生活垃圾焚燒飛灰冷頂電熔融技術應用探究＊

劉天璐，張艷春，劉 強，秦 謀，李 浩，張 君

（1.中國雄安集團生態建設投資有限公司，河北 保定 071700；2.北京環衛集團房山有限公司，北京 102400）

1 工程背景概述

近年來，我國生活垃圾處理能力不斷提高，焚燒處理由于減量化效果好和資源利用率高等優勢已成為垃圾處理的主流工藝之一。根據國家統計局數據，2021 年我國運行的生活垃圾焚燒無害化處理廠有583 座，日處理能力為7.195 33×105t/d，總處理量可達1.801 97×108t，以全國生活垃圾清運量2.486 92×108t 為基數，則焚燒無害化處理率約為72.46%［1］。采用爐排爐技術的生活垃圾焚燒爐產生的原始飛灰約為垃圾焚燒量的2%～5%，采用循環流化床技術的生活垃圾焚燒爐產生的原始飛灰約為垃圾焚燒量的8%～13%［2］。根據GB 18485—2014 生活垃圾焚燒污染控制標準的有關規定，垃圾焚燒飛灰屬于危險固體廢物，必須進行穩定化處理，將其對環境和人體造成的威脅降到最低后方可進行最終處置。因此，如何處置垃圾焚燒飛灰成為了亟需解決的重要課題。

1.1 國內外飛灰固化和穩定化技術

目前國內外已有的生活垃圾焚燒飛灰固化和穩定化處理工藝主要有3 種。

一是水泥窯處置法，即對飛灰進行專業的水洗處理，再通過壓濾烘干，最后將分離后的飛灰送入水泥窯煅燒。由于飛灰中的氯元素會降低水泥的硬度和強度，故水泥熟料生產工藝控制要求決定協同處理飛灰的摻混百分比［3］。水洗產生的高濃度無機鹽廢水必須經過處理去除其中的氯化物和重金屬，一般采用化學沉淀法去除水洗液中的重金屬成分，采用反滲透、蒸發結晶、電滲析等方法去除飛灰水洗液中的氯鹽［4］。Yan 等［5］通過研究將飛灰水洗液蒸發結晶產生的結晶鹽與KCl和LiCl 按照最佳混合比制成的儲能材料顯示出良好的熱穩定性。

二是藥劑螯合固化穩定化技術，即通過物理化學反應將有毒有害物質轉變為低溶解性、低遷移性和低毒性物質進行分區填埋，這是目前國內飛灰處理的主流工藝技術。這種技術一方面由于增加了螯合藥劑等，未達到減容減量的目的；另一方面隨時間推移螯合物中部分有毒有機物可能會逐漸溶出，對環境存在長期的、潛在的威脅［6］。Sun 等［2］研究了飛灰中潛在有毒元素在水泥基質中的化學吸附、共沉淀、陽離子置換和物理包封等固化機制，發現飛灰中的氯化物、硫酸鹽和有毒元素初始含量對水合反應有顯著影響；討論了鋁酸鈣水泥、鎂基水泥以及堿活性水泥這類新型水泥基螯合劑的固化優勢，提出將城市固體廢物焚燒飛灰轉化為環保建筑材料是一個很有前景的方式，符合全球可持續發展目標。

三是熱處理技術，包括燒結、熔融和玻璃固化法。因為灰渣的主要成分與硅酸鹽類似，故參照冶金和玻璃工業技術，飛灰處理形成玻璃狀的熔渣，經鑒定后可作為建筑骨材加以回收利用［7］。燒結法是指粉末顆粒在低于熔點溫度下，受熱將晶體中的氣體排出，粉末顆粒因此黏結呈致密堅硬的燒結體［8］。熔融和玻璃固化法是利用高溫使固體廢物中的有機物質（含毒性、腐蝕性、傳染性物質）裂解氣化為可燃合成氣（主要成分為CO、H2）、無機物質（含礦物質、重金屬類物質）高溫熔融為玻璃態物質并回收利用［9］。其中國內外飛灰熔融技術主要有3 種：①電阻灰熔融爐，以日本JFE 三相交流灰熔融技術和IHI 直流電阻灰熔融技術為代表；②燃料式灰熔融爐，以日本日立造船株式會社早期的柴油熔融爐和大同特殊鋼火焰式灰熔融技術為代表；③電弧爐，以日本大同特殊鋼電弧熔煉技術、日立造船雙電極等離子體電弧灰熔融爐和英國Tetronics 灰熔融技術為代表［10］。

在上述固化和穩定化技術中，熔融固化技術對能源和投入的需求高、對殘渣的減容率高、固化效果好。我國飛灰熔融技術仍然處于研發階段，已經有很多研究團隊開展近工業化試驗，但有許多技術難點亟需突破，目前尚無工程化穩定運行的報道［11］。

1.2 我國飛灰資源化利用政策及現狀

隨著城市周邊填埋場用地緊張和“無廢城市”的大力推進，飛灰的“出路”問題嚴重制約生活垃圾焚燒產業的健康發展。2020 年7 月，國家發展改革委、住房城鄉建設部、生態環境部聯合印發《城鎮生活垃圾分類和處理設施補短板強弱項實施方案》，提出加快建設焚燒飛灰處置設施，其中京津冀及周邊、長三角、粵港澳大灣區、長江經濟帶、黃河流域等重點區域要綜合考慮各因素跨區域布局建設飛灰協同處置設施，要探索推動符合條件的飛灰危險廢物豁免管理。2020 年8 月，生態環境部發布HJ 1134—2020 生活垃圾焚燒飛灰污染控制技術規范（試行），作為指導性標準，該技術規范規定了生活垃圾焚燒飛灰收集、貯存、運輸、處理和處置過程的污染控制技術要求，首次對探索飛灰熔融處理提出了要求。2021 年5 月，國家發展改革委、住房城鄉建設部聯合印發《“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃》，提出鼓勵有條件的地區開展飛灰熔融處理技術應用。2022 年1 月，國家發展改革委同生態環境部等3 部委研究制定《關于加快推進城鎮環境基礎設施建設的指導意見》并報國務院辦公廳轉發實施，明確提出要加快提高焚燒飛灰、滲濾液、濃縮液、填埋氣、沼渣、沼液處理和資源化利用能力。2023 年5 月，生態環境部聯合國家發展改革委印發《危險廢物重大工程建設總體實施方案（2023—2025 年）》，提出要在全國統籌布局建設一批以飛灰等為重點的區域性特殊危險廢物集中處置中心。

為進一步推動飛灰資源化利用，各地在“無廢城市”建設過程中積極探索，大幅減少飛灰等危險廢物填埋處置量，為此飛灰熔融技術越來越得到重視。本項目研究對象位于京津冀地區某生活垃圾處理設施，該處理設施安裝1 臺10 t/d 生活垃圾焚燒飛灰電熔融設備。本研究對該項目飛灰電熔融設備試運營經驗進行總結，以期為后續新建或在建的飛灰熔融技術應用設備提供基本數據，從而為我國探索飛灰熔融技術應用提供實戰經驗。

2 工藝流程與設計參數

2.1 冷頂電熔融技術原理

在常溫下一般玻璃是絕緣材料，玻璃的電導率隨著溫度的升高而增大。一般玻璃的電阻率在常溫下為1011～1012Ω·m，而在熔融狀態下為10-2～10-3Ω·m。在高溫下熔融玻璃成為一種電導體，其中的金屬鈉離子、鉀離子等在電流通過時發生離子遷移產生焦耳熱，這就是玻璃電熔融技術。

本研究中的冷頂熔融爐是將飛灰與石英砂或碎玻璃混勻，調節飛灰中的硅、鈣、鋁及形成體成分的含量，使其滿足玻璃化學反應的組成要求。采用玻璃電熔融技術在高溫1 000～1 300 ℃對飛灰進行熔融處理，飛灰中的有機物發生熱分解被破壞，無機物中的SiO2在熔融處理后形成Si-O 網狀結構，把飛灰中重金屬包封固化在網狀結構中，形成具有剛性的非晶態玻璃物質。玻璃液面覆蓋1層生料，上部空間溫度約為70～170 ℃，即所謂的冷頂。熔化的產物在重力條件下形成分層，由排放口流出，玻璃體產物組成均勻，玻璃態熔渣使飛灰中重金屬形成不易浸出的形態。

玻璃電熔融過程的主要化學反應如下：

1）碳酸鹽、硫酸鹽的分解反應見式（1）～式（3）。

2）鈉鹽的熔融反應見式（4）～式（5）。

3）硅酸鹽反應和金屬元素（以M 表示）參與成核反應，見式（6）～式（7）。

其中，金屬參與成核反應是飛灰中重金屬被穩定化處理的關鍵反應，氧化鈉中的氧打斷了硅氧鍵是降低熔點的關鍵。

2.2 工藝流程及設備布置

10 t/d 生活垃圾焚燒飛灰冷頂電熔融工藝流程如圖1 所示。將原始飛灰、石英砂以及助溶劑等通過混料機等進行混合，然后吊裝至冷頂熔融爐加熱熔融，熔融體通過急冷水淬形成玻璃水淬渣，熔融爐產生的煙氣通過煙道送至生活垃圾焚燒車間。

圖1 工藝流程示意Figure 1 Schematic of process flow

熔融車間設備布置平立面示意如圖2 所示，車間東側為生活垃圾焚燒車間，整個車間長19 880 mm，寬7 500 mm，車間自南向北布置有原料混合區、飛灰倉、電氣控制室、冷頂電熔融設備及操作檢修平臺，車間自混料機至熔融爐頂部布置有電動葫蘆方便吊裝混合料。原料混合區內布置有稱量區、翻斗提升機、混合機，電氣控制室布置有配電柜以及控制柜。冷頂電熔融設備西側布置有變壓器，東側設樓梯通往操作檢修平臺。

圖2 設備布置平立面示意Figure 2 The plan and sectional schematic of equipment layout

2.3 核心設備介紹

10 t/d 生活垃圾焚燒飛灰冷頂電熔融設備如圖3 所示。主要由機械自動布料系統、冷頂熔融爐、出料系統、玻璃渣冷卻系統、玻璃渣收集轉運系統等組成。

圖3 窯爐正視圖示意Figure 3 Front view schematic of kiln

其中冷頂熔融爐主要包括熔爐主體、電氣系統、鋼結構、循環水系統、電爐加熱和測溫元件等。熔爐主體選用十二邊形深池結構窯爐，在結構上分為熔化池、流液間、上升道和料道4 個部分。運行時混合料緩慢向下進入電極區，被熔化成玻璃液，飛灰中的重金屬被固定在玻璃相中。飛灰熔融系統采用連續排渣、間斷放熔鹽形式，配合料完全熔化后，玻璃液流經流液間、上升道、料道，滴落到鏈板傳送機上，而后經過急冷水淬得到一定粒度的玻璃水淬渣。熔融爐產生的煙氣引入垃圾焚燒煙氣凈化系統入口，隨生活垃圾焚燒產生的煙氣一并進入煙氣凈化系統處理。

冷頂熔融爐主要參數如表1 所示。電熔爐采用380 V 供電，電極加熱采用恒流控制方式，硅碳棒加熱采用恒溫控制方式。針對飛灰和玻璃等原料特性，通過合理的電極布置實現高溫熔化。主熔化頂布置2 個400 kVA 電極，上升道布置30 kVA 加熱電極，料道布置30 kVA 電極，料道碳棒空間布置40 kVA 電極加熱。

表1 冷頂熔融爐主要參數Table 1 Main parameters of the cold top electric melting furnace

2.4 飛灰及添加物物性參數

本項目試運行采用的物料有飛灰、石英砂以及助溶劑。生活垃圾焚燒產生原始飛灰的主要化學成分是CaO、SiO2、Al2O3、Na2O、Fe2O3以及氯化物等，一般為微米級細顆粒（＜300 μm）。石英砂采用0.6～20.0 mm 碎玻璃，其中SiO2、CaO、A2O3、 MgO、 Na2O 占 比 分 別 為71.5%、 9.5%、1.0%、4.0%、14.0%。助溶劑采用工業級硼砂（Na2B4O7·5H2O）和純堿，其中硼砂為白色結晶性粉末，產自土耳其ETIMADEN。

3 運行效果分析

在檢查確認生產線所有材料設備狀況良好的前提下，嚴格按照圖4 升溫計劃曲線控制生產線升溫。升溫采用硅碳棒輻射加熱，配合電極在熔融玻璃內部產生焦耳熱。升溫過程中實時監測窯爐狀況，隨著窯爐材料熱脹的情況調整相應的鋼結構螺栓頂絲，保證窯爐結構的穩定。

圖4 生產線升溫計劃曲線Figure 4 Heating up plan curve of production line

當爐內實際溫度達到1 200 ℃，待預填的碎玻璃完全熔化后生產線順利出玻璃料（圖5），立即轉正式運行調試。根據前期小試經驗，當飛灰添加比例為30% 時，能夠實現玻璃化并達到重金屬及二英浸出標準。故正式調試期間按照飛灰∶碎玻璃∶硼砂∶純堿=3.00∶2.33∶2.33∶2.33 比例進料。正式出料運行階段共14 h，玻璃熔融體出料共計5.9 t，折算后為10.11 t/d，滿足產能設計10 t/d（10 t 為混合體）的要求。

圖5 生產線窯爐內及出料照片Figure 5 Photos of kiln interior and discharge

通過對此次運行過程中原始飛灰以及熔融產生的玻璃水淬渣（圖6）進行重金屬浸出和二英檢測，判斷飛灰熔融后產物的穩定性。

圖6 添加飛灰前后玻璃產物Figure 6 Glass products before and after adding fly ash

重金屬檢測結果如表2 所示，原始飛灰中鎘（Cd） 與 鉛（Pb） 兩 項 重 金 屬 含 量 高 于GB 5085.3—2007 危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別中的限值，飛灰熔融產物樣品1#的各項參數均低于GB 5085.3—2007 中的限值。飛灰熔融產物樣品2#中鎘（Cd）與鉛（Pb）兩項重金屬含量仍高于GB 5085.3—2007 中的限值，但較原始飛灰中的浸出值分別減少了58.5%、48.1%。通過重金屬檢測結果分析，熔融工藝對各項重金屬有明顯的固化效果，說明重金屬取代硅酸鹽礦物中部分Ca2＋、Al3＋而包封在硅酸鹽的網狀晶格中，故飛灰熔融技術在工藝上具備可行性。但由于飛灰與助溶劑等混合不均勻，導致熔融產物的重金屬浸出特性不穩定。

表2 重金屬檢測結果Table 2 Heavy metal detection results

圖7 熔融前后飛灰中二英異構體濃度分布Figure 7 Concentration distribution of dioxin isomer in fly ash before and after melting

無論在原始飛灰中還是在熔融產物中，氯代化合物（T4CDD/Fs+P5CDD/Fs+H6CDD/Fs） 的含量明顯低于高氯代化合物（H7CDD/Fs+ O8CDD/F），說明高氯代二英類揮發性比低氯代化合物低，更容易凝結在產物中［12］。原始飛灰和飛灰熔融產物的二英濃度檢測結果如表3 所示，原始飛灰的17 種二英同系物毒性當量總和約為0.16 μg-TEQ/kg，飛灰熔融產物的毒性當量總和約為0.011 μg-TEQ/kg，約占原始飛灰的6.88%。以上說明熔融工藝能有效減少固體產物中的二英濃度，降低熔融產物的毒性當量。

表3 二英檢測結果Table 3 Test results of dioxin

表3 二英檢測結果Table 3 Test results of dioxin

二images/BZ_61_423_508_467_553.png英類I-TEFs 原始飛灰飛灰熔融產物組分濃度/（μg/kg）1多氯二苯并對二images/BZ_61_423_508_467_553.png英——多氯二苯并呋喃2，3，7，8-T4CDD 1，2，3，7，8-P5CDD 1，2，3，4，7，8-H6CDD 1，2，3，6，7，8-H6CDD 1，2，3，7，8，9-H6CDD 1，2，3，4，6，7，8-H7CDD O8CDD 2，3，7，8-T4CDF 1，2，3，7，8-P5CDF 2，3，4，7，8-P5CDF 1，2，3，4，7，8-H6CDF 1，2，3，6，7，8-H6CDF 1，2，3，7，8，9-H6CDF 2，3，4，6，7，8-H6CDF 1，2，3，4，6，7，8-H7CDF 1，2，3，4，7，8，9-H7CDF O8CDF 0.5 0.1 0.1 0.1 0.01 0.001 0.1 0.05 0.5 0.1 0.1 0.1 0.1 0.01 0.01 0.001組分濃度/（μg/kg）0.014 0.020 0.023 0.056 0.015 0.31 0.20 0.092 0.064 0.18 0.063 0.069 0.024 0.083 0.11 0.016 0.017毒性當量濃度/（μg-TEQ/kg）0.014 0.010 0.002 3 0.005 6 0.001 5 0.003 1 0.000 20 0.009 2 0.003 2 0.090 0.006 3 0.006 9 0.002 4 0.008 3 0.001 1 0.000 16 0.000 017 0.028 0.033 0.009 7—0.014 0.004 6 0.003 8——0.013 0.003 0 0.004 3毒性當量濃度/（μg-TEQ/kg）0.000 50 0.000 55 0.000 075 0.000 065 0.000 060 0.000 28 0.000 033 0.000 97 0.000 060 0.007 0 0.000 46 0.000 38 0.000 037 0.000 033 0.000 13 0.000 030 0.000 004 3

4 成本經濟分析

生活垃圾焚燒飛灰熔融爐運行期間的經濟成本主要由電費、輔料費、人工費組成。

4.1 電費

飛灰冷頂電熔融設備采用電加熱方式，在運行期間，單日耗電量約為10 000 kWh，按照單價0.6 元/kWh 計，所需電費約為6 000 元/d。

4.2 輔料費

運行階段所需輔料主要包括碎玻璃、硼砂、純堿，按照目前試運行采用的比例（飛灰添加比例為30%），運行1 d 約需碎玻璃、硼砂和純堿各2.33 t。根據調試運行前輔料采購單價，碎玻璃為1 100 元/t、純堿為3 950 元/t、硼砂為8 500 元/t，所需輔料費約為31 571.5 元/d。因此，據飛灰添加比例30% 的運行工況可推算出，飛灰添加比例增加至50% 時，運行1 d 約需碎玻璃、硼砂和純堿各1.66 t，所需輔料費約為22 493 元/d。

4.3 人工費

按照調試運行階段的實際情況，除電氣工程師由垃圾焚燒廠內電氣工程師兼任外，運行期間每班需單獨配置配料工2 名、上料工1 名、司爐工1 名、產物操作工1 名以及環保工程師1 名，按照3 班/d 計，共計18 人次。按人工費單價200元計，人工費約為3 600 元/d。

綜上，按照每日滿負荷處理飛灰的設計產量，當飛灰添加比為30% 時，采用飛灰熔融技術處理飛灰處置成本約為13 723.83 元/t；若提高飛灰添加比至50%，采用飛灰熔融技術處理飛灰處置成本約為6 418.6 元/t。根據項目運營數據，當飛灰采用外運處置時，垃圾處理成本為323.55 元/t，其中飛灰處置成本約為7.76 元/t。若采用飛灰熔融處置，當飛灰添加比為30% 時，垃圾處理成本約為369.31 元/t，其中飛灰處置成本約為53.52 元/t，是外運處置成本的6.9 倍（約上漲45.76 元/t）；當飛灰添加比增至50% 時，垃圾處理成本約為340.82元/t，其中飛灰處置成本約為25.03 元/t，是外運處置的3.2 倍（約上漲17.27 元/t）。

5 存在問題與展望

在生活垃圾焚燒飛灰冷頂熔融爐試運行過程中，我們發現了存在的問題，同時也對后續的探索方向進行了深入思考。

一是在對運行過程中原始飛灰以及熔融產生的玻璃水淬渣進行重金屬浸出檢測和二英檢測時，發現玻璃水淬渣的重金屬析出不均勻。不同取樣點樣品的析出結果存在差異，說明飛灰熔融后的生成物穩定性不高。雖然飛灰冷頂電熔融技術在工藝上具備可行性，但技術的穩定性存在波動，還需要進一步分析熔融化學過程，探索增強晶格穩定性的方法。另外在后續的資源化利用方面，仍需要大量的理論參數來判斷飛灰熔融后生成物的穩定性。

二是由于冷頂熔融爐設備試運行成本很高，經費有限，項目現場未針對飛灰成分變化、添加物種類變化及混合比例等進行深入的對比試驗，因此還有待籌措資金進行進一步試驗探索。

三是相較于飛灰外運處置費用，飛灰冷頂熔融處置費用過高，本項目采用冷頂熔融工藝處置單位質量的飛灰成本是外運處置的3.2～6.9 倍，噸垃圾處理成本約上漲17.27～45.76 元/t。若后續探索出熔融產物的再利用價值，將再利用收益納入后，重新對生產成本進行全生命周期分析，將有效提高此項技術的經濟性。

6 結論

本研究主要以生活垃圾焚燒飛灰作為研究對象，探究了冷頂電熔融處置方案，通過試運行驗證10 t/d 冷頂電熔融設備能夠連續穩定運行。通過對運行過程中原始飛灰以及熔融產生的玻璃水淬渣取樣進行重金屬浸出檢測、二英檢測分析。一方面發現飛灰熔融產物對各項重金屬有明顯的固化效果，但不同取樣點熔融產物樣品的重金屬浸出特性不穩定。另一方面發現原始飛灰經熔融后17 種二英同系物組分濃度都有不同程度（74.7%～100.0%）的顯著降低，飛灰熔融產物的毒性當量總和約占原始飛灰的6.88%。以上數據說明熔融工藝能有效減少固體產物中重金屬的析出量以及二英含量，證實了飛灰冷頂電熔融技術在工藝上具備可行性，為生活垃圾飛灰冷頂電熔融技術工業化提供基本數據支撐。另外通過本項目經濟測算發現，采用冷頂電熔融工藝處置單位質量的飛灰成本是外運處置的3.2～6.9 倍，噸垃圾處理成本約上漲17.27～45.76 元/t。雖然本項目中飛灰熔融產物的重金屬析出及二英數據能夠證實熔融處置效果較好，但是在研究中仍存在熔融產物重金屬析出值不穩定、原料最經濟配比不明、熔融產物再利用以及經濟性有待提升等問題，需要進一步深入研究探索。