盧歡亮，王中慧，汪永紅，李朝暉

（廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東廣州510045）

等離子體熔融技術(shù)處理垃圾焚燒飛灰的中試研究*

盧歡亮，王中慧，汪永紅，李朝暉

（廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東廣州510045）

針對(duì)廣州市垃圾焚燒飛灰的特性，開發(fā)了1套等離子體高溫熔融技術(shù)處理工藝和1套中試處理設(shè)備，中試實(shí)驗(yàn)表明：該工藝可實(shí)現(xiàn)將飛灰轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴隗w，經(jīng)急冷后成為玻璃體（渣），在飛灰玻璃體（渣）中的重金屬幾乎無浸出，煙氣污染物達(dá)標(biāo)排放。

垃圾焚燒飛灰；等離子體；熔融；玻璃體

生活垃圾焚燒飛灰是一種“不宜用危險(xiǎn)廢物的通用方法進(jìn)行管理和處理，而需特別注意的危險(xiǎn)廢物”［1］。根據(jù)新的《國家危險(xiǎn)廢物名錄》，飛灰經(jīng)等離子體、高溫熔融等處置過程產(chǎn)生的玻璃態(tài)物質(zhì)可得到豁免的可能。近年來，等離子體熔融技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，國內(nèi)學(xué)者前期開展了一些實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究，取得了一些成果［2-7］。本研究開展了垃圾焚燒飛灰等離子體熔融的中試試驗(yàn)，對(duì)飛灰玻璃體的重金屬固化效果及相關(guān)機(jī)理進(jìn)行探討，以期為飛灰的資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目建設(shè)1套等離子體高溫熔融技術(shù)處理中試設(shè)備，設(shè)計(jì)處理能力為2～3 t/d，飛灰處理工藝見圖1。該工藝流程是：采用直流電弧等離子火炬和焦炭對(duì)熔融爐進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)爐內(nèi)溫度上升至1 250℃后，利用螺旋給料機(jī)將垃圾焚燒飛灰和焦炭、助熔劑等輔料投入熔融爐內(nèi)。飛灰和助熔劑在爐內(nèi)熔融成液態(tài)，熔渣通過爐底部排渣口流出，經(jīng)水淬急冷形成玻璃體。高溫尾氣經(jīng)過脫硝、急冷、中和、吸附、布袋除塵等凈化處理后達(dá)標(biāo)排放。

2 材料及方法

2.1 飛灰樣品處理與分析

本試驗(yàn)飛灰樣品來自廣州市某垃圾發(fā)電廠產(chǎn)生的飛灰。采用分批投料的方式，飛灰平均處理量為100 kg/h，每批次平均投料量12.5 kg。每批次進(jìn)行等離子體熔融后，飛灰與玻璃體樣品分別進(jìn)行取樣，進(jìn)行重金屬含量及浸出毒性分析。

2.2 飛灰玻璃體的微觀形態(tài)分析

1）掃描電鏡：超高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（德國產(chǎn)），電壓5 kV，束流50 Pa，500～50 000倍數(shù)。

2）XRD分析：X射線粉末衍射儀（荷蘭Empyrean銳影），銅靶DK400990，速度掃描0.02°/min，工作條件為40 kV和40 mA，掃描角度2θ范圍從10°～70°。

3）IR分析：紅外光譜儀（德國Bruker公司EQUINOX55型），掃描波數(shù)為400～4 000 cm-1。

圖1 飛灰等離子體熔融處理工藝

3 處理結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)量與能耗情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，各批次玻璃體產(chǎn)量y與飛灰量x呈良好的線性關(guān)系（R2=0.987），滿足關(guān)系式y(tǒng)=0.65x+6.94。隨著飛灰玻璃體產(chǎn)量的增加，單位飛灰處理量的耗電量呈下降趨勢(shì)，當(dāng)玻璃體產(chǎn)量達(dá)到150 kg/h以上時(shí)，耗電量基本保持不變，大約為0.88 kWh/kg。

3.2 煙氣排放結(jié)果

當(dāng)中試裝置運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)按GB 18484—2001危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)尾氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果見表1。從表1可以看出，尾氣污染物滿足GB 18484—2001排放要求。

表1 等離子體熔融垃圾焚燒飛灰尾氣凈化后排放監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.3 飛灰及玻璃體的浸出毒性結(jié)果

表2和表3分別給出飛灰及玻璃體重金屬毒性浸出結(jié)果。對(duì)最佳工況條件下得到的玻璃體樣品1#和2#，其中重金屬Pb、Cd等的浸出毒性遠(yuǎn)低于GB 5085.3—2007危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別的濃度限值，驗(yàn)證了等離子體熔融技術(shù)對(duì)飛灰重金屬有顯著的固定作用。

表2 飛灰重金屬浸出毒性mg/L

表3 飛灰玻璃體重金屬浸出毒性mg/L

3.4 飛灰及玻璃體SEM微觀形態(tài)觀察

對(duì)最佳工況條件下飛灰熔融固化處理后得到的熔渣，進(jìn)行微觀形態(tài)分析。圖2為飛灰和飛灰玻璃體的微粒微觀形貌圖。從圖2（a、b）中看出，垃圾焚燒飛灰的微觀結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，呈晶狀，表面飛灰顆粒的粒度大小不均，最小的低于1 μm，大部分顆粒位于10～50 μm，這與文獻(xiàn)報(bào)道飛灰屬于亞微米級(jí)顆粒的結(jié)論是一致的［1，5］。從圖2（c、d）中可以看出，相較于飛灰多孔隙和松散的微觀結(jié)構(gòu)，在同等放大倍數(shù)條件下，玻璃體熔渣的微觀結(jié)構(gòu)緊密無孔隙，整體呈良好的均一性，這是因?yàn)槿廴谑癸w灰從固相變?yōu)橐合?，液相的良好流?dòng)性使得熔渣孔隙得到填補(bǔ)直至完全消失。

圖2 飛灰及飛灰玻璃體的微觀形態(tài)

3.5 飛灰及玻璃體XRD分析

由圖3的飛灰XRD譜圖可見，垃圾焚燒飛灰的組分比較復(fù)雜，石英SiO2為飛灰中最主要的晶相，而飛灰中的鈉、鉀等堿金屬則主要以氯鹽的形式存在。熔渣的曲線上均未觀察到晶相峰，說明當(dāng)經(jīng)過等離子熔融處理后得到的飛灰玻璃體均為無定形的玻璃體。這說明，飛灰在熔融過程中進(jìn)行了物相轉(zhuǎn)變，其晶體在熔融過程中已全部被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)椴缓魏尉嗟牟Ａw，從而達(dá)到了熔融玻璃化的目的。對(duì)等離子熔融處理對(duì)飛灰中晶相的影響，可作為分析飛灰物理化學(xué)特性和熔融特性的重要依據(jù)。

圖3 飛灰及飛灰玻璃體XRD圖譜

3.6 飛灰及玻璃體IR光譜分析

圖4為飛灰熔融前后的IR紅外譜圖。飛灰在3 420 cm-1處具有羥基官能團(tuán)（黑線），在飛灰熔融后（紅線），位于620 cm-1及890 cm-1處的特征峰消失，這可能與飛灰表面的C—Cl，C—Br鍵斷裂有關(guān)，這進(jìn)一步驗(yàn)證了當(dāng)熔融發(fā)生后，鹵素元素會(huì)被揮發(fā)出來進(jìn)入氣態(tài)中。波數(shù)在1 420及1 621 cm-1處的特征峰發(fā)生明顯的減弱甚至消失，分別代表苯環(huán)上的C=C振動(dòng)、C=C—H振動(dòng)峰，可能的原因是芳香環(huán)（如二惡英）在一定程度上被破壞，從而形成了C—C或C—O鍵，這也可以解釋二惡英在熔融過程中濃度降低。

圖4 飛灰及飛灰玻璃體的FT-IR圖

4 結(jié)論及建議

1）針對(duì)垃圾焚燒飛灰特性，開發(fā)了1套等離子熔融氣化技術(shù)處理新工藝，對(duì)重金屬固化及二惡英破壞具有顯著作用，技術(shù)上可行。

2）項(xiàng)目采用多級(jí)聯(lián)合尾氣凈化工藝，煙氣污染物濃度達(dá)到GB18484—2001的排放限值要求。

3）通過掃描電子顯微鏡觀察，相較于飛灰多孔隙和松散的微觀結(jié)構(gòu)，玻璃體熔渣的微觀結(jié)構(gòu)則緊密無孔隙，整體呈良好的均一性；通過XRD分析，飛灰玻璃體的曲線上均未觀察到晶相峰，飛灰在熔融過程中轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形的玻璃體，從而達(dá)到了熔融玻璃化的目的。通過IR紅外譜圖觀察，飛灰表面上的苯環(huán)官能團(tuán)（如二惡英）在熔融過程中發(fā)生了分解。

［1］姜永海，席北斗，李秀金，等．添加劑對(duì)垃圾焚燒飛灰熔融特性的影響［J］．環(huán)境科學(xué)，2006，27（11）：2288-2292．

［2］吳楨芬，胡建吭，王華．城市生活垃圾焚燒飛灰熔融處理的進(jìn)展［J］．云南環(huán)境科學(xué)，2004，23（S）：29-32.

［3］陳德珍，張鶴聲．垃圾焚燒爐飛灰的低溫玻璃化初步研究［J］．上海環(huán)境科學(xué)，2002，21（6）：344-349．

［4］姜永海，席北斗，李秀金，等．對(duì)垃圾焚燒飛灰熔融固化特性的影響［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2005，18（S）：7l-73．

［5］Romero M，Raw ling R D，Rincon J M.Development of a new glass ceramic by means of controlled vitrification and crystallization of inorganic waste from urban incineration［J］.J Eur Ceram Soc，1999,19（12）：2049-2058．

［6］Young J，Jong H.Vitrification of fly ash from municipal solid waste incinerator［J］.J Hazard Mater，2001，91（1/3）B：83-93．

［7］Polett ini A，Pomi R，Trinci L，et al.Engineering and environmental properties of thermally treated mixtures containing MSWI fly ash and low-cost additives［J］.Chemosphere，2004，56（10）：901-910．

Pilot Test of Plasma Melting Technology Treating MSWI Fly Ash

Lu Huanliang，Wang Zhonghui，Wang Yonghong，Li Zhaohui
（Guangdong Provincial Academy of Environmental Science，GuangzhouGuangdong510045）

Based on the characteristics of the fly ash from MSW incineration in Guangzhou，a process of plasma melting technology wasdeveloped and a set of pilot-scale equipment wasestablished.The resultsshowed that the plasma melting process could achieve to turn fly ash into melting state，and then into the vitrified slag by fast cooling method，from which the heavy metalswere found almost no leaching，and the pollutantsfrom the flue gasemission were adhere to the discharge criteria.

MSWI fly ash；plasma；melting；vitrified slag

X705

A

1005-8206（2017）04-0051-04

盧歡亮（1981—），博士，高級(jí)工程師，主要從事固廢處理處置與資源化利用技術(shù)研發(fā)。

E-mail：luhuanliang@139.com。

廣州市環(huán)境保護(hù)局污染防治新技術(shù)新工藝開發(fā)項(xiàng)目、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015B020215009）

2017-01-24