（工程热物理专业论文）城市垃圾焚烧飞灰熔融处理实验研究.pdf

浙江人学硕i 学位论文 摘要 焚烧法处理城市固体废弃物具有显著的减容、城重以及可回收热能等优点， 过去的：f 1 多年内在国外得到广泛应用。目前在我国正逐渐得到推广。然而焚烧 法易产生重金属和二恶英。垃圾焚烧飞灰的熔融处理技术为废弃物的处理丌辟了 新的路径。 本文结合能谱分析，压汞分析，原子吸收光谱等分析手段进行了飞灰成分， 孔隙率，重金属，二恶英等分析。 利用d s c d a t 进行热分析实验，从热力学角度对灰渣( 主要是飞灰) 熔融机 理进行研究。研究飞灰熔融各个历程，考察飞灰成分、气氛、温升速率、添加剂 等内外界条件对熔融过程的影响，其次测定单位质量飞灰熔融吸热量，依靠熔融 过程的热量变化随温度的依赖关系建立垃圾焚烧飞灰熔融动力学，求出表征飞灰 熔融反应的表观活化能。 对m s w i 飞灰熔融所得熔渣的理化特性开展实验研究。首先对飞灰的主要 成分进行分析，在自行设计的小型批量式实验台上进行熔融实验。对熔融处理得 到的熔渣进行详尽分析。熔融的减容性是熔融处理的一大优势，本章研究了熔融 温度、时间以及灰成分变化对减容性的影响。为了确认熔渣的非晶态性质，采用 x r d 分析了飞灰与熔渣的晶相。此后利用热分析实验对熔渣的热力特性进行研 究。 重会属的潜在危害是熔融处理所要解决的另一主要问题。对飞灰熔融过程六 种重金属的迁移特性进行实验研究。对熔融温度、时间、气氛、添加剂等因素对 各种重金属在熔渣中分布的影响进行详尽研究，并对熔融废气进行吸收。垃圾焚 烧飞次熔融过程二恶英的分解特性进行了研究。对几种飞灰样品在各种温度、气 氛、时间等条件下熔融处理的熔渣二恶英含量进行分析测定，研究飞灰中二恶英 熔融过程的破坏去除率。 关键词：城市固体废弃物焚烧飞灰重盒属熔融二恶英 浙江人学硕l 学位论史 a b s t r a c t a b s t r a c t tl a v i n gt h ea d v a n t a g e so fr e m a r k a b l ev o l u m e - r e d u c t i o n ，w e i g h t r e d u c t i o na n d e n e r g y - r e c o v e r y , d i s p o s i n go fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) b y i n c i n e r a t i o n sh a v e b e e nw i d e l yu s e da b r o a dd u r i n gt h ep a s tt w e n t yy e a r s n o w a d a y st h i st e c h n o l o g yi s b e i n gp o p u l a r i z e dg r a d u a l l yi no u rc o u n t r y y e tt h er e l e a s eo f t o x i cs u b s t a n c e ss u c ha s h e a v ym e t a l sa n dd i o x i n sb r i n ge n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s i nt h ef i e l d so f t r e a t m e n to f h a z a r d o u sm s w if l y a s h ，t h e t h e r m a l m e l t i n gp r o c e s s b e c o m e so n eo fm o s t s i g n i f i c a n tr e s e a r c hc o m m u n i t y t h e p h y s i c a l c h e m i c a lp r o p e r t i e so f t h ea s hs a m p l e s ，s u c ha sm a j o r c o m p o s i t i o n s ， t r a c ee l e m e n t so fh a z a r d s ( d i o x i n sa n d h e a v y m e t a l s ) ，p o r o s i t ya n dm o r p h o l o g yw e r e s u c c e s s i v e l ya n a l y z e db ye l e c t r o ns p e c t r o s c o p y , a t o ma b s o r b i n gs p e c t r u m ，g c m s a n dp o r e m e t e r ，r e s p e c t i v e l y t h e e x p e r i m e n t sw e r ed e v e l o p e dd e p e n d o nt h ep h y s i c a l c h e m i c a lp r o p e r t i e so f t h em o l t e ns l a go ft h em s w ，f i r s t l y , t h ec o m p o n e n to ft h ef l ya s hw e r ea n a l y z e d t h e e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e di nas e l f - d e v e l o p e db a t c hs y s t e ma n dt h em o l t e ns l a g w e r e a n a l y z e d ；r e d u c t i o n c h a r a c t e r i s t i ci so n e i m p o r t a n ta d v a n t a g e o fm e l t i n g t r e a t m e n tm e t h o d ，t h ei n f l u e n c e so f o p e r a t i o n a lc o n d i t i o no n r e d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s w e r e i n v e s t i g a t e d ，w h i l e t h ec o n s i d e r a b l ev a r i a b l e si n c l u d e p r o c e s st e m p e r a t u r e ， a t m o s p h e r ea n da d d i t i o n a lr e a g e n t t h et h e r m a la n a l y s i sw e r ep e r f o r m e dt os t u d yt h e t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o l t e ns l a g ，a l s ot h ex r d a n a l y s i sw e r ep e r f o r m e dt o s t u d y t h en o n c r y s t a lc h a r a c t e r i s t i co fi t t h et h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e t i c so fm e l t i n gp r o c e s so fm s w i f l ya s h e sw e r e c h a r a c t e r i z e do nb a s i so fe x p e r i m e n t a le v i d e n c e e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e di na m i c r o s c a l eh i g ht e m p e r a t u r ed s c d t as y s t e m t h eh e a to fm e l t i n gt r a n s i t i o na s w e l la st h es e n s i b l eh e a td u r i n gt h ep r o c e s sw a sm e a s u r e d t h e p a r t i t i o n o fh e a v ym e t a l s d u r i n gm e l t i n gp r o c e s s w a sa l s os t u d i e d i n f l u e n c e so f t e m p e r a t u r e ，a t m o s p h e r e ，t i m e ，a n d a d d i t i o n a l r e a g e n t o nt h e s o l i d i f i c a t i o no fh e a v ym e t a l sw e r ec o n s i d e r e d i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e p a r t i t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f d u r i n ga s hm e l t i n gg r e a t l yd i f f e r sf o re a c hk i n do f h e a v ym e t a l s t h e c o n t r o lo f s e c o n d a r yp o l l u t a n t so fm e l t i n gp r o c e s sw a sc o n s i d e r e d t h ed e g r a d a t i o no f d i o x i nd u r i n gm e l t i n gp r o c e s sw a ss t u d i e di nl a b - s c a l eb a t c hs y s t e m e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h eg r e a tp a r to f d i o x i n sw i t hm s w i f l ya s hd e g r a d e s k e y - w o r d s ：m s w i n c i n e r a t i o n f l ya s hm e l t i n gh e a v ym e t a l d i o x i n n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 固体废物是指在社会的生产、流通、消费等一系列活动中产生的一般不具 有原使用价值而被丢弃的以固态或泥态赋存的物质。城市固体废物( 生活垃圾) 是指在居民生活、商业活动、市政建设、机关办公等过程中产生的固体废物。 城市同体废物在收集、运输和处理处置过程中会对大气、土壤、水体造成污染， 4 i 仅严重影【哟了城市环境卫生，而且威胁了人民身体健康，成为社会公害之一， 吲此这一问题门益受到各国政府的重视n 1 ，。 1 1 城市固体废物的现状与危害 1 1 1 城市固体废物的现状 表11 各省份年固体废物产量( 1 9 9 5 ) 据统计，全球每天生产2 7 0 0 万吨城市固体废弃物，每年约1 0 0 亿吨”1 。 近年来，随着我国经济迅猛发展和人民生活水平的提高，城市垃圾造成了日益 严重的生态环境污染。1 9 9 9 年我国城市人口已达到3 8 9 亿，城市人均垃圾产 量超过1 o k g d ，接近工业发达国家水平，目前全国累计堆存的固体废物量已 达6 0 亿吨，占地5 4 亿i l l 2 ，全国三分之二的城市日益被垃圾包围。目前我国 政府每年要投入4 0 0 亿元用于城市垃圾处理，其中运行费用约3 0 0 亿元，中国 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 u 成为i f f _ 界f 垃圾包袱最重的国家”“1 。表1 1 示出了我国主要省市的垃圾年 产量。大量目快速增长的城市固体废物实际上已经成为了严重影响城市建设和 j ：农_ 旧，持续发展，以及改进人民生活质量的重要社会问题，因此对我国城市 体废物的妥善解决迫在周睫。 表1 2 主要城市人均固体废物产量( 1 9 9 6 ) 在城市垃圾产量增长的同时，垃圾热值的不断提高成为另一个主要特点。 出于经济的发展、居民生活消费水平的提高和城市生活能源结构的改善，生活 垃圾的构成发生了较大改变，主要表现为垃圾中高热值可燃物含量明显增加， 使垃圾热值增长很快。据统计，1 9 9 1 年至1 9 9 6 年，我国近百座城市的生活垃 圾中废塑料、废纸、织物及木类等有机成分平均增加4 0 。表1 3 为1 9 9 6 年 部分城市固体废弃物的热值。可见大部分城市垃圾热值高于4 0 0 0 k j k g ，北京、 天津和大连等地的垃圾热值已经超过6 4 0 0 k j k g 。城市垃圾热值的提高为选择 各种处理方式提供了更大的自由度。 1 1 2 城市固体废物的危害 快速增长的城市生活垃圾的产量和不断变化的垃圾构成，必将加重对城市 q ：活环境的危害。固体废物的危害主要在于： 侵占土地，污染土壤：目前我国垃圾主要处理方式是未经减量化处理的 简单填埋。垃圾产量急剧增多要求更多填埋场。全国垃圾累积占地达5 4 亿 m 2 r 这些宝贵耕地终将被废弃，这对土地资源相对贫乏的我国无疑是雪上加 霜1 3 , 5 j 。 污染水体：垃圾在堆放分解过程中会产生大量酸性和碱性污染物，同时 垃圾中的重金属会溶解到水中，形成有机物、重金属和病原微生物三位一体的 污染源。垃圾产生的渗沥水流入周围的地表水并渗入土壤，造成对地表水和地 丝兰垄兰丝圭童丝竺塞 苎= 兰璧 下水的严重污染。 污染大气，影响环境卫生：在垃圾堆放场区附近，臭气熏天，老鼠成灾， 蚊蝇孽生，有大量的氨、硫化物等污染物向大气释放，仅有机挥发性气体就达 1 0 0 多种，其中含有很多致癌物“。 表1 3 部分城市固体废物的物理特性和热值 1 2 城市固体废物处理技术概述 城市固体废物来源与成分相当复杂，因而处理十分麻烦，经过长期的研究和 实践形成了多种方法和途径，目前普遍使用的有填埋法、堆肥法以及热化学( 焚 烧、热解) 处理等技术。 1 2 1 土地填埋法 垃圾的土地填埋( 1 a n d f i l l ) 处置是从传统的垃圾堆填法发展起来的一项最终 处置技术，是一种涉及多学科领域的综合士工控制技术。填埋处置具有工艺简 单、成本较低，对废物的适应性广、无须对垃圾进行分选等优点。目前，填埋 是固体废物处理的主要方法，填埋在绝大多数国家和地区都是最主要的处理方 法，而盈也是各种处理残渣的最终归宿。我国目前的城市垃圾无视成分较高， 处理利用率低，经费紧张，近年来许多城市都建造了卫生填埋场。广州大田山 卫生填埋场是我国第一个投运的填埋场；杭州天子岭和北京阿苏卫都建造了卫 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 生填埋场等”。 填埋需要科学的选址，在设计和规划的基础上对场地进行防渗等处理，然后 按严格的程序进行填埋操作和封场，要制定全面的管理制度，定期对场地进行 维护和监测。我国在填埋方面还缺乏成套的理论和技术，在高性能防渗和排水 材料开发方面也与国外有较大差距，对填埋场的选址、设计也缺乏足够的知识 和经验，无标准可参考。垃圾填埋处置不仅占有大量土地，还会造成地下水、 土壤和大气等的污染，并且不能综合回收有价值的物质和能源。 1 2 2 堆肥化方法 堆肥化( c o m p o s t i n g ) 是在控制条件下，使来源于生物的有机废物发生生物 稳定作用( b i o s t a b l i z a t i o n ) 的过程。它是利用某些微生物的氧化分解有机物的能力 来处理可降解的有机废物的一种方法。 垃圾堆肥处理不仅减少了垃圾造成的环境污染，而且良好的堆肥具有改土、 培肥、促进作物生长和增产的作用。堆肥在解决垃圾出路的同时实现了资源化 目标，其经济和社会效益较好。但是堆肥对废物的种类和性质有定要求。其 次，堆肥法处理垃圾周期长，堆肥场建设投资高，处理量小，运输费用高，再 次，堆肥中n 、p 、k 含量不高，一般低于3 ，其不同于传统的农家肥，只能 作土壤改良剂，大量施用土壤中可能富含有害元素并易造成土壤板结。同时堆 肥化处置还会对周围环境释放出恶臭和尘土【3 _ 6 j 。 1 2 3 热化学处理技术 从物质循环利用角度看，一个环节的废物又可成为另一个环节的资源。若 城市垃圾的低位发热量以5 0 0 0 k j k g 计，则每年产生的城市垃圾相当于2 4 0 0 万吨标准煤。研究和开发适宜的城市固体废物处理技术以解决垃圾的环境污染 问题，这在我国乃至世界能源及资源短缺的今天显得尤为重要。从可持续发展 战略角度来讲，固体废物处理应该实现无害化、减量化和资源化目标。 热化学处理( 焚烧、热解) 就是在高温条件下对废物进行分解，实现快速、 显著地减容，并对废物的有用成分加以充分利用。与生化降解法比较，热化学 处理的优势在于处理周期短、占地面积小、可实现最大程度的减容( 8 0 9 0 ) ， 而且对废物的适用范围更广泛。 1 焚烧法 在热化学处理技术中，焚烧法应用最早，技术比较成熟。焚烧法具有减量 化程度高、资源利用率较高、占地面积小等优点。近年来由于污染控制技术的 进步，焚烧技术发展较快，并且在固体废物处理技术中一直呈上升趋势，目前 4 堑兰垄兰丝圭兰竺篁圭 苎= 兰笪笙 许多国家焚烧处理技术在城市垃圾处理技术中的地位仅次于填埋。焚烧技术将 垃圾中的化学能全部转化为热能，产物的形式包括气相产物烟气和固态产物灰 渣( 底渣和飞狄) 。 表1 4 我国部分垃圾焚烧发电厂概况 ：浙江大学热能所 近年来，我国的垃圾焚烧发展非常迅速。深圳市市政环卫综合处理厂的垃 圾焚烧厂是我国引进国外关键技术及其主要设备建成的第一座现代化焚烧厂。 珠海市资源发电厂也在2 0 0 0 年7 月引进美国底特律公司的炉排炉发电，此外仅 广东省目前正在筹建和规划的垃圾焚烧发电厂就有广州资源电厂( 9 0 0 t d ) 、广 州小洲垃圾发电厂( 2 0 0 0 t d ) 、惠州市垃圾发电厂( 6 0 0 l y d ) 、深圳龙岗平湖垃圾 发电厂( 6 0 0 t d ) 、东莞清溪垃圾发电厂( 1 0 0 0 f f d ) 、顺德垃圾发电厂( 6 0 0 f f d ) 等十余家。上海浦东新区生活垃圾焚烧厂处理能力1 0 0 0 吨，日，年发电量l 亿 度。江桥生活垃圾焚烧厂是上海的第二座垃圾焚烧发电厂，工程规模为日处理 生活垃圾1 5 0 0 吨，一期安装2 台5 0 0 t d 的焚烧线和2 台1 2 m w 汽轮发电机组， 主要设备由西班牙引进，总投资约7 5 亿元人民币，计划于2 0 0 2 年年底建成。 四川、沈阳等地也相继建设了垃圾焚烧处理厂。 焚烧技术符合垃圾处理的“三化”( 资源化、减量化和无害化) 原则，焚烧 可使其重量减少7 5 ，体积减少9 0 左右，焚烧产生的热量可以供热或发电， 有效地回收能源，实现资源化。焚烧处理技术特点是处理量大、占地小、减容 性好，处理时间短，不受天气影响。其局限性是对垃圾热值有一定要求，一般 不能低于4 1 2 7 k j k g ，焚烧的废气需要净化一次投资大，占用资金周期长等。 目前焚烧技术主要有层状燃烧、流化床燃烧、悬浮燃烧、多室燃烧等分支。 焚烧与填埋和堆肥是垃圾处理领域三种主要处理技术，填埋工艺简单，成本 低，适应性广，然而占用土地、易造成二次污染且浪费垃圾中的有用能量。堆 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 肥比填埋在资源利用方面明显具有优势，但处理量小、周期长且对废物的适应 性不好。焚烧处理快捷、减量显著、能量利用率高，占地小，但投资与运行费 用相对较高，关于三种技术的地位以及投资与运行费用参见表1 5 ，其中投资费 用已经考虑到设备服务年限内处理垃圾总量，分摊到单位质量垃圾后计算得到。 值得注意的是，在包括我国在内的许多国家，焚烧等热处理方式等所占比重呈 上升的趋势却是不争的事实。 表15 各种固体废物处理方式费用估计( 元吨) 2 热解法 尽管人们付出了巨大努力，焚烧的废气排放问题却一直无法得到根本解决， 最近有关二恶英危害人类生活健康的报道使得公众对焚烧的担心日益沉重。目 前国际上普遍观点是，气化和热解作为焚烧的替代技术将成为下一代热化学处 理的主流技术。相对于焚烧而言，气化和热解是在贫氧或缺氧的还原性气氛下 进行的分解反应，产生的s 0 x 、n 0 x 、h c i 及重金属等二次污染排放物质较少。 此外，气化和热解将废物中的有用物质转化为气态( 燃气) 或液态( 焦油) 的 形式分别利用，而气态和液态燃料比固体废物燃烧效率更高，污染更低。 热解是在无氧或低氧条件下，将有机废物高温加热、裂解为低分子化合物 ( 如c h 4 ，h 2 、c o 、焦油、甲醇、焦炭等) 的方法。目前，热解工艺主要有以 下几种：回转窑热解、高温熔融热解、双塔式流化床热解和管式快速热分解等。 热解是一种复杂的城市固体废弃物处理技术，成功应用于处理垃圾的技术还比 较有限，而且处理成本比较高，在发展中国家推广有一定困难。 1 2 4 垃圾中无机成分的无害化处置方法 上面提及的各种热化学处理技术主要针对固体废物中有机成分的转化，但 很少考虑对废物中无机成分的处理与处置。废物中的无机成分是热化学处理的 副产物，但其危害性已逐渐受到世人关注i 引。 焚烧法目前在热化学处理技术中占有举足轻重的位置。以焚烧为例，垃圾 焚烧后，大部分矿物和有毒元素浓缩于焚烧灰渣中。与原垃圾相比，城市垃圾 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 焚烧扶渣 i 有毒元素的含量比一般土壤中大1 0 1 0 0 倍。另外，垃圾焚烧次渣中 含有高浓度的恶英。但是，大多数的扶渣仍是进行简单的土地填埋。一方面， 目前填埋场，玎地很难寻觅；另一方面，焚烧灰渣采用直接处置方式，其重金属 溶m 对人体健康及生活环境的危害性已闩渐受到社会的重视”1 。因此如何采取 适当的技术处理灰渣，并达到稳定化、资源化和无害化的目标，已成为当前垃 圾处理领域的个热点。 研究表明，飞灰比底渣含有更多的汞、铅、镉等多种易挥发重金属以及二 恶英等刷毒有机成分。而且垃圾飞扶中的二恶英占总排放量的9 0 以上。重余 属具有高浸出特性，填埋处置后会溶于地下水造成二次污染。我国城市固体废 物管理法规规定：城市垃圾焚烧飞狄为危险废物，必需特殊处理。随着焚烧处 理的逐渐推广，焚烧飞灰的妥善处理已日益迫切。 图1 1 垃圾焚烧处理不惹图 目前垃圾焚烧飞回处理主要包括以、f j l a b 方法： 水泥固化法 水泥固化法足将水泥和b 扶用水均匀混合，在发射管内进行水合反应，逐 渐硬化，从而封闭重会属等有害成分。一方面它使有害重金属形成溶解度极小 的氯氧化物沉淀，另一方面重金属与钙或铝进行置换反应形成固溶体，使重金 属固定在矿物中，从而达到防止重金属溶出的目标。水泥固化费用低、操作简 单，尤其适于含低熔点化合物较多的灰渣。但水泥固化法由于加入水泥导致最 终处置量增加。而且固化后其所含盐类大部分可被雨水溶出。而且对于难以利 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 用氢氧化物的难溶特性处理的汞、铅以及需要还原处理的六价铬等无法实现稳 定化处理，而且加入价格昂贵的螯合剂还要注意p h 值影响。 药剂处理法 药剂处理法是向灰中添加重金属固定剂和水，均匀混合成不溶性化合物， 从而实现固定重金属的目的。此类重金属固定剂主要有氯化二铁、液体硫酸铝、 硫化钠等无机物和水溶性螫合高分子。该方法可以收到很好的效果。药剂处理 法具有处理过程简单、设备投资低、最终处理量不大等优点。但药剂处理法的 高分子螯合剂价格很高，而且雨水会溶出大部分盐类，在p h 值较低时还会产生 有害气体。 酸浸出稳定法 该方法向灰中加水搅拌成泥浆后，加入盐酸等酸剂，浸出重金属，接着加 药剂形成难溶解的稳定化合物。该方法的优点是处理物稳定，且处理物含有的 可溶性盐类少，汞仪简单、处理费用也较低。但不足的是需要对含有溶解性盐 类的废水和含重金属的泥浆进行后序处理。 熔融固化法 熔融是利用燃料的燃烧热及电热两种方式，在高温( 1 3 0 0 c 以上) 的状况 下，飞灰中的有机物发生热分解、燃烧及气化，而无机物则熔融成玻璃质炉渣 。飞灰中所含的沸点较低的重金属盐类少部分发生气化现象，大部分转移到 熔渣中。灰渣中s i 0 。在熔融处理中形成s i - 0 网状构造，把移入熔渣的金属包 封固化在网格中，形成极稳定的玻璃质熔渣，重金属溶出( 浸出) 的可能性大 大降低。飞灰经过熔融后，密度大大增加，可达到飞灰减容2 3 以上，并且排 除了从垃圾焚烧飞灰中释放二恶英的可能。而且熔渣可作为路基材料，从而达 到有效利用的目的。 1 3 城市垃圾熔融处理技术进展 近年来，世界各国对环境问题日益重视，对于垃圾处理技术的研究和利 用逐渐得到重视，热化学处理技术属于从废物转化为能源( w a s t e t o e n e r g y ) 的一个主要分支，近年来取得迅猛发展。焚烧技术是热化学中最早也是应用 最普遍的有效技术。焚烧法具有处理量大、减量化和资源化程度高等优点， 然而随着人们对环境日益关注，传统焚烧技术在无害化方面遇到一定挑战。 首先，从根本上其很难严格控制二恶英及重金属的排放。其次，垃圾焚烧灰 渣的处置占地对于许多国家和地区仍是较沉重的负担。最后，垃圾焚烧的随 回收能源的效率和品位都有待迸一步提高。 丝兰苎兰丝兰竺篁圭 苎= 童竺垒 由于传统垃圾处理技术不能很好地解决焚烧过程中生成的二恶英及重金 属等污染物对环境危害的问题，近年来美国、德国、瑞士、日本等西方国家 逐渐开发出垃圾焚烧飞狄的熔融技术，使得二恶英排放浓度可限制在 o 1 n g t e q n m 3 左右，焚烧+ 飞灰熔融技术也已逐步取代了传统焚烧技术9 1 。 1 3 1 垃圾焚烧灰渣熔融处理技术 垃圾焚烧后的无机成分称为灰渣。灰渣一般分为四种：底渣、细渣、受 热面灰和飞灰。通常细渣与底渣并入底渣，受热面积灰并入飞灰一起搜集。 熔融是灰渣( 尤其是飞灰) 无害化和资源化的一项处理技术。根据热源， 分为利用燃料燃烧热和电热两种方式，在高温( 1 3 0 0 c 以上) 状况下，飞灰中 有机物发生热分解、燃烧及气化，而无机物则熔融形成玻璃质熔渣1 1 h 4 l 。经 过熔融处理，飞灰中的二恶英等有机污染物受热分解破坏。飞灰中所含的沸 点较低的重金属盐类，少部分发生气化现象，大部分则转移到玻璃态熔渣中 大大降低了浸出可能性 i s - 1 8 。灰渣经过熔融后，密度大大增加，灰渣减容可 达1 2 以上，并且可以回收灰渣中的金属，而且稳定的熔渣可作为路基材料， 达到有效利用的目的l l “。 1 3 1 1 灰渣熔融炉分类 垃圾焚烧灰渣熔融炉按照热源种类大致可分为燃料式熔融系统和电气式 熔融系统两大类 1 6 , 1 9 1 ，该技术体系如图l ，2 ，以下简要介绍各种熔融处理设备 类型。 飞 灰 熔 融 炉 以燃料为热源 以电力为热源 表面熔融炉 内部熔融炉 焦碳熔融炉 回转式熔融炉 电弧式熔融炉 等离子熔融炉 电热式熔融炉 焦耳热熔融炉 图1 2 灰熔盈处理技术体系o ” 1 燃料式熔融炉 燃料式熔融炉是依靠燃烧辅助燃料放热进行灰渣熔融的炉型。为了维持炉 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 内高温，燃料消耗量较大，一般需要考虑设置热能回收设施提高能源利用率 2 1 ，2 2 1 。主要包括：表面、内部、焦炭床和回转式四种。 1 a 轰面熔融炉 表面式熔融炉都设有燃烧器将炉内温度加热至1 5 0 0 。c 左右，此时灰体表 面即开始逐渐熔融，并呈膜状流出，因此有时也称膜状熔融炉。表面熔融炉按 结构差别又可分为回转式和固定式两种，表面熔融炉通常用于处理含水率在 2 0 以下的灰渣，具有高温熔融和减容( 熔渣约为原焚烧飞灰4 0 ) 的效果。 1 b 内部熔融炉 内部熔融炉主要是以飞灰中残留碳产生的燃烧热作为处理灰渣的热源。熔 融处理过程主要分为进料段、燃烧段、熔融段、熔渣排出段等阶段。该类熔融 炉与垃圾焚烧炉相连，焚烧炉排出的高温灰渣( 约含残留碳1 0 2 0 ) 进入熔 融炉中，并由炉床喷嘴送入5 0 0 c 的预热空气，使未燃碳燃烧。燃烧段由电气 加热器维持在8 0 0 一9 0 0 c ，熔融段约维持在1 3 0 0 左右。二恶英的破坏去除 率( d r e ) 达9 9 8 以上，熔渣可全部回收利用【2 4 】。 1 ，c 焦炭床熔融炉 焦炭床熔融炉的竖型圆筒下部呈管状，具有废弃物投入部与熔融段的凸出 部，一般适用于灰渣或含水率为4 0 干燥污泥饼的熔融处理，为了产生较高品 质的熔渣，可考虑添加石扶系物质如碎石( 3 0 1 0 0 m m ) 或高分子系物质( 石灰 熔渣排出输送带 图1 3 表面熔融炉图1 4 内部熔融炉 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 石) 等调整剂。干燥灰渣与焦炭从炉顶的进料斗一起投入后，灰渣经干燥升温， 可燃部分先分解产生可燃气体，在炉体的下部与一次空气接触后燃烧温度可达 1 6 0 0 。c ，在二次空气进入后可达到完全燃烧，残余的灰烬则经过焦炭床成为熔 渣排出。 1 d 回旋式熔融炉 回旋式熔融炉也称作旋涡式熔融炉，其主体结构主要包括熔融段、熔渣分 离段、熔渣排出段等部分。一般是以灰渣与一次空气均匀分散于炉体，二次空 气吹入炉内造成回旋气流，再由燃烧器加热熔融，熔融液在炉内流动，并到炉 底以熔渣形态排出。 | 霎i 1e 同棉背粮鼬怕 2 电力式熔融炉 图1 6 电热式熔融炉 该类熔融炉使用电力为熔融热源( 电阻热和电弧热) ，其原理为借电极间 产生的热量将灰烬加热到1 5 0 0 。c 左右，灰中金属成分被熔融而沉于底部，灰 分则浮于上部形成液态熔渣，熔渣可以采用水冷或空冷等方式加以冷却，产生 废气也应加以净化。由于其消耗电力大，故最好与厂内发电设备并联以节省开 支。 2 a 电弧式熔融炉 电弧式熔融炉主要由炉体容器及供给电弧的电源设备组成。电极从炉盖贯 穿进入炉内，可借升降机升降。熔融处理过程主要借助电极与炉床的碱金属问 浙江大学硕士学住论文 第一章绪论 产生高温电弧( 约3 0 0 0 c ) 使灰渣熔融。由于温度高，灰渣中的重金属可完 全熔融。该熔融炉排放废气量较少，处理容易、缺点是需要较纯熟的操作技巧， 电力需求量大，熔渣排出口易受损，有时还会产生严重的噪音。日本大同特殊 钢制造公司开发出了以石墨为电极的电弧熔融炉 1 0 , 2 5 l 。 2 b 等离子体熔融炉 等离子体熔融炉依靠电极间的高温等离子体加热灰渣，实现熔融处理。该 系统主要由炉体、等离子喷管、直流电源、空气供给和冷却水供给等设备组成。 炉内为还原性气氛。当等离子体产生时，由于等离子极易使温度达到2 0 0 0 c 以上，二恶英的o r e 达9 9 9 以上，灰渣中的重金属将同时形成熔融物，并缓 慢冷却固化，其特性与电弧炉极为相似。 2 c 电热式熔融炉 电热式熔融炉又分直接式和间接式两种，电热式直接熔融炉是在电极间通 入电流，并利用熔融物的电阻产生的热能达到熔融。目前应用的电热式直接熔 融炉，主要是用于处理焚化狄渣及飞灰，一般焚化灰渣及飞灰在常温下不导电， 但在熔融状态下则易形成导体。飞灰电热式直接熔融炉以位于炉壁电极置于熔 融液中，借由交流电产生的热能，使飞灰产生熔融处理效果。电热式间接熔融 炉主要是以电气加热器加热，利用其辐射对焚化飞灰或灰渣间接加热，以达到 熔融的目的1 4 , 2 6 1 。 2 ，d 焦耳热熔融炉 焦耳热熔融炉的原理是利用导体的焦耳热效应实现熔融。灰渣中含有金属 等导电物质，当灰渣两侧加一定电压，灰渣内部产生电流并放热。灰渣中的金 属被还原形成合金被回收利用。石川岛播磨( i h i ) 公司在焦耳热熔融炉方面 取得骄人成就【2 7 j 。 3 各种熔融炉评价 垃圾焚烧灰渣熔融炉不仅可以与气化炉结合在一起形成有机的气化熔融 处理系统，而且可以单独运行，用于对垃圾焚烧厂灰渣的无害化处理，也可以 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 结合陶瓷、玻璃制造行业其它设备组成资源化利用系统。 关于熔融炉型的选择应根据各炉型的特点和不同工艺要求进行选择。就作 为垃圾焚烧厂无害化处理设备而言，则根据实际情况和焚烧设备特点选择最适 合的熔融炉型。一般来说，对于具有发电设备的大型焚烧处理厂，多选择电加 热熔融炉，可以利用电能；对于没有发电设备的焚烧设备，燃料熔融炉比较适 合。一些燃料熔融炉如焦碳床熔融炉和回旋式熔融炉，不仅可以熔融焚烧灰渣， 也可以直接熔融城市垃圾。 1 3 2 国内外m s w i 焚烧灰渣熔融处理研究进展 1 垃圾焚烧灰渣各种元素的分布 垃圾在焚烧过程中各种元素因性质差别将在底渣、飞灰以及烟气中重新 分布。一般而言6 7 左右的k 以及约9 0 的a l 、c a 、m g 、n a 等常规金属和 9 5 左右的s i 都转移到底渣中。对于重金属，h g 主要以气态形式存在于 烟气中，p b 、c d 以气固两相存在，p b 大部分存在于灰渣中，底渣中相对多些， 而c d 大部分存在于飞灰中，约4 9 的s n 、z n 和7 5 的s b 也分布在飞灰中【2 8 1 3 0 1 。 所以飞灰的危害性远大于底渣，对飞灰的处理也格外受到各国学者的重视。 2 熔融过程灰渣主要变化特性 国外学者对各种焚烧灰和熔融灰渣的成分作过分析。m a s a h i d en i s h i g a k i 3 1 1 研究了熔融方式对飞灰成分的影响。在产量为5 吨天的各式表面熔融炉和等离 子体熔融炉中，对来自加煤型焚烧炉的底渣和飞灰进行了熔融实验，通过磁选 装置将铁分离，然后得出熔融灰渣成分数据( 见表1 6 ) 。由表1 6 可知，熔渣 中主要成分为s i o 。、a 1z 0 。和c a o 。表面熔融炉工作在氧化性气氛中而等离子体 熔融炉工作在还原性气氛中，因此等离子体熔融炉中的大部分f e ：0 3 还原为铁单 质，熔渣中f e ：0 。的含量明显下降。 许多学者对城市固体垃圾( m s w ) 、废物衍生燃料( r d f ) 以及污泥焚烧飞灰 和底渣进行了研究，测量结果见表1 5 。由结果可以看出，f e ：0 3 是构成飞灰的 主要成分，对于衍生废物燃料焚烧底渣，c a o 含量最高，s i o , 含量其次，而污泥 中s i o 。含量最高，c a o 含量次之。 堑兰苎兰至圭童堡垒查 量= 兰竺丝 1 4 本课题的背景和主要内容 我国垃圾产量高，占用耕地严重，高效的焚烧工艺发展十分迅速。1 9 9 8 年 深圳投产我国第一座现代化垃圾焚烧电厂，余杭、珠海、宁波、上海相继建成 并投产垃圾焚烧发电厂，宁波、上海日处理1 0 0 0 吨的大型现代垃圾电厂刚刚投 运。北京朝阳区日处理1 2 0 0 吨的垃圾焚烧电厂即将完工。此外，珠江三角洲在 建的此类电厂有几十个，江苏、湖南、天津、山西及辽宁等省市的垃圾发电厂 也正在兴建或筹建中。 目前我国即将在北京、上海、深圳等城市试行新的垃圾处理烟气中二恶英 排放标准，为1 o n g t e q n m 3 f 5 j - 5 2 】。随着我国环保意识的逐渐增强，对污染物 的排放要求日益严格，常规焚烧在污染控制方面面临挑战。引进国外的设备不 仅昂贵的投资费用难以承受，而且由于垃圾成分的差别往往很难达到预期效果。 所以只有依靠自身力量进行开发适合我国国情的气化熔融处理技术。因此对城 市生活垃圾的气化熔融处理进行基础研究是非常必要的。 如前所述，随着我国人民生活水平的提高，城市垃圾的热值逐渐提高，已 达1 0 0 0 k c a l k g ，经过初步分选，去除以无机物为主的筛下物，筛上部分热值可 达1 8 0 0 k c a l k g ，已经满足气化熔融处理的热值要求( 1 5 0 0 k c a l k g ) ，具备采用 气化熔融的条件。对城市固体废物气化熔融开展基础性的研究可使我们在固体 废物处理和资源回收方面获取新的知识，形成新的理论。研究成果将为我国探 索适于我国国情的先进固体废物热处理技术的发展和应用打下坚实全面的基 础。 浙江大学热能工程研究所长期以来从事煤和废弃物清洁燃烧领域的基础研 究工作，建立了一系列废物处理小型及中试实验台，造就了良好的学术气氛。 工程热物理学科是国家重点学科，“九五”期间正在建设的“热能与环境工程” 学科是国家“2 1 1 ”重点建设学科项目，研究所建有国家教委洁净燃烧开放实验 室。这些都为课题的顺利完成打下了良好的基础。 1 5 本课题的研究目标和主要内容 本文对垃圾焚烧飞灰这类特殊危险废物的熔融处理开展系统机理研究。 本文从热化学角度的灰渣熔融技术入手，系统研究垃圾飞灰理化特性、 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 熔融机理：利用小型实验详尽研究熔融过程中灰渣中各种污染成分的分解与 迁移特性，具体包括： 城市垃圾焚烧飞灰理化特性系统研究： 飞灰熔融机理研究与动力学研究； 飞灰熔渣的基本理化特性( 密度、孔隙率、晶相和热力稳定性) ； 飞灰熔融过程重金属和二恶英迁移特性实验研究； 参考文献： 1 国家环境保护总局污染控制司城市固体废物管理与处理处置技术北 京：中国石化出版社，2 0 0 0 ，1 2 6 t c h o b a n o g l o u s h t h e i s e n a n d s v i g i l i n t e g r a t e d s o l i dw a s t e m a n a g e m e n te n g i n e e r i n gp r i n c i p l e sa n dm a n a g e m e n ti s s u e s 北京：清华大学 出版社，2 0 0 0 ，3 3 芈振明，高忠爱， 出版社1 9 9 3 4 张无敌，刘士清， 1 1 ( 4 ) ：1 9 2 1 祁梦兰等合编固体废弃物的处理与处置北京；高等教育 周旭东城市固体废弃物及其资源潜力环境与开发1 9 9 6 ， 5 李光德，张建勇等我国垃圾焚烧处理现状及其发展环境科学进展1 9 9 8 ，6 ( 6 ) ：7 8 8 1 6 郝国铺，华山平，贺志明城市垃圾能源化初探环境保护科学1 9 9 7 ，2 3 ( 1 ) ： 2 2 2 4 7 h o n g t a ow a n g a n dy o n g f e n gn i e r e m e d i a ls t r a t e g i e sf o rm u n i c i p a ls o l i dw a s t e m a n a g e m e n ti nc h i n a j a i r & w a s t em a n a g e a s s o c 2 0 0 1 5 1 ：2 6 3 2 7 2 8 i s o l o n g t e r m l e a c h t e s t i n g o fs o l i d i f i e dr a d i o a c t i v ew a s t ef o r m s ( i s o 一6 9 6 1 1 9 8 2 ) i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n f o rs t a n d a r d i z a t i o n 1 9 8 2 9 ，张乃斌，垃圾焚化厂：系统工程规划和设计，高雄，新雅出版社，1 9 9 8 1 0 王华，二恶英零排放化城市生活垃圾焚烧技术。北京，冶金工业出版社，2 0 0 1 1 1 s a m u e ls t u c k ia n da i d oj a l o b t h e r m a lt r e a t m e n to fi n c i n e r a t o rf l ya s h ： f a c t o r s i n f l u e n c i n g t h e e v a p o r a t i o n o f z n c l 2 ，w a s t e m a n a g e m e n t ， v 0 1 17 ，n o 4 ，2 31 - - 2 3 6 ，l9 9 7 1 2 h i g hm ，w i e c k e r tc h ，j o e h u mj ，j o d e i th at h e r m a lp r o c e s s f o rt h e d e t o x i l i c a t i o no ff i l t e ra s hf r o mw a s t ei n c i n e r a t o r s r e c y c l i n gi n t e r n a t i o n a l 1 9 1 9 8 9 ；2 ：1 5 6 j t l 5 6 6 1 3 国家环境保护总局污染控制司，城市固体废物管理与处理处置技术，中国 石化出版社 】4 ，e ，wb i e r w h a ti sc k d ? i ti sc e m e n tk i nd u s t ab yp r o d u c ta b o u tt o b e c o m eav a l u a b l ec o m m o d i t y , r o c kp r o d8 2 ( 6 ) ( 1 9 7 9 ) 8 4 8 8 15 h e c k e ，h s a k a n a k u r a ，t m a t s u t o s t a t e - o f - t h e - a r tt r e a t m e n tp r o c e s s e s