飛灰熔融處理技術的探究

白 力

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

·固廢處理·

飛灰熔融處理技術的探究

白 力

（上海康恒環(huán)境股份有限公司，上海 201703）

概述了飛灰熔融技術，分析對比了高溫熔融各種熔融方法的原理、運行參數(shù)和費用，闡述了高溫熔融技術特點，并以電熱式熔融為例分析了建設投資和運行費用，綜合考慮飛灰高溫熔融技術的優(yōu)缺點的基礎上，指出該項技術的實施需謹慎。

垃圾焚燒；飛灰；熔融

焚燒灰渣熔融技術來源于冶金工業(yè)與玻璃工業(yè)，在高溫下熔融灰渣成為液體。因為灰渣的主要成分與硅酸鹽玻璃（CaO-SiO2-Al2O3）類似，所以熔融后能形成玻璃狀的熔渣。該技術因解決了飛灰二惡英污染問題，熔渣可以作為建筑骨材加以回收利用，而得到青睞。但是該技術高投資、高成本和潛在的二次污染帶來的風險也不容忽視。

1 飛灰熔融概述

熔融是利用燃料或電力加熱飛灰到熔融溫度，飛灰中的有機物發(fā)生熱分解、燃燒及氣化，而無機物則熔融成玻璃質(zhì)爐渣。由于飛灰熔融溫度高達1 300℃以上，二惡英完全分解，避免了飛灰二惡英污染。飛灰中的重金屬部分氣化進入煙氣，部分留在熔渣中。熔渣中的重金屬被熔融時形成的Si—O—Si網(wǎng)狀構造包含固化，形成極穩(wěn)定的玻璃質(zhì)，重金屬溶出量大大降低。飛灰經(jīng)過熔融后，密度增加，體積減至原來的1/3～1/2，減容作用明顯。由于熔渣的性質(zhì)穩(wěn)定，強度較高，可以作為路基材料，做到資源再利用。

2 高溫熔融分類

飛灰熔融按所耗能源的種類不同可以分為電熱式和燃料式，兩者各自按原理不同又可分為若干小類，每種熔融方法的原理、運行參數(shù)和費用詳見表1。從表1可以看出，飛灰熔融溫度高達1 200～1 800℃，因此需要大量能量用于加熱。電熱式熔融還存在電極消耗，需要定期更換。

表1 飛灰熔融技術比較

續(xù)表1 飛灰熔融技術比較

3 高溫熔融技術特點

3.1 鹽基度與熔流點

灰渣溫度必須在其熔流點以上才能熔融，高溫有利于熔融，增加熔融物的流動性，改善熔渣品質(zhì)，減少熔渣空隙和溶出毒性，有利于熔渣資源化利用。但是熔融溫度過高會損壞爐壁耐火磚、增加系統(tǒng)熱損失及輔助燃料消耗。

飛灰的宏量成分為CaO和SiO2，氧化物的熔點都很高（CaO為2 500℃、SiO2為1 710℃），但其共熔點溫度會降低，一般為1 200～1 400℃。飛灰的鹽基度定義為CaO/SiO2，當鹽基度為1時，飛灰熔融溫度最低。大多數(shù)國內(nèi)焚燒廠采用的半干法/干法煙氣處理產(chǎn)生的飛灰鹽基度為3～5，為減低熔流點，需要加入廢玻璃或石英砂。如要把鹽基度減低至1左右，需要加入SiO2的量為飛灰質(zhì)量的20%～40%。

3.2 灰渣配比與揮散率

在熔融的高溫下，飛灰中的低沸點重金屬和鹽類將逸散，產(chǎn)生熔融飛灰，如Na、K、Cd、Pb、Zn、Cl、S等元素均向煙氣中遷移，而殘留在熔渣中的元素僅為 Si、Al、Ca、Mg、Fe、Cr、P 等，逸散質(zhì)量與進爐飛灰質(zhì)量之比稱為揮散率。在高溫熔融時，飛灰的揮散失重率很高，當?shù)竭_熔流點時，揮散失重率已達25.5%，當溫度升至1 450℃時，揮散失重率高達90.8%。

為降低揮散率，減少二次飛灰產(chǎn)生量，可以采取飛灰和爐渣混合熔融的措施，實際運行中爐渣/飛灰混合比例為2∶1～4∶1。在日本，2002年以后完工運行的熔融工廠，絕大多數(shù)為電漿式熔融爐，無單獨處理機械爐排爐產(chǎn)生的飛灰實例，均為爐渣＋飛灰混合熔融。

表2為國外某灰渣熔融工廠的實驗數(shù)據(jù)。

表2 熔融灰渣比、熔融溫度與揮散率的關系

3.3 煙氣污染物濃度

熔融煙氣中的污染物主要為HCl、NOx和SOx。HCl來自飛灰中的揮發(fā)性Cl元素，NOx主要為熱NOx?？梢钥刂茽t內(nèi)氧氣分壓（相當于CO/CO2或H2/H2O，即氧化或還原環(huán)境），來控制煙氣中HCl和NOx含量。在氧氣分壓低的還原氣氛中，將抑制熔融煙氣的HCl和NOx濃度。

表3為國外某表面熔融回轉式熔爐單獨熔融爐渣時爐出口的煙氣濃度，可以看出，氧化環(huán)境下的煙氣NOx、SOx、HCl濃度分別高出還原環(huán)境下52.3%、11.0%、83.4%。

表3 煙氣濃度與氧化還原氣氛的關系 ×10-4%

表4為國外某電漿式和電阻式熔融爐除塵器出口煙氣濃度，飛灰單獨熔融，爐內(nèi)為還原氣氛，煙氣處理采用冷卻塔+干法+袋式除塵。電漿熔融爐的爐內(nèi)擾動性較大，煙氣溫度較高，鹽類物質(zhì)容易向煙氣側揮散，煙氣中HCl等酸性氣體濃度較高。電阻熔融爐的爐內(nèi)擾動性較小，加之飛灰覆蓋在熔融層上，產(chǎn)生隔絕效應，煙氣溫度較低，抑制鹽類物質(zhì)揮散，煙氣中HCl等酸性氣體濃度較低。

表4 煙氣濃度與爐型的關系 ×10-4%

3.4 重金屬在熔渣和二次飛灰中的遷移

Pb、Cd、Zn、Hg、Ag等重金屬的氧化物，其分解反應的氧平衡壓力較大，在爐內(nèi)易被還原成單質(zhì)，沸點較低，容易揮散進入煙氣；而Cu、Ni、Cr等則留在熔渣中。在還原環(huán)境中熔融時，Pb、Zn多被還原成金屬單質(zhì)，趨向于進入煙氣側，反之，在氧化環(huán)境中，其揮散性受到抑制。

表5為國外某表面熔融回轉式熔爐單獨熔融爐渣時重金屬濃度。表6為國外某電漿式熔融爐進行飛灰單獨熔融時的重金屬濃度。從表5、6可以看出，飛灰中的各種重金屬在熔渣和二次飛灰中以不同的比例遷移，由于濃縮效應，重金屬在二次飛灰中的濃度比原始飛灰高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍。

表5 重金屬在熔渣和二次飛灰中的分布（一） mg/kg

表6 重金屬在熔渣和二次飛灰中的分布（二） mg/kg

4 飛灰熔融處理的建設投資和運行費用

以電熱式熔融為例，據(jù)日本灰渣熔融工廠資料，電熱式熔融爐投資平均為人民幣377萬～484萬元/t。據(jù)我國臺灣地區(qū)灰渣熔融資料，電弧式熔融爐投資為人民幣198萬元/t，電漿式熔融爐投資為人民幣257萬元/t。

電熱式熔融爐的操作維護費用包括能耗、煙氣處理、二次飛灰處理、損耗件更換及定期維修，在日本約為人民幣995～2 096元/t，我國臺灣地區(qū)約為人民幣1 051～1 227元/t，如果加上折舊費則為1 391～1 567元/t。

5 討論

1）飛灰高溫熔融具備的優(yōu)點：①減容率高；②解決了二惡英污染問題；③熔渣穩(wěn)定性高，可以資源再利用。

2）飛灰高溫熔融存在的缺點：①飛灰高溫熔融產(chǎn)生的煙氣和二次飛灰污染物需要處理，而且產(chǎn)生比例和濃度均很大；②熔融前需要減低飛灰鹽基度并摻入爐渣混合熔融，以降低熔流點和揮散率；③單位投資大，能耗大，維護頻繁，運行費用高。

綜合考慮飛灰高溫熔融技術的優(yōu)缺點，該項技術的實施需謹慎。

Fly Ash Melting Treatment Technology

Bai Li
（Shanghai SUS Environment Co.Ltd.，Shanghai201703）

The technology of fly ash melting wasreviewed.The mechanism，operating parameters，cost and characteristics of all the high temperature melting technologies were compared.Taking electro-thermal melting as an example，the project construction investment as well as the operating cost was furthermore analyzed.Finally，it was pointed out that the electro-thermal melting technology should be applied into practice with caution，depending on itsadvantagesand disadvantages.

waste incineration；fly ash；melting

X705

A

1005-8206（2017）05-0022-03

2016-09-13

白力（1976—），碩士，高級工程師，主要從事環(huán)境工程技術研發(fā)和管理。

E-mail：baili@shjec.cn。