助熔物質對生活垃圾焚燒飛灰熔融特性的影響

文_孫進 譚欣 紀濤

1 天津大學環境科學與工程學院 2 天津壹鳴環境科技有限公司

垃圾在焚燒過程中不可避免產生飛灰，由于含有重金屬和二噁英等危險廢物，如不進行安全處置將對環境造成二次污染。目前，穩定化和固化是我國最常用的飛灰處理技術，最后都需運送至填埋場進行填埋處置。隨著現有填埋場庫容量的減少以及新建選址困難等難題的凸顯，促使新型式的飛灰資源化利用技術成為現階段我國研究和發展的重點。飛灰熔融資源化技術在歐、美、日已有廣泛的應用，在我國也勢必會有廣闊的應用前景和空間。

本文針對飛灰的主要成分，研究了不同助熔物質對飛灰熔融特性的影響規律，旨在推動飛灰熔融玻璃化資源利用技術在我國的發展提供基礎性研究。

1 材料和方法

1.1 采樣方法

飛灰的采樣和制樣按照HJ/T 20-1998《工業固體廢物采樣制樣技術規范》推薦的方法執行。采樣過程按容器的上、下位置進行分層采樣，且采樣數量不少于5個，飛灰最小采樣量＞1.0kg。制樣包括干燥、粉碎、篩分、混合及縮合等過程。首先將烘箱調節至104℃，加熱烘干至恒重。然后用粉碎機將飛灰粉碎，過100目篩，取篩下物（＜150μm）作為待檢樣品。最后采用圓錐四分法對飛灰進行縮分，重復操作，直至取到對應的最小樣品量。

1.2 分析及檢測方法

飛灰組分的分析方法參照GB/T 14506.28-2010《硅酸鹽巖石化學分析方法第28部分：16個主次成分量測定》，分析儀器采用日本理學公司的Rigaku ZSX100e型X射線熒光光譜分析儀（XRF）。氯的檢測參考GB/T3558-2014《煤中氯的測定方法》中艾氏卡混合劑熔樣-硫酸氫鉀滴定法。硫的檢測參考GB/T214-2007《煤中全硫的測定方法》。灰熔點測量參考GB/T219-2008《煤灰熔融性的測定方法》執行。

1.3 飛灰來源及成分

本文所用飛灰取自天津某生活垃圾焚燒發電廠，X射線熒光光譜分析結果如表1所示。CaO是飛灰中占最多的組分，占比到達46%；其次是Cl，占比22.52%；除CaO外，SiO2和Al2O3含量較低，總占比不足15%。

表1 飛灰主要成分 (%)

1.4 試驗方案

為了降低飛灰的熔融溫度，研究不同助熔物質的影響規律。添加物質分為兩類，一類為能形成玻璃態的物質，包括細河沙、無色玻璃和膨潤土，添加量為飛灰總質量的20wt%；另一類為傳統的助溶劑，包括B2O3（硼砂）、P2O5和CaF2（螢石），考慮價格因素添加量設定為飛灰總質量的5wt%。

2 結果與討論

2.1 玻璃物質對飛灰熔融特征溫度的影響

圖1為添加20wt%細河沙、無色玻璃和膨潤土時飛灰熔融特征溫度的變化規律。原灰的熔融特征溫度分別是變形溫度（DT）1340℃、軟化溫度（ST）1423℃、半球溫度（HT）1423℃和流動溫度（FT）1432℃。對比原灰熔融特征溫度，細河沙、無色玻璃和膨潤土都具有顯著助熔作用。細河沙的助熔效果最優，熔融特征溫度分別降低了340℃、166℃、165℃、152℃；無色玻璃次之，熔融特征溫度分別降低了340℃、102℃、101℃、102℃；膨潤土的助熔效果最低，熔融特征溫度分別降低218℃、129℃、101℃、86℃。

圖1 玻璃物質對飛灰熔融特征溫度的影響

2.2 助溶劑對飛灰熔融特征溫度的影響

圖2為添加5wt% B2O3、P2O5和CaF2時飛灰熔融特征溫度的變化規律。對比原灰，CaF2具有一定的助熔作用，而B2O3和P2O5的助熔作用不顯著，甚至還導致熔融特征溫度的升高。添加CaF2時，飛灰的熔融特征溫度分別降低了334℃、97℃、92℃、80℃；添加B2O3時，飛灰的變形溫度升高了30℃，其它特征溫度分別降低了25℃、29℃、31℃；添加P2O5時，飛灰的熔融特征溫度分別升高了30℃、13℃、9℃、4℃。

圖2 助溶劑對飛灰熔融特征溫度的影響

2.3 經濟性分析

表2為添加不同助熔物質時飛灰流動溫度下降的單位成本分析表。定義1t飛灰流動溫度下降1℃時購買助熔物質所需費用為單位成本。結果表明，玻璃物質助熔的單位成本遠遠低于助溶劑，細河沙的單位成本最低，膨潤土次之，無色玻璃的助熔成本接近1元，而最好助溶劑（螢石）的單位成本超過了3元。

表2 飛灰流動溫度下降的單位成本分析

3 結語

本文通過飛灰的熔融特性試驗得出主要結論如下：

①添加20wt%細河沙、無色玻璃和膨潤土都能有效降低飛灰的特征熔融溫度，助熔效果細河沙＞無色玻璃＞膨潤土。

②添加5wt%B2O3和CaF2能有效降低飛灰的特征熔融溫度，P2O5沒有助熔作用。

③從性價比考慮，推薦使用細河沙或膨潤土作為助溶物質。