等離子體熔融固化垃圾焚燒飛灰技術(shù)的分析

文_汪嘉濤 吳則江 黃成賢 中節(jié)能（象山）環(huán)保能源有限公司

1 垃圾焚燒飛灰處置現(xiàn)狀

由于垃圾焚燒飛灰含有能被水易于浸出的較高濃度的Cd、Pb、Zn以及Cr等多種有害重金屬物質(zhì)和可溶性鹽類，同時二噁英和呋喃等有機(jī)污染物也將在飛灰中富集存在，這些物質(zhì)的存在使飛灰具有一定的污染特性，《國家危險廢物名錄》將垃圾焚燒飛灰規(guī)定為危險廢物。

常規(guī)的飛灰處置方法有固化、填埋、藥劑穩(wěn)定化處理等技術(shù)，均存在潛在的環(huán)境危害性、占地面積大等缺點，最終不能達(dá)到資源化處理。而等離子體熔融技術(shù)提供的高溫環(huán)境可以有效使飛灰中的二噁英和呋喃等有機(jī)污染物被徹底降解，飛灰經(jīng)高溫熔融再進(jìn)行冷卻變成玻璃熔渣，其高沸點重金屬被固化在熔渣中，低沸點重金屬則揮發(fā)成氣體被捕集，同時飛灰熔融后形成的熔渣體積減少到原來的1/3左右，且可作為路基、水泥熟料、陶瓷等原料。

目前國內(nèi)大多數(shù)垃圾焚燒企業(yè)仍采用穩(wěn)定化+填埋或水泥窯協(xié)同處置的方式處理飛灰，僅有少數(shù)企業(yè)開始嘗試應(yīng)用等離子體熔融技術(shù)處理飛灰。

2 等離子體熔融系統(tǒng)

以浙江大學(xué)的能源清潔利用國家重點實驗室研發(fā)的雙陽極直流熱等離子體熔融爐為例來介紹熱等離子熔融系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)由雙陽極熱等離子體噴槍、直流電源組U1和U2、密封熔融爐、水冷系統(tǒng)、載氣和洗氣裝置等6個部分組成，核心裝置是置于爐膛頂部的直流雙陽極噴槍，它區(qū)別于常見的等離子噴槍，沿著陰極軸線分布有2個陽極，在工作時各有1組電源加載運行。雙陽極結(jié)構(gòu)可以起到增長和穩(wěn)定電弧、提高電弧強(qiáng)度和減小電弧工作噪音的作用。在2個陽極和陰極這3個噴槍的關(guān)鍵部件上均布有一路水冷循環(huán)，以減緩噴槍的高溫腐蝕，從而確保噴槍的穩(wěn)定工作和延長使用壽命。電弧的宏觀溫度可以達(dá)到1400～1500℃，滿足熔融垃圾焚燒飛灰的要求。

加載在等離子噴槍上的電源為經(jīng)由三相交流電整流得到的直流電源，主要工作參數(shù)為U1的空載電壓為45V，輸出電流為50～215A；U2的空載電壓為85V，輸出電流為50～215A。等離子體的工作氣體主要為氬氣、氮氣或氬氮混合氣體，流量通過由氣體質(zhì)量流量控制器（D07-9E/ZM）和流量顯示儀（D08－8C/ZM）組成的氣控裝置調(diào)節(jié)，在工作時氣體體積流量為10～20L/min。

該系統(tǒng)用于飛灰熔融時的工作載氣為氬氣，體積流量為10～15L/min，U1的工作電壓約為10V，輸出電流約為100A；U2的工作電壓約為50V，輸出電流約為100A。

3 工藝流程

熱等離子熔融垃圾焚燒飛灰處置系統(tǒng)一般包括飛灰預(yù)處理系統(tǒng)、熱等離子熔融系統(tǒng)和煙氣處理系統(tǒng)。

3.1 飛灰儲存?zhèn)}、第一定量給料機(jī)、造粒機(jī)和分格輪

飛灰儲存?zhèn)}的出口與第一定量給料機(jī)的入口連接；第一定量給料機(jī)的出口與造粒機(jī)的第一入口連接，造粒機(jī)的出口與分格輪的入口連接，分格輪的出口與熔融反應(yīng)爐的進(jìn)料口連接。飛灰預(yù)處理系統(tǒng)還包括添加劑儲存?zhèn)}、第二定量給料機(jī)；添加劑儲存?zhèn)}的出口與第二定量給料機(jī)的入口連接，第二定量給料機(jī)的出口與造粒機(jī)的第二入口連接。由于第一定量給料機(jī)和第二定量給料機(jī)分別與造粒機(jī)的第一入口和第二入口連通，第一定量給料機(jī)將一定量的飛灰輸送到造粒機(jī)內(nèi)，第二定量給料機(jī)將一定量的二氧化硅添加劑輸送到造粒機(jī)內(nèi)，飛灰和氧化硅添加劑按照一定比例混合均勻，可促進(jìn)飛灰熔融玻璃體的形成，加速造粒機(jī)進(jìn)行造粒，這樣的設(shè)計可有效解決飛灰輸送過程中隨空氣擴(kuò)散以及飛灰在熱等離子裝置內(nèi)隨煙氣擴(kuò)散至煙氣處理系統(tǒng)等問題。

3.2 熱等離子噴槍、金屬熔池

熔融反應(yīng)爐內(nèi)部的頂端設(shè)置有熱等離子噴槍，內(nèi)部的底端設(shè)置有金屬熔池。熔融反應(yīng)爐上設(shè)置有進(jìn)料口、玻璃渣排放口、金屬渣排放口和煙氣排放口，進(jìn)料口與飛灰預(yù)處理系統(tǒng)的出料口連通，玻璃渣排放口通過管道與水冷槽的熔渣入口連接，金屬渣排放口通過管道與金屬合金儲存罐入口連接。飛灰顆粒在高溫環(huán)境下形成熔融液，飛灰中二噁英等有害成分被降解，重金屬被溶出并回收利用，熔融液流入水冷槽內(nèi)，通常采用流動冷水快速冷卻以迅速降低玻璃態(tài)物質(zhì)的溫度，有效抑制重金屬離子的析出，飛灰熔融液經(jīng)水冷槽冷卻后形成玻璃熔渣。

3.3 二次燃燒室、急冷塔和布袋除塵器

二次燃燒室的煙氣入口與熔融反應(yīng)爐的煙氣排放口連通，二次燃燒室用于將熔融反應(yīng)爐排出煙氣中的CO和CH4去除；二次燃燒室的氣體排出口與急冷塔的進(jìn)氣口連通，急冷塔用于將進(jìn)入到水冷塔內(nèi)的煙氣快速降溫；急冷塔的排氣口與布袋除塵器的進(jìn)氣口連通，布袋除塵器用于將煙氣中的二次飛灰及顆粒物捕集。其中，二次燃燒室內(nèi)的溫度大于等于1100℃，急冷塔將二次燃燒室內(nèi)排出的煙氣溫度降低至200℃以下。二次燃燒室內(nèi)的溫度至少為1100℃，用過高溫將熔融反應(yīng)爐排出煙氣中的CO和CH4去除，經(jīng)二次燃燒室內(nèi)處理過的煙氣進(jìn)入到急冷塔內(nèi)，急冷塔將煙氣的溫度降低，在使煙氣進(jìn)入到布袋除塵器內(nèi)，以使煙氣中的煙氣中的二次飛灰及顆粒物被吸附。

3.4 噴淋吸收塔

布袋除塵器的煙氣出口與噴淋吸收塔的煙氣入口連接；噴淋吸收塔包括：循環(huán)泵、堿池和霧化噴頭，霧化噴頭設(shè)置在所述噴淋吸收塔主體內(nèi)部的頂端，循環(huán)泵的進(jìn)口通過管道與堿池的出口連接，循環(huán)泵的出口通過管道與霧化噴頭連接，霧化噴頭噴灑堿液與煙氣充分接觸以吸收煙氣含有的酸性氣體。其中，堿液可以為NaOH，煙氣中的酸性氣體一般為HCL、SO2酸性氣體，霧化噴頭的朝向可以為和煙氣的流向相同也可與煙氣的流向相反。煙氣進(jìn)入到噴淋吸附塔內(nèi)，霧化噴頭將堿液進(jìn)行噴灑，以使堿液充分的接觸，且循環(huán)泵持續(xù)地為霧化噴頭提供堿液，可使煙氣中的酸性氣體中和。

3.5 活性炭吸附塔和煙囪

活性炭吸收塔的煙氣入口與噴淋吸收塔的煙氣出口連接，活性炭吸附塔用于吸收煙氣中微量的揮發(fā)性重金屬及微量的二噁英；活性炭吸附塔的煙氣出口與煙囪的煙氣入口連接，煙氣經(jīng)煙囪的煙氣出口排入大氣中。噴淋塔與活性炭吸附塔和煙囪連通，因此煙氣經(jīng)過多次分級處理使煙氣尾氣中的顆粒物、揮發(fā)性重金屬、酸性氣體、二噁英等有害物質(zhì)均被吸附或中和，整個過程均采用全封閉處理，直至凈化達(dá)到相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)后經(jīng)引風(fēng)機(jī)和煙囪排入大氣中，有效避免了對環(huán)境的二次污染。

4 結(jié)論

①等離子體熔融技術(shù)處理溫度高，環(huán)保處理效果徹底，無二次污染；反應(yīng)器尾氣量少，便于潔凈處理，徹底分解二噁英；無機(jī)組份可形成玻璃體，杜絕重金屬離子污染水土；設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積少，設(shè)備高度低，可減少廠房建設(shè)成本。

②當(dāng)飛灰熔融時，二氧化硅和氧化鈣的添加均可以改善熔渣中重金屬的固化效果。相比于飛灰中的晶體結(jié)構(gòu)，熔渣的無定形玻璃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更有利于抑制重金屬的浸出。熔渣的浸出特性均得到了明顯改善，且重金屬浸出質(zhì)量濃度都遠(yuǎn)低于毒性標(biāo)準(zhǔn)，熔渣在重金屬毒性上已達(dá)到無害化的標(biāo)準(zhǔn)，在周圍環(huán)境中具有極高的穩(wěn)定性和安全性。在后續(xù)研究中，如基于飛灰熔渣的無定形玻璃結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，可將熔渣作為基礎(chǔ)玻璃，研究利用熔渣燒制機(jī)械性能優(yōu)良的微晶玻璃，以實現(xiàn)飛灰的資源化利用。