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      危險廢物焚燒爐渣、飛灰理化特性研究及對前期配伍的思考

      2020-10-21 03:14:50張建平馬翠翠
      關(guān)鍵詞:灰渣熔點(diǎn)飛灰

      張建平 馬翠翠

      中國光大綠色環(huán)保有限公司 (江蘇蘇州 215101)

      關(guān)鍵字 危險廢物 焚燒 飛灰 爐渣

      危險廢物焚燒飛灰是危險廢物焚燒過程中收集于煙氣管道、煙氣凈化和除塵裝置等處的容重較輕、粒徑細(xì)小的粉體物質(zhì),其中含有大量水溶性鈉鹽、鉀鹽、鈣鹽,雖然其本身沒有毒性,但是水溶性鹽的存在,會對飛灰的無害化、資源化處理造成極大危害[1]。危險廢物爐渣是在危險廢物焚燒過程中產(chǎn)生的固體殘?jiān)?,爐渣中含有大量堿金屬元素(如鉀、鈉等)和堿土金屬元素(如鈣、鎂等),以它們的氧化物(SiO2、Al2O3、CaO、MgO 等)和鹽為主[2],還常夾帶少量重金屬及其他雜質(zhì),主要來自化工、制藥、制革等行業(yè)。目前國內(nèi)外對危險廢物焚燒飛灰和爐渣的處置常用方法有:(1)填埋。但填埋前必須進(jìn)行預(yù)處理,因此處理成本較高。在固化填埋后,水溶性鹽會進(jìn)入滲濾液中,不僅增加滲濾液處理成本,且得到的鹽泥無出路。(2)穩(wěn)定化/固化。主要有水泥固化、石灰固化、熔融固化、藥劑穩(wěn)定化等。(3)對殘?jiān)械挠袃r重金屬進(jìn)行資源化處理,如酸提取、堿提取、絡(luò)合劑提取、生物提取等[3]。(4)高溫?zé)崽幚?。但該過程中水溶性鹽存在諸多危害,一是其本身會揮發(fā),造成二次飛灰量大;二是起到氯化揮發(fā)的作用,將重金屬帶入二次飛灰中,嚴(yán)重腐蝕設(shè)備和侵蝕耐火材料等。目前的飛灰和爐渣處置工藝,污染問題依然存在:(1)在常溫穩(wěn)定化/固化填埋中,水溶性鹽會造成固化體開裂,導(dǎo)致重金屬浸出;(2)在高溫?zé)崽幚磉^程中,煙氣量比較大,而且二次飛灰量大、重金屬含量低,難以資源化綜合利用,只能填埋處置。

      在危險廢物焚燒的具體工藝實(shí)踐中,飛灰越多,對焚燒線二燃室及后序設(shè)備和煙道的腐蝕性越大,并且容易造成煙道堵塞,影響焚燒線的正常運(yùn)行,增加經(jīng)濟(jì)成本。通過對飛灰和爐渣的組分元素及熔融特性進(jìn)行研究,總結(jié)今后在危險廢物焚燒配伍工作中應(yīng)注意的事項(xiàng)。

      1 實(shí)驗(yàn)部分

      1.1 方法與材料

      危險廢物樣品、爐渣和飛灰樣品均取自中國光大綠色環(huán)保有限公司某危險廢物處置中心,該危險廢物處置中心年處置能力達(dá)4 萬t/a,處置的危險廢物種類幾乎包含《危險廢物名錄》(醫(yī)療廢物除外)中所有物質(zhì)。固體危險廢物樣品取自鏈板機(jī)上已混合均勻的廢料(過濾廢渣、污泥和廢漆渣),如圖1 所示。飛灰樣品分別取自余熱鍋爐和布袋處的飛灰,分別稱為余熱鍋爐飛灰和布袋飛灰。

      圖1 固體危險廢物形態(tài)

      1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

      ICAP 7000 電感耦合等離子發(fā)射光譜儀、ICS-600 離子色譜儀,賽默飛世爾科技公司;YX-HRD3000 灰熔點(diǎn)測定儀,長沙友欣儀器制造有限公司;DK-98-Ⅱ電熱恒溫水浴鍋,泰斯特儀器有限公司;DH6-924385-Ⅲ恒溫烘箱,上海圣科儀器設(shè)備有限公司;ZD-2 自動電位滴定儀,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;TCLP-10 自動翻轉(zhuǎn)振蕩器,昊德儀器設(shè)備有限公司。

      1.3 樣品預(yù)處理

      飛灰和爐渣的預(yù)處理按照GB 5086.1—1997《固體廢物 浸出毒性浸出方法 翻轉(zhuǎn)法》進(jìn)行;檢測用灰錐按照GB/T 219—1996《煤灰熔融性的測定方法》制備。

      2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

      2.1 化學(xué)元素及其含量測定

      為確定危險廢物焚燒后污染元素存在的部位,特對同一批次危險廢物的飛灰和爐渣取樣進(jìn)行元素分析,結(jié)果如表1 所示。

      從表1 可以看出:同一批廢料的爐渣、余熱鍋爐飛灰及布袋處飛灰的元素組成差別較大。爐渣中Ca元素含量(5.71%)最高,Al 元素含量(3.32%)、S 元素含量(1.02%)次之;而在鍋爐飛灰中,Ca 元素含量最高,為5.76%,S 元素含量占4.33%,氯元素含量1.67%;布袋飛灰中鹵族元素含量高達(dá)14.15%,其次為Ca 元素,含量為8.75%,Na 元素含量占5.54%??傮w來說,布袋飛灰中的有害元素含量最高,主要是因?yàn)榉贌に囍校ǔ2捎酶煞摿蚬に嚧_保煙氣中SOx達(dá)標(biāo)排放,而脫硫劑為石灰,并且在接近布袋時急冷塔出口處溫度在200 ℃左右,已經(jīng)被氣化的有害元素在該溫度下也會沉積下來形成飛灰。Cl 元素以NaCl 和KCl 等氯鹽的形式存在,800 ℃后部分氣化;Ca 主要以 CaO、CaCl2、CaSO4等形式存在;焚燒過程中氧量充足的條件下,0~1 000 ℃之間Na 元素的氧化產(chǎn)物為Na2O2,當(dāng)溫度高于1 000 ℃時氧化產(chǎn)物為Na2O。各類Pb 化合物的揮發(fā)率在相同溫度下均隨停留時間增加而上升,在相同停留時間下隨溫度升高而增大。950 ℃以下,Pb 的各類化合物的揮發(fā)率均低于76%,高于1 300 ℃時接近100%,其中PbCl2中 Pb 的揮發(fā)性最強(qiáng) ,PbS 、PbSO4和 PbO 中的Pb 在不同溫度下?lián)]發(fā)性各異,這也是表1 余熱鍋爐飛灰中Pb 含量最高的原因。

      表1 危險廢物焚燒爐渣、飛灰的元素及其質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

      2.2 TDS 及電導(dǎo)率測試

      TDS 即溶解固形物,又稱溶解性固體總量,它表明1 L 水中溶有多少毫克溶解性固體或1 g 固體物質(zhì)中含有多少克溶解性固體。因此,某種意義上講,溶解固形物的主要成分是可溶解于水的鹽類物質(zhì)。由于溶解于水的鹽類物質(zhì)屬于強(qiáng)電解質(zhì),在水溶液中基本上都電離成陰、陽離子,因此具有一定的導(dǎo)電性,而且電導(dǎo)率的大小與鹽的濃度成一定比例。一般情況下,電導(dǎo)率越高,TDS 越高,鹽分含量越高。爐渣、飛灰的TDS 及電導(dǎo)率情況如圖2 所示。

      圖2 爐渣、飛灰的TDS 及電導(dǎo)率圖

      從圖2 可以看到:布袋飛灰的TDS 及電導(dǎo)率值最高,余熱鍋爐飛灰其次,爐渣最低,即布袋飛灰中鹽分含量最高,余熱鍋爐飛灰次之,爐渣中鹽分含量最低。這是因?yàn)榉贌幹玫奈kU廢物中有機(jī)鹽類物質(zhì)含量較高,無機(jī)鹽類物質(zhì)含量較低。有機(jī)鹽類物質(zhì)中的污染元素S、Cl、Na 等在高溫燃燒分解后隨煙氣經(jīng)煙道在布袋處沉積下來,最終形成飛灰;密度較大的物質(zhì),如鈣鹽、硫酸鹽、磷酸鹽等,則會在較近的余熱鍋爐處沉積下來;含量較少且熔點(diǎn)較高的無機(jī)鹽類則留在爐渣中。在焚燒工藝中,理想結(jié)果是使鹽分盡可能多地沉積在爐渣中,這樣有幾點(diǎn)好處:一是可以減輕對煙道及二燃室的腐蝕;二是可以減少煙道堵塞頻次。

      2.3 灰熔點(diǎn)測試

      灰熔點(diǎn)又稱熔融性,是固體燃料中的灰分達(dá)到一定溫度以后,發(fā)生變形、軟化和熔融時的溫度,它與原料中灰分組成有關(guān),一般分軟化溫度(ST)、熔融性變形溫度(DT)、半球溫度(HT)、流動溫度(FT)幾個溫度點(diǎn)。由于危險廢物焚燒后的灰渣是各種物質(zhì)組成的混合物,因此其灰熔點(diǎn)不是一個固定的溫度,只是一個溫度范圍?;胰埸c(diǎn)與熱量沒有任何關(guān)系,其高低與爐渣、飛灰中的物質(zhì)組成有關(guān)。

      灰熔點(diǎn)測試按照GB/T 219—1996 進(jìn)行。應(yīng)用封碳法形成弱還原性氣氛,對樣品進(jìn)行熔融溫度(變形溫度、軟化溫度、半球溫度和流動溫度)的測定。圖3所示灰渣的4 個熔融特性溫度反映了危險廢物焚燒灰渣在焚燒過程中,隨溫度升高從三角形灰錐到鋪展成為流動薄層的過程。

      圖3 爐渣、飛灰的熔融特性圖

      表2 爐渣、飛灰的熔融特性溫度 ℃

      從圖3 和表2 可以看出:布袋處飛灰的軟化溫度最低,為700 ℃,余熱鍋爐處飛灰次之,爐渣的軟化溫度最高,為1 097 ℃。這是因?yàn)椴即庯w灰中可溶性鹽尤其是Na 鹽、K 鹽的相對含量較高,從前面元素分析及焚燒實(shí)際工藝過程可知:布袋飛灰中Na鹽、K 鹽大部分以其氯鹽的形式存在,而KCl 和NaCl 的熔點(diǎn)溫度分別是770和817 ℃。余熱鍋爐處飛灰比布袋處飛灰的熔融過程溫度稍高,這是由于在元素分析中余熱鍋爐飛灰鹵族元素及Na 元素較布袋飛灰含量要小,S 元素和Al 元素含量則相對較高,而S 元素主要是以硫酸鹽或亞硫酸鹽形式存在。從表2 還可以看出,爐渣整個熔融溫度相對都比較低。這是因?yàn)樵谖kU廢物中無機(jī)鹽或低熔點(diǎn)鹽的含量較低,大量的有機(jī)鹽元素在焚燒過程中被分解氧化后隨煙氣一起進(jìn)入到煙道形成飛灰。從嚴(yán)格意義上講,飛灰、爐渣的熔融溫度并沒有遵循一定的規(guī)律,這是因?yàn)轱w灰、爐渣組分復(fù)雜,各種元素交互錯雜、存在方式各異,如:Na、Ca 及 Fe 在富氧氣氛下會部分生成Na2O、CaO 和Fe2O3等氧化物,而Na2O 對危險廢物灰渣熔融溫度的影響比較顯著,會使其有不同程度的降低。在硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體中,增加Na2O這種堿金屬氧化物,其中的Na+會使硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂,這樣硅氧四面體[SiO4]4-會失去原有的完整性和對稱性,從而使得灰渣結(jié)構(gòu)疏松,熔融溫度降低[4-5]。CaO 對危險廢物灰渣熔融特性也有一定的影響,隨著CaO 含量的增加,灰渣熔融溫度會有一定程度的升高;對于煤灰,CaO 一般具有降低熔點(diǎn)的作用,在加熱過程中易與其他無機(jī)組分生成低共熔體,從而導(dǎo)致煤灰熔點(diǎn)降低[6-10]。對于含氟氯類危險廢物灰渣,共熔礦物體的熔融溫度比普通灰渣熔融溫度低,只能起到降低灰渣熔融溫度的作用。Fe2O3對熔融溫度的影響較為復(fù)雜,這是由于在弱還原性氣氛中,F(xiàn)e2O3高溫下可轉(zhuǎn)化為FeO,從而進(jìn)一步與SiO2、Al2O3等無機(jī)物反應(yīng)形成SiO2-Al2O3-FeO三元共晶物,使其熔點(diǎn)大大降低。研究表明:Fe2O3與CaO 可形成CaO-Fe2O3體系,而過量的Fe2O3也為低熔點(diǎn)物質(zhì)提供了存在的條件[12]。

      3 對危險廢物焚燒前端物料配伍的啟發(fā)及思考

      在危險廢物配伍中,物料中有害元素在進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯前存在的化學(xué)形式、與物料一起混合進(jìn)窯的其他元素種類及存在的化學(xué)形式、物料的形態(tài)及輔材的化學(xué)性質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)和成分等息息相關(guān)。合理的危險廢物焚燒配伍有助于危險廢物焚燒工況的穩(wěn)定,有利于延長耐火材料的壽命和焚燒設(shè)施的使用周期,從而可降低運(yùn)營成本。在實(shí)際的焚燒處置過程中,理想的危險廢物焚燒配伍是希望有害元素以穩(wěn)定態(tài)的形式富集在爐渣處,而不進(jìn)入煙道。因此,在前端進(jìn)行物料配伍時應(yīng)該注意以下幾點(diǎn):

      (1)對于較易揮發(fā)的元素、化學(xué)物質(zhì)和重金屬元素,可考慮添加輔材的方法。利用輔材的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或晶格缺陷等使其附著或鑲嵌在輔材中,從而提高其熔點(diǎn)溫度,隨輔材一起進(jìn)入爐渣中。

      (2)充分利用三元、四元相圖的理論基礎(chǔ),結(jié)合物料的實(shí)際化學(xué)組成并選擇合適的與之相配的廢料,盡量使其形成共熔物。

      (3)對易揮發(fā)性有害元素含量較高的廢料,最好進(jìn)行預(yù)處理,轉(zhuǎn)變廢料中各元素的化學(xué)存在形式,提高廢料中各原子、分子間結(jié)合的鍵能。

      4 結(jié)語

      危險廢物的焚燒工藝是一門較復(fù)雜的工藝,涉及到無機(jī)材料、有機(jī)材料、高分子材料和粉體材料等,只有將幾門基礎(chǔ)理論有機(jī)地結(jié)合起來才能有的放矢,做好危險廢物焚燒的工作。

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