熱等離子體技術(shù)在飛灰熔融處理中的應(yīng)用

劉新，李哲，李娟娟

（1.浙江藍(lán)太能源工程有限公司，浙江 杭州 311215；2.浙江城建煤氣熱電設(shè)計(jì)院股份有限公司，浙江 杭州 310030；3.浙江聯(lián)運(yùn)知慧科技有限公司，浙江 杭州 311102）

0 引言

垃圾焚燒飛灰含有大量的重金屬和二噁英，屬于《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》所列的對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康具有毒性的危險(xiǎn)廢物。在溫度＞1 400 ℃時(shí)，飛灰中的固體顆粒會(huì)發(fā)生熱分解、熔融相變成為液態(tài)熔渣，然后快速冷卻形成致密的玻璃態(tài)熔渣，而飛灰中的SiO2會(huì)形成Si-O 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。飛灰中沸點(diǎn)較低的部分重金屬鹽發(fā)生氣化，剩余的重金屬則被固化到Si-O 四面體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的玻璃態(tài)熔渣中。熔渣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，重金屬固化效果好，浸出毒性低。飛灰經(jīng)熔融處理，不僅可實(shí)現(xiàn)減量化、無(wú)害化，而且其玻璃態(tài)熔渣可作為路基、建材和陶瓷等原料，實(shí)現(xiàn)廢物的資源化利用。

熱等離子體含有大量活性極強(qiáng)的粒子，焓值高、能量密集。采用電弧放電時(shí)，熔融溫度可達(dá)到1 500～2 000 ℃，非常適用于垃圾焚燒灰渣的熔融處理。國(guó)外在利用等離子體熔融技術(shù)處理危險(xiǎn)廢物方面已經(jīng)成功工業(yè)化。與國(guó)外相比，我國(guó)等離子體危廢熔融處理技術(shù)起步較晚，目前仍然處于研究和試驗(yàn)階段。

1 熱等離子體的作用機(jī)理及影響因素

1.1 熱等離子體的作用機(jī)理及系統(tǒng)組成

目前，應(yīng)在飛灰熔融處理中的熱等離子體技術(shù)主要是以直流等離子體作為熱源，即直流電弧等離子體。通過等離子體噴槍產(chǎn)生電弧，后加熱空氣與燃?xì)獾幕旌蠚庑纬筛邷氐入x子體。該系統(tǒng)主要由進(jìn)料系統(tǒng)、等離子熔融爐體、等離子體電弧系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、二次燃燒室、煙氣凈化及排放系統(tǒng)、熔渣排除系統(tǒng)等組成。

其系統(tǒng)流程主要為垃圾焚燒飛灰進(jìn)入等離子體熔融爐體，爐內(nèi)等離子體電弧系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫使飛灰中的有機(jī)成分熱解氣化，隨后熱解氣進(jìn)入二次燃燒室，滯留時(shí)間約＞2 s，完全燃燒轉(zhuǎn)化成CO2及H2O，最后再進(jìn)入煙氣凈化系統(tǒng)，處理后排放。飛灰熔融生成的熔渣通過鍋爐底部的排渣口排出。

1.2 影響因素

1.2.1 熔融溫度的影響

飛灰玻璃體的形成對(duì)熔融溫度有一定的要求。溫度越高，物料融化速度越快，玻璃化過程時(shí)間越短。

熔融溫度影響重金屬的傳質(zhì)效率，但對(duì)不同重金屬的固化效果由很大的差異。陳冬梅的研究表明，Cr 和Pb 對(duì)溫度較為敏感，隨著溫度的升高，固化率整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，Ni 對(duì)溫度的變化不敏感。

在垃圾焚燒處理中，熔融相中的Cl 的占比約20%，主要是以NaCl 和KCl 的形式存在，其余氯化物形式較少。NaCl 和KCl 的氣化溫度分別為1 465 ℃和1 420 ℃。因而，熔融溫度也影響飛灰熔融的減重率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著熔融溫度的升高，飛灰的減重效果也相應(yīng)增加。在1 500 ℃下，熔融飛灰的減重率可達(dá)到40%。

2.2.2 添加劑的影響

飛灰熔融得到的玻璃體主要由Ca、Si、Al 和O 元素組成。CaO 是制備玻璃的穩(wěn)定劑，能增強(qiáng)玻璃的流動(dòng)性和結(jié)晶速率；SiO2在玻璃體中以SiO4四面體的形式存在，是玻璃體的基本骨架；Al2O3在玻璃體中以AlO4鋁氧四面體形式存在，與SiO4組成統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，使玻璃體更加致密，減少結(jié)構(gòu)中的斷網(wǎng)。

胡明等的實(shí)驗(yàn)研究表面，飛灰、底渣和20%wt.的添加劑（主要成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、硼酸） 混合熔融處理后，熔渣的結(jié)構(gòu)更加致密，整體均勻性良好。但當(dāng)添加劑比例＞20%wt.后，熔渣粘度增大幅度較大，流動(dòng)性差，不利于排渣，因此添加劑比例一般≤20%wt.。王勤等的研究也表明，SiO2和CaO 的添加都可以改善重金屬的固化效果。當(dāng)SiO2和CaO 的添加比例為20%wt.時(shí)，熔渣中重金屬的總體固化效果最佳。另外，SiO2的添加可以改善熔渣中重金屬的浸出特性，而CaO 的作用與之相反。

1.2.3 氧硅比的影響

玻璃體的主體結(jié)構(gòu)為硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,與2 個(gè)硅原子連接的氧稱為“橋氧”,連接硅原子與金屬離子的氧稱為“非橋氧”。當(dāng)硅氧四面體中非橋氧數(shù)＞2 時(shí),硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以四面體鏈或孤體為主,導(dǎo)致熔體黏性系數(shù)下降,冷卻過程中容易形成晶體結(jié)構(gòu)。定義氧硅比為氧原子與硅原子的比值R=O/Si,氧硅比R 反應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的非橋氧數(shù),可以作為衡量玻璃體形成的參數(shù)。

李要建的玻璃體形成理論分析中指出，以SiO2為網(wǎng)絡(luò)形成劑的玻璃體形成條件為2＜R＜3。張金龍等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，氧硅比在2～3 之間的樣品都形成了玻璃體，氧硅比＞3 的樣品都沒有形成玻璃體。堿基度對(duì)玻璃體的形成沒有明顯的規(guī)律，堿基度的變化影響到氧硅比，所以會(huì)影響玻璃體的形成，但不能衡量玻璃體的形成。陳冬梅也通過實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于只添加玻璃粉的樣品，在氧硅比＞3時(shí)，熔融處理未形成玻璃體熔渣。但對(duì)于添加玻璃粉和Al2O3的樣品，熔融處理后，也可以形成玻璃體熔渣，但效果沒有氧硅比≤3 的好。

2 熔渣資源化利用評(píng)估

2.1 無(wú)害化

含重金屬的焚燒飛灰經(jīng)等離子體熔融處理后，僅少部分重金屬揮發(fā)至煙氣中，大部重金屬被包裹在玻璃體熔渣中。有研究表明，經(jīng)高溫等離子體熔融處理后，飛灰熔融產(chǎn)生的玻璃體熔渣和爐底熔渣重金屬浸出毒性遠(yuǎn)低于原始焚燒飛灰和危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)。

另外，由于等離子體高能的特性，等離子體熔融可以將灰渣中的二噁英類物質(zhì)等具有毒性的17種同系物全部不同程度的分解，一些可達(dá)到使其殘留濃度低于檢測(cè)值的效果。

2.2 減量化

等離子體熔融處理可實(shí)現(xiàn)飛灰的減量化，有研究表明，等離子體熔融玻璃體殘?jiān)鼉H為原灰渣體積的1/4，且結(jié)構(gòu)更加致密無(wú)空隙，整體具有良好的均一性。

2.3 資源化評(píng)估

晏振輝對(duì)比了危險(xiǎn)廢物玻璃熔渣與常見路基替代材料中的重金屬總量及浸出量，發(fā)現(xiàn)其浸出遠(yuǎn)低于常見替代路基材料，因此用于替代路基鋪路時(shí)風(fēng)險(xiǎn)可控。

3 結(jié)論

（1） 相比其他熔融爐，等離子熔融爐具有爐內(nèi)能量密集，熱損失??；二次飛灰量小；應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的市場(chǎng)前景。但在國(guó)內(nèi)，等離子體熔融技術(shù)仍處于技術(shù)示范階段，尚未取得大規(guī)模的應(yīng)用。

（2） 等離子體飛灰熔融煙氣中Cl-含量較高，Cl-對(duì)于反應(yīng)爐壁面有比較強(qiáng)的腐蝕效果。如何消除Cl-帶來的不利影響，是亟需解決的問題。

（3） 等離子體熔融技術(shù)處理飛灰耗能高，經(jīng)濟(jì)性較差，阻礙了其工業(yè)化的進(jìn)度。融合多種工藝技術(shù)，開發(fā)“等離子體+”技術(shù)或許可以在一定程度上加快其工業(yè)化進(jìn)展，如多種危險(xiǎn)廢物處理技術(shù)聯(lián)合使用；采用新能源；混合多級(jí)等離子體矩等。