h13052104-MSW焚烧飞灰熔融技术研究进展

MSW焚烧飞灰熔融技术研究进展栾敬德*，姚鹏飞，李润东(沈阳航空航天大学能源与环境学院，沈阳，110034)摘要：近年来，城市生活垃圾焚烧因其减容减量性明显引起了广泛的关注。然而，作为副产品的焚烧飞灰属于危险废物，其安全处置不容忽视。本文对水泥固化、化学药剂稳定化、酸溶剂提取、熔融固化四种飞灰处理方法进行分析，阐述了各自的优缺点；详细介绍了飞灰熔融处理技术的相关进展，指出节能降耗是现阶段飞灰熔融亟待解决的问题。关键词：城市生活垃圾；焚烧；飞灰；熔融固化ProgressonthemeltingtechnologyofMSWincinerationflyashLuanJingde,YaoPengfei,LiRundong（SchoolofEnergy&EnvironmentalEngineering,ShenyangAerospaceUniversity,Shenyang110034,China）Abstract:Recently,MSWincinerationhascausedarousedwidepublicconcernduetothesignificantvolumereductionandmassreduction.However,thesafetreatmentofMSWincinerationflyashisnotignoredbecauseitisahazardouswaste.Inthispaper,fourdisposalmethodsofflyash,suchascementsolidification,chemicalstabilization,acidsolventextractionandmeltingsolidification,wereanalyzedtoexpoundtherespectiveadvantagesanddisadvantages.Theresearchprogressonthemeltingtechnologyofflyashwasintroducedindetail.Moreover,itispointedoutthatsavingenergyisanurgentproblemintheflyashmeltingatpresent.Keywords:MSW;incineration;flyash;meltingsolidification1概述随着城镇化进程的加快，人民生活水平提高，我国城市生活垃圾却以每年10%的速度递增[1]。据统计，2002年生活垃圾总量为1.31亿吨，2007年为1.5亿吨[2]，到2010年则达到了2.6亿吨[3]。未经处理的城市生活垃圾不仅造成大量土地占用，严重污染环境，危害人类健康。目前，城市生活垃圾常用的处理方法主要有填埋，堆肥和焚烧三种。填埋处理是我国大多数城市生活垃圾最基本的处理方法，但是由于占用大量土地，且渗滤液会污染周围土壤和地下水，其比重逐年降低[2,3]。堆肥处理周期长，处理量小，受市场影响且堆肥质量不理想，在国外已经很少采用[4]。焚烧不仅能够实现垃圾处理减量化和无害化的治理目标，而且具有占地面积小、实现能源再利用等优点，在发达国家及部分发展中国家得到了广泛应用。美国、日本等发达国家已开始大量应用，并产生了良好的环保效益和经济效益。在日本超过70%的城市生活垃圾采用焚烧法处理。根据《中国城市生活垃圾行业投资分析报告（2012）》，我国垃圾焚烧项目从1998年到2012年累计投资总额达1469*国家自然科学基金项目（51208311）*国家重点基础研究发展计划项目（2011CB201500）*辽宁教育厅科学研究一般项目（L2011023）亿元，共449个项目。到2015年还将逐渐增加384座垃圾焚烧发电厂，由此可见垃圾焚烧在我国呈现良好的发展势头，被认为是我国处理城市垃圾的一个重要方向[5]。垃圾焚烧会产生大量飞灰，约占垃圾焚烧总量的3%~5%，飞灰中的重金属和二噁英会带来新的环境问题。如何实现这类二次污染物的妥善处置已成为垃圾焚烧行业亟待解决的问题。2飞灰污染特性飞灰组分与焚烧的垃圾成分、焚烧炉炉型、焚烧气氛和烟气处理方法等因素有关。飞灰中的主要元素以Ca，Si，Al，Fe，K，Na为主，与一般矿物的元素组成较为近似[6]。飞灰中含有重金属、二噁英、溶解盐等有害物质。由于飞灰颗粒松散堆积，颗粒间存在明显的孔隙，有毒重金属易于浸出[7]，尤其是Pb、Cd、Hg等元素。在酸性环境下，重金属浸出量会显著增加并造成污染。飞灰的溶解盐质量分数可高达22.1%，主要为氯化物，它的存在会影响飞灰的固化和稳定化效果[8]。飞灰中的二噁英和呋喃等属极毒的危险废物，容易在生物体内积累[9]，会对环境和人类健康带来严重危害。《国家危险废物名录》已将飞灰规定为危险废物，飞灰处理将是今后环保领域的热点课题。3焚烧飞灰处理方法飞灰的安全处理技术有很多种，目前普遍采用的有四种，即水泥固化、化学药剂稳定化、酸溶剂提取和熔融固化。3.1水泥固化水泥固化是在飞灰中添加10%~20%的水泥，利用水泥的强碱性固化飞灰中的重金属，减少有毒物质浸出[10]。因为材料来源广泛，价格低廉，操作方便，是目前国际上最常用的危险废物处置方法。固定后的垃圾焚烧飞灰还可以用作路基材料或建筑材料。但是水泥固化后的增容比较大，固化后的重金属在酸性条件下容易再次浸出，影响结构强度，且水泥固化无法消除飞灰中的二噁英[11]。3.2化学药剂稳定化化学药剂稳定化是利用化学药剂通过化学反应使有毒有害物质转变为低溶解性，低迁移性及低毒性物质的过程[12]。目前发展较快的是螯合型化学稳定剂。化学药剂处理飞灰具有无害化，不增容的优点，具有很稳定的抗酸、碱性冲击能力[13]。但是由于垃圾焚烧飞灰组分的差异性较大，对螯合反应机理缺乏足够的认识，很难有一种普遍适用的化学药剂，因此不能规模化应用这项技术；此技术在脱水滤液中含有高浓度溶解盐和重金属，造成了二次污染；无法消除二噁英类持久性污染物[14]。3.3酸溶剂提取酸溶液提取法是指利用一些重金属在酸性条件下溶解度较高的特性，利用酸或其他溶剂提取重金属，接着加药剂形成难溶解的稳定化合物[15]。飞灰中含有很多碱性金属氧化物，处理后的飞灰具有较好的无害化效果[16]。这种方法虽然具有处理方法简单，材料成本低的特点，但是由于飞灰中重金属含量的差异性，同样的处理条件下，处理效果会有很大的不同，需要对含溶解性盐的废水和含重金属的泥浆进行后续处理。3.4熔融固化熔融固化技术是新兴的垃圾焚烧飞灰处理技术。在1400oC的高温条件下，飞灰中的有机物发生热分解、气化，而无机物则熔融成玻璃质熔渣。被认为是目前最为先进的垃圾焚烧飞灰处理方法。该技术不仅可以使灰渣减容在2/3以上，同时实现重金属稳定化和彻底消除二噁英污染物，而且玻璃化后的飞灰可以用作建筑或铺路材料[17]，有效的实现了废物的资源化利用。通过表一对以上几种垃圾焚烧飞灰处理方法的比较，熔融固化在资源化、减量化、无害化上有很大优势。熔融固化技术是未来最有潜力的垃圾焚烧飞灰处理技术。对熔融固化的研究与应用，有十分重要的环保和社会意义。表1焚烧飞灰处理方法比较Tab.1ComparisonofMSWincinerationflyashtreatment指标方法资源化减量化无害化重金属二恶英水泥固化▲△▲△化学药剂稳定化△△▲△酸溶剂提取▲△▲△熔融固化▲▲▲▲▲代表有效△代表无效4飞灰熔融处理技术进展从国内外现有的技术研究中可发现飞灰熔融处理技术还处于起步阶段，由于飞灰中含有重金属且熔融处理能耗大，目前国内外侧重于对熔融过程中重金属的迁移特性、低温熔融及资源化利用等方面的研究。国内外相关学者已对不同条件下的重金属迁移特性作了大量研究[18-20]。熔融过程中，影响重金属固化的因素有很多，如熔融温度、冷却方式、飞灰成分、碱度等。在飞灰中的重金属主要包括Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni，挥发特性如表2所示[21]。SRUML研究表明温度对各种重金属固定特性的影响不同，Cd和Pb通常挥发率很高，而Cu和Zn的挥发率和空气过量系数相关，Cr和Ni在熔融过程中则不挥发[22]。李润东等[23]中试研究发现，对Zn、Cu、Cr和Ni，空气冷却方式下比水冷方式下的重金属固定率高。表2飞灰重金属挥发特性Tab.2Heavymetalvolatilizationcharacteristicsofflyash分类易挥发性重金属挥发性重金属难挥发性重金属种类Pb、CdCu、ZnCr、Ni挥发性PbCdCuZnCrNi重金属氧化物或硫酸盐等熔点较高的物质与氯化物反应生成熔点较低的重金属氯化物，促进重金属在熔融温度的挥发。姜勇海[24]研究表明Cl元素和S元素在飞灰熔融时主要以氯化物和硬石膏的形式分解挥发，含量越高熔融固化挥发率越高。飞灰碱度存在一个临界K值，可以使飞灰熔点最低，重金属固化效果最优。由于熔融时部分重金属和无机盐会以气体形式挥发出去，加大了尾气处理难度，高温对生产条件和能源均提出较高要求，因此一些学者也研究了如何降低熔融温度来抑制重金属的挥发，同时起到节能降耗的作用。通过加入某些添加剂可以降低熔融温度，陈德珍[25]研究认为按一定比例加入硼砂、CaF2、废玻璃、CaO、CaCl2于飞灰中，混合物的熔融温度可以降低到1000oC以下，且形成的低温玻璃态物质对重金属铅和镉有很好的固化效果。到目前为止的研究更多是规律性探索，从微观角度看，重金属的迁移特性以及低温熔融现象均是由于飞灰中的氧化物和熔融过程中各分子结构，矿物成分的结构以及相应的物理化学特性变化，如表面化学活性、成键特性等的改变。因此,飞灰熔融过程矿物质微观演变规律的研究有助于阐释熔融机理。因焚烧飞灰的主要成分与玻璃材料的基本组成类似，故可通过调整操作参数适当控制或再结晶技术，制成各种资源化材质，如玻璃陶瓷、瓷砖、地砖及各种防火建材等[26]。焚烧飞灰熔融处理后的熔渣因其结构较为松散，强度很低，磨损率偏高，仅适合作为较低利用价值材料，其长期的稳定性不足，这就限制了它的有效利用。为解决这个问题，日本开发了一种高效熔融飞灰的工艺，使熔融后的残渣能够与石头一样达到较高的强度[27]。韩国YongJunpark[28]确定熔融固化后的玻璃经热处理后制得的微晶玻璃的主晶相为透灰石。微晶玻璃不仅机械性能好，耐磨耐腐蚀，热膨胀系数低，可以用来开发建筑、装饰及工业用的耐磨耐腐材料，而且投资少，易于规模化应用[29,30]。5结论（1）焚烧飞灰应进行妥善处理，通过几种处理方法的对比，可知熔融固化技术极具发展潜力。（2）对飞灰熔融反应机理的研究尚处于基础理论研究阶段，目前侧重于宏观现象的研究，今后应从微观角度结合宏观现象深入对熔融机理研究，实现节能降耗的目的，即从灰中矿物质分子微观结构特性改变来解释飞灰熔融过程中各矿物间的反应机理。如利用量子化学理论计算飞灰中矿物质分子结构和相应的物理化学特性。（3）加强对飞灰进一步资源化利用，如制备微晶玻璃等可以减少飞灰对环境的危害，变废为宝。参考文献[1]张立新.城市垃圾处理技术评述[J].建材世界,2009,(04):64-66+70.[2]张英民,尚晓博,李开明.城市生活垃圾处理技术现状与管理对策[J].生态环境学报,2011,(02):389-396.[3]我国城市生活垃圾处理行业2010年发展综述[J].中国环保产业,2011,(04):32-37.[4]范留柱.国内外生活垃圾处理技术的研究现状及发展趋势[J].中国资源综合利用,2007,(07):26-8.[5]宋志伟,吕一波,梁洋.国内外城市生活垃圾焚烧技术的发展现状[J].环境卫生工程,2007,(01):21-24.[6]SAKAIS-I,HIRAOKAM.Municipalsolidwasteincineratorresiduerecyclingbythermalprocesses[J].WasteManagement,2000,20(2–3):249-258.[7]张海英,赵由才