熱等離子體技術在飛灰熔融處理中的應用

劉新，李哲，李娟娟

（1.浙江藍太能源工程有限公司，浙江 杭州 311215；2.浙江城建煤氣熱電設計院股份有限公司，浙江 杭州 310030；3.浙江聯運知慧科技有限公司，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《國家危險廢物名錄》所列的對生態環境和人體健康具有毒性的危險廢物。在溫度＞1 400 ℃時，飛灰中的固體顆粒會發生熱分解、熔融相變成為液態熔渣，然后快速冷卻形成致密的玻璃態熔渣，而飛灰中的SiO2會形成Si-O 網狀結構。飛灰中沸點較低的部分重金屬鹽發生氣化，剩余的重金屬則被固化到Si-O 四面體網狀結構的玻璃態熔渣中。熔渣結構穩定，重金屬固化效果好，浸出毒性低。飛灰經熔融處理，不僅可實現減量化、無害化，而且其玻璃態熔渣可作為路基、建材和陶瓷等原料，實現廢物的資源化利用。

熱等離子體含有大量活性極強的粒子，焓值高、能量密集。采用電弧放電時，熔融溫度可達到1 500～2 000 ℃，非常適用于垃圾焚燒灰渣的熔融處理。國外在利用等離子體熔融技術處理危險廢物方面已經成功工業化。與國外相比，我國等離子體危廢熔融處理技術起步較晚，目前仍然處于研究和試驗階段。

1 熱等離子體的作用機理及影響因素

1.1 熱等離子體的作用機理及系統組成

目前，應在飛灰熔融處理中的熱等離子體技術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生電弧，后加熱空氣與燃氣的混合氣形成高溫等離子體。該系統主要由進料系統、等離子熔融爐體、等離子體電弧系統、空氣供給系統、二次燃燒室、煙氣凈化及排放系統、熔渣排除系統等組成。

其系統流程主要為垃圾焚燒飛灰進入等離子體熔融爐體，爐內等離子體電弧系統產生的高溫使飛灰中的有機成分熱解氣化，隨后熱解氣進入二次燃燒室，滯留時間約＞2 s，完全燃燒轉化成CO2及H2O，最后再進入煙氣凈化系統，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，玻璃化過程時間越短。

熔融溫度影響重金屬的傳質效率，但對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 對溫度較為敏感，隨著溫度的升高，固化率整體呈現增大的趨勢，Ni 對溫度的變化不敏感。

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。實驗結果表明，隨著熔融溫度的升高，飛灰的減重效果也相應增加。在1 500 ℃下，熔融飛灰的減重率可達到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 是制備玻璃的穩定劑，能增強玻璃的流動性和結晶速率；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組成統一網絡，使玻璃體更加致密，減少結構中的斷網。

胡明等的實驗研究表面，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，熔渣的結構更加致密，整體均勻性良好。但當添加劑比例＞20%wt.后，熔渣粘度增大幅度較大，流動性差，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SiO2和CaO 的添加比例為20%wt.時，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

玻璃體的主體結構為硅氧網絡結構。在硅氧網絡結構中,與2 個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”。當硅氧四面體中非橋氧數＞2 時,硅氧網絡結構以四面體鏈或孤體為主,導致熔體黏性系數下降,冷卻過程中容易形成晶體結構。定義氧硅比為氧原子與硅原子的比值R=O/Si,氧硅比R 反應了網絡結構中的非橋氧數,可以作為衡量玻璃體形成的參數。

李要建的玻璃體形成理論分析中指出，以SiO2為網絡形成劑的玻璃體形成條件為2＜R＜3。張金龍等的實驗結果表面，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。堿基度對玻璃體的形成沒有明顯的規律，堿基度的變化影響到氧硅比，所以會影響玻璃體的形成，但不能衡量玻璃體的形成。陳冬梅也通過實驗證明，對于只添加玻璃粉的樣品，在氧硅比＞3時，熔融處理未形成玻璃體熔渣。但對于添加玻璃粉和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 熔渣資源化利用評估

2.1 無害化

含重金屬的焚燒飛灰經等離子體熔融處理后，僅少部分重金屬揮發至煙氣中，大部重金屬被包裹在玻璃體熔渣中。有研究表明，經高溫等離子體熔融處理后，飛灰熔融產生的玻璃體熔渣和爐底熔渣重金屬浸出毒性遠低于原始焚燒飛灰和危險廢物鑒別標準。

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等具有毒性的17種同系物全部不同程度的分解，一些可達到使其殘留濃度低于檢測值的效果。

2.2 減量化

等離子體熔融處理可實現飛灰的減量化，有研究表明，等離子體熔融玻璃體殘渣僅為原灰渣體積的1/4，且結構更加致密無空隙，整體具有良好的均一性。

2.3 資源化評估

晏振輝對比了危險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，發現其浸出遠低于常見替代路基材料，因此用于替代路基鋪路時風險可控。

3 結論

（1） 相比其他熔融爐，等離子熔融爐具有爐內能量密集，熱損失??；二次飛灰量小；應用范圍廣等優點，具有較好的市場前景。但在國內，等離子體熔融技術仍處于技術示范階段，尚未取得大規模的應用。

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

（3） 等離子體熔融技術處理飛灰耗能高，經濟性較差，阻礙了其工業化的進度。融合多種工藝技術，開發“等離子體+”技術或許可以在一定程度上加快其工業化進展，如多種危險廢物處理技術聯合使用；采用新能源；混合多級等離子體矩等。