等离子体熔融技术处理垃圾焚烧飞灰的中试研究*

卢欢亮，王中慧，汪永红，李朝晖

（广东省环境科学研究院，广东广州510045）

等离子体熔融技术处理垃圾焚烧飞灰的中试研究*

卢欢亮，王中慧，汪永红，李朝晖

（广东省环境科学研究院，广东广州510045）

针对广州市垃圾焚烧飞灰的特性，开发了1套等离子体高温熔融技术处理工艺和1套中试处理设备，中试实验表明：该工艺可实现将飞灰转变为熔融体，经急冷后成为玻璃体（渣），在飞灰玻璃体（渣）中的重金属几乎无浸出，烟气污染物达标排放。

垃圾焚烧飞灰；等离子体；熔融；玻璃体

生活垃圾焚烧飞灰是一种“不宜用危险废物的通用方法进行管理和处理，而需特别注意的危险废物”［1］。根据新的《国家危险废物名录》，飞灰经等离子体、高温熔融等处置过程产生的玻璃态物质可得到豁免的可能。近年来，等离子体熔融技术得到了广泛关注，国内学者前期开展了一些实验室规模的研究，取得了一些成果［2-7］。本研究开展了垃圾焚烧飞灰等离子体熔融的中试试验，对飞灰玻璃体的重金属固化效果及相关机理进行探讨，以期为飞灰的资源化利用提供科学依据。

1 项目概况

本项目建设1套等离子体高温熔融技术处理中试设备，设计处理能力为2～3 t/d，飞灰处理工艺见图1。该工艺流程是：采用直流电弧等离子火炬和焦炭对熔融炉进行预热，当炉内温度上升至1 250℃后，利用螺旋给料机将垃圾焚烧飞灰和焦炭、助熔剂等辅料投入熔融炉内。飞灰和助熔剂在炉内熔融成液态，熔渣通过炉底部排渣口流出，经水淬急冷形成玻璃体。高温尾气经过脱硝、急冷、中和、吸附、布袋除尘等净化处理后达标排放。

2 材料及方法

2.1 飞灰样品处理与分析

本试验飞灰样品来自广州市某垃圾发电厂产生的飞灰。采用分批投料的方式，飞灰平均处理量为100 kg/h，每批次平均投料量12.5 kg。每批次进行等离子体熔融后，飞灰与玻璃体样品分别进行取样，进行重金属含量及浸出毒性分析。

2.2 飞灰玻璃体的微观形态分析

1）扫描电镜：超高分辨场发射扫描电子显微镜（德国产），电压5 kV，束流50 Pa，500～50 000倍数。

2）XRD分析：X射线粉末衍射仪（荷兰Empyrean锐影），铜靶DK400990，速度扫描0.02°/min，工作条件为40 kV和40 mA，扫描角度2θ范围从10°～70°。

3）IR分析：红外光谱仪（德国Bruker公司EQUINOX55型），扫描波数为400～4 000 cm-1。

图1 飞灰等离子体熔融处理工艺

3 处理结果与分析

3.1 产量与能耗情况

实验结果显示，各批次玻璃体产量y与飞灰量x呈良好的线性关系（R2=0.987），满足关系式y=0.65x+6.94。随着飞灰玻璃体产量的增加，单位飞灰处理量的耗电量呈下降趋势，当玻璃体产量达到150 kg/h以上时，耗电量基本保持不变，大约为0.88 kWh/kg。

3.2 烟气排放结果

当中试装置运行达到稳定状态时，委托第三方检测机构按GB 18484—2001危险废物焚烧污染控制标准对尾气进行监测分析，结果见表1。从表1可以看出，尾气污染物满足GB 18484—2001排放要求。

表1 等离子体熔融垃圾焚烧飞灰尾气净化后排放监测结果

3.3 飞灰及玻璃体的浸出毒性结果

表2和表3分别给出飞灰及玻璃体重金属毒性浸出结果。对最佳工况条件下得到的玻璃体样品1#和2#，其中重金属Pb、Cd等的浸出毒性远低于GB 5085.3—2007危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别的浓度限值，验证了等离子体熔融技术对飞灰重金属有显著的固定作用。

表2 飞灰重金属浸出毒性mg/L

表3 飞灰玻璃体重金属浸出毒性mg/L

3.4 飞灰及玻璃体SEM微观形态观察

对最佳工况条件下飞灰熔融固化处理后得到的熔渣，进行微观形态分析。图2为飞灰和飞灰玻璃体的微粒微观形貌图。从图2（a、b）中看出，垃圾焚烧飞灰的微观结构错综复杂，呈晶状，表面飞灰颗粒的粒度大小不均，最小的低于1 μm，大部分颗粒位于10～50 μm，这与文献报道飞灰属于亚微米级颗粒的结论是一致的［1，5］。从图2（c、d）中可以看出，相较于飞灰多孔隙和松散的微观结构，在同等放大倍数条件下，玻璃体熔渣的微观结构紧密无孔隙，整体呈良好的均一性，这是因为熔融使飞灰从固相变为液相，液相的良好流动性使得熔渣孔隙得到填补直至完全消失。

图2 飞灰及飞灰玻璃体的微观形态

3.5 飞灰及玻璃体XRD分析

由图3的飞灰XRD谱图可见，垃圾焚烧飞灰的组分比较复杂，石英SiO2为飞灰中最主要的晶相，而飞灰中的钠、钾等碱金属则主要以氯盐的形式存在。熔渣的曲线上均未观察到晶相峰，说明当经过等离子熔融处理后得到的飞灰玻璃体均为无定形的玻璃体。这说明，飞灰在熔融过程中进行了物相转变，其晶体在熔融过程中已全部被破坏，转变为不含任何晶相的玻璃体，从而达到了熔融玻璃化的目的。对等离子熔融处理对飞灰中晶相的影响，可作为分析飞灰物理化学特性和熔融特性的重要依据。

图3 飞灰及飞灰玻璃体XRD图谱

3.6 飞灰及玻璃体IR光谱分析

图4为飞灰熔融前后的IR红外谱图。飞灰在3 420 cm-1处具有羟基官能团（黑线），在飞灰熔融后（红线），位于620 cm-1及890 cm-1处的特征峰消失，这可能与飞灰表面的C—Cl，C—Br键断裂有关，这进一步验证了当熔融发生后，卤素元素会被挥发出来进入气态中。波数在1 420及1 621 cm-1处的特征峰发生明显的减弱甚至消失，分别代表苯环上的C=C振动、C=C—H振动峰，可能的原因是芳香环（如二恶英）在一定程度上被破坏，从而形成了C—C或C—O键，这也可以解释二恶英在熔融过程中浓度降低。

图4 飞灰及飞灰玻璃体的FT-IR图

4 结论及建议

1）针对垃圾焚烧飞灰特性，开发了1套等离子熔融气化技术处理新工艺，对重金属固化及二恶英破坏具有显著作用，技术上可行。

2）项目采用多级联合尾气净化工艺，烟气污染物浓度达到GB18484—2001的排放限值要求。

3）通过扫描电子显微镜观察，相较于飞灰多孔隙和松散的微观结构，玻璃体熔渣的微观结构则紧密无孔隙，整体呈良好的均一性；通过XRD分析，飞灰玻璃体的曲线上均未观察到晶相峰，飞灰在熔融过程中转变为无定形的玻璃体，从而达到了熔融玻璃化的目的。通过IR红外谱图观察，飞灰表面上的苯环官能团（如二恶英）在熔融过程中发生了分解。

［1］姜永海，席北斗，李秀金，等．添加剂对垃圾焚烧飞灰熔融特性的影响［J］．环境科学，2006，27（11）：2288-2292．

［2］吴桢芬，胡建吭，王华．城市生活垃圾焚烧飞灰熔融处理的进展［J］．云南环境科学，2004，23（S）：29-32.

［3］陈德珍，张鹤声．垃圾焚烧炉飞灰的低温玻璃化初步研究［J］．上海环境科学，2002，21（6）：344-349．

［4］姜永海，席北斗，李秀金，等．对垃圾焚烧飞灰熔融固化特性的影响［J］．环境科学研究，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

卢欢亮（1981—），博士，高级工程师，主要从事固废处理处置与资源化利用技术研发。

E-mail：luhuanliang@139.com。

广州市环境保护局污染防治新技术新工艺开发项目、广东省科技计划项目（2015B020215009）

2017-01-24