等离子体熔融固化垃圾焚烧飞灰技术的分析

文_汪嘉涛 吴则江 黄成贤 中节能（象山）环保能源有限公司

1 垃圾焚烧飞灰处置现状

由于垃圾焚烧飞灰含有能被水易于浸出的较高浓度的Cd、Pb、Zn以及Cr等多种有害重金属物质和可溶性盐类，同时二噁英和呋喃等有机污染物也将在飞灰中富集存在，这些物质的存在使飞灰具有一定的污染特性，《国家危险废物名录》将垃圾焚烧飞灰规定为危险废物。

常规的飞灰处置方法有固化、填埋、药剂稳定化处理等技术，均存在潜在的环境危害性、占地面积大等缺点，最终不能达到资源化处理。而等离子体熔融技术提供的高温环境可以有效使飞灰中的二噁英和呋喃等有机污染物被彻底降解，飞灰经高温熔融再进行冷却变成玻璃熔渣，其高沸点重金属被固化在熔渣中，低沸点重金属则挥发成气体被捕集，同时飞灰熔融后形成的熔渣体积减少到原来的1/3左右，且可作为路基、水泥熟料、陶瓷等原料。

目前国内大多数垃圾焚烧企业仍采用稳定化+填埋或水泥窑协同处置的方式处理飞灰，仅有少数企业开始尝试应用等离子体熔融技术处理飞灰。

2 等离子体熔融系统

以浙江大学的能源清洁利用国家重点实验室研发的双阳极直流热等离子体熔融炉为例来介绍热等离子熔融系统。

整个系统由双阳极热等离子体喷枪、直流电源组U1和U2、密封熔融炉、水冷系统、载气和洗气装置等6个部分组成，核心装置是置于炉膛顶部的直流双阳极喷枪，它区别于常见的等离子喷枪，沿着阴极轴线分布有2个阳极，在工作时各有1组电源加载运行。双阳极结构可以起到增长和稳定电弧、提高电弧强度和减小电弧工作噪音的作用。在2个阳极和阴极这3个喷枪的关键部件上均布有一路水冷循环，以减缓喷枪的高温腐蚀，从而确保喷枪的稳定工作和延长使用寿命。电弧的宏观温度可以达到1400～1500℃，满足熔融垃圾焚烧飞灰的要求。

加载在等离子喷枪上的电源为经由三相交流电整流得到的直流电源，主要工作参数为U1的空载电压为45V，输出电流为50～215A；U2的空载电压为85V，输出电流为50～215A。等离子体的工作气体主要为氩气、氮气或氩氮混合气体，流量通过由气体质量流量控制器（D07-9E/ZM）和流量显示仪（D08－8C/ZM）组成的气控装置调节，在工作时气体体积流量为10～20L/min。

该系统用于飞灰熔融时的工作载气为氩气，体积流量为10～15L/min，U1的工作电压约为10V，输出电流约为100A；U2的工作电压约为50V，输出电流约为100A。

3 工艺流程

热等离子熔融垃圾焚烧飞灰处置系统一般包括飞灰预处理系统、热等离子熔融系统和烟气处理系统。

3.1 飞灰储存仓、第一定量给料机、造粒机和分格轮

飞灰储存仓的出口与第一定量给料机的入口连接；第一定量给料机的出口与造粒机的第一入口连接，造粒机的出口与分格轮的入口连接，分格轮的出口与熔融反应炉的进料口连接。飞灰预处理系统还包括添加剂储存仓、第二定量给料机；添加剂储存仓的出口与第二定量给料机的入口连接，第二定量给料机的出口与造粒机的第二入口连接。由于第一定量给料机和第二定量给料机分别与造粒机的第一入口和第二入口连通，第一定量给料机将一定量的飞灰输送到造粒机内，第二定量给料机将一定量的二氧化硅添加剂输送到造粒机内，飞灰和氧化硅添加剂按照一定比例混合均匀，可促进飞灰熔融玻璃体的形成，加速造粒机进行造粒，这样的设计可有效解决飞灰输送过程中随空气扩散以及飞灰在热等离子装置内随烟气扩散至烟气处理系统等问题。

3.2 热等离子喷枪、金属熔池

熔融反应炉内部的顶端设置有热等离子喷枪，内部的底端设置有金属熔池。熔融反应炉上设置有进料口、玻璃渣排放口、金属渣排放口和烟气排放口，进料口与飞灰预处理系统的出料口连通，玻璃渣排放口通过管道与水冷槽的熔渣入口连接，金属渣排放口通过管道与金属合金储存罐入口连接。飞灰颗粒在高温环境下形成熔融液，飞灰中二噁英等有害成分被降解，重金属被溶出并回收利用，熔融液流入水冷槽内，通常采用流动冷水快速冷却以迅速降低玻璃态物质的温度，有效抑制重金属离子的析出，飞灰熔融液经水冷槽冷却后形成玻璃熔渣。

3.3 二次燃烧室、急冷塔和布袋除尘器

二次燃烧室的烟气入口与熔融反应炉的烟气排放口连通，二次燃烧室用于将熔融反应炉排出烟气中的CO和CH4去除；二次燃烧室的气体排出口与急冷塔的进气口连通，急冷塔用于将进入到水冷塔内的烟气快速降温；急冷塔的排气口与布袋除尘器的进气口连通，布袋除尘器用于将烟气中的二次飞灰及颗粒物捕集。其中，二次燃烧室内的温度大于等于1100℃，急冷塔将二次燃烧室内排出的烟气温度降低至200℃以下。二次燃烧室内的温度至少为1100℃，用过高温将熔融反应炉排出烟气中的CO和CH4去除，经二次燃烧室内处理过的烟气进入到急冷塔内，急冷塔将烟气的温度降低，在使烟气进入到布袋除尘器内，以使烟气中的烟气中的二次飞灰及颗粒物被吸附。

3.4 喷淋吸收塔

布袋除尘器的烟气出口与喷淋吸收塔的烟气入口连接；喷淋吸收塔包括：循环泵、碱池和雾化喷头，雾化喷头设置在所述喷淋吸收塔主体内部的顶端，循环泵的进口通过管道与碱池的出口连接，循环泵的出口通过管道与雾化喷头连接，雾化喷头喷洒碱液与烟气充分接触以吸收烟气含有的酸性气体。其中，碱液可以为NaOH，烟气中的酸性气体一般为HCL、SO2酸性气体，雾化喷头的朝向可以为和烟气的流向相同也可与烟气的流向相反。烟气进入到喷淋吸附塔内，雾化喷头将碱液进行喷洒，以使碱液充分的接触，且循环泵持续地为雾化喷头提供碱液，可使烟气中的酸性气体中和。

3.5 活性炭吸附塔和烟囱

活性炭吸收塔的烟气入口与喷淋吸收塔的烟气出口连接，活性炭吸附塔用于吸收烟气中微量的挥发性重金属及微量的二噁英；活性炭吸附塔的烟气出口与烟囱的烟气入口连接，烟气经烟囱的烟气出口排入大气中。喷淋塔与活性炭吸附塔和烟囱连通，因此烟气经过多次分级处理使烟气尾气中的颗粒物、挥发性重金属、酸性气体、二噁英等有害物质均被吸附或中和，整个过程均采用全封闭处理，直至净化达到相关排放标准后经引风机和烟囱排入大气中，有效避免了对环境的二次污染。

4 结论

①等离子体熔融技术处理温度高，环保处理效果彻底，无二次污染；反应器尾气量少，便于洁净处理，彻底分解二噁英；无机组份可形成玻璃体，杜绝重金属离子污染水土；设备结构紧凑，占地面积少，设备高度低，可减少厂房建设成本。

②当飞灰熔融时，二氧化硅和氧化钙的添加均可以改善熔渣中重金属的固化效果。相比于飞灰中的晶体结构，熔渣的无定形玻璃网状结构更有利于抑制重金属的浸出。熔渣的浸出特性均得到了明显改善，且重金属浸出质量浓度都远低于毒性标准，熔渣在重金属毒性上已达到无害化的标准，在周围环境中具有极高的稳定性和安全性。在后续研究中，如基于飞灰熔渣的无定形玻璃结构和化学组成，可将熔渣作为基础玻璃，研究利用熔渣烧制机械性能优良的微晶玻璃，以实现飞灰的资源化利用。