术方案优化•三类废物：三种工艺流程及两种炉型医疗化学品电子等离子体炬等离子体弧H2Air后处理渣玻璃体合金后处理后处理增强裂解—医疗垃圾•体积大，量大，轻，病原体，热值高，渣少•炉膛放大几十倍：能量扩散保证高温环境–加大载气量–组织流动–等离子体炬（射流）•连续工作，进料：–大尺寸、整包装，进料口大，严密隔离防护–空气向内泄漏，石墨电极/炉壁烧蚀•医疗垃圾热值高—利用-加空气，经济性–空气等离子体增强裂解+二燃室增强焚烧–高温耐火材料（冶金）/水冷金属电极增强裂解—医疗垃圾（续）•等离子体增强裂解，利用垃圾自身能量–高温空气（3000‘C）+部分燃烧放热–比N2等离子体（800-1500‘C,800kW-h/T）•裂解温度高（1200‘C），反应快•电耗减少80%–比纯焚烧温度高，二次污染少•PCDDs、CO、HC、NOx、颗粒物•可燃气体二次燃烧–颗粒物量少–尾气处理简单等离子体矩空气空气空气增强裂解—医疗垃圾处理流程医疗垃圾进料机裂解炉二燃室降温/净化袋式除尘烟囱引风机空气等离子体炬飞灰渣空气水空气裂解/还原—化学品/电子废物•密度较大，炉膛增大数倍–还原气氛：裂解/还原–玻璃体/合金–工作温度高，处理费用较高–石墨电极、坩埚•特点–物料通过弧心，减少载气量–尾气量小，便于湿法处理–湿法净化•问题–玻璃体性质及有害物质捕集能力–尾气处理工艺化学品/电子废物处理流程化学品/电子破碎/进料等离子体弧炉净化燃烧室烟囱引风机污水处理玻璃体/合金氢中和剂造渣材料空气研究发展计划•技术、工艺路线优化的原则–根据处理对象设计工艺流程•实验室装置改进：多种工艺—后处理（气）•两种炉型：–还原气氛裂解中试炉•5t/d电子废物示范基地—中关村科技园区，核心设备150万•10t/d危废示范工程，全套设备研制600万–等离子体增强裂解•5t/d医疗废物—主要设备约100万•开发关键技术•配套技术借鉴成熟工业技术，加以集成•利用力学所已有的等离子体技术方面的积累•合作单位：–中科院生态中心—化工流程及环境监测–信息产业部电子工程设计院—电子废物处理规划–中关村科技园区—示范基地–企业—投资、推广–防化兵—小型化武结束语•有等离子体和焚烧方面工作基础•有危废处理经验（化武、医疗、电子）•有废物处理系统集成工程经验•针对三类废物的方案合理•分类处理的研究发展计划可行谢谢！