國內(nèi)外城市垃圾焚燒飛灰熔融技術(shù)綜述

高術(shù)杰 陳德喜 馬明生

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生活水平的提高，生活垃圾產(chǎn)生量不斷增加，產(chǎn)生的垃圾量約為2.5億t/a，占世界總量的1/4，相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)將以8%～10%的速度增長。2016年，國家發(fā)展與改革委公布的《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》明確提出：設(shè)市城市生活垃圾焚燒處理能力占無害化處理總能力由2015年的35%提升至2020年的50%，生活垃圾焚燒規(guī)模將達(dá)到62萬t/d。其中，生活垃圾焚燒飛灰產(chǎn)生量有可能從2015年的400萬t/a升至2020年的800萬t/a[1]。

由環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合國家發(fā)展和改革委員會、公安部修訂發(fā)布的《國家危險(xiǎn)廢物名錄》(2016版)中明確規(guī)定，生活垃圾焚燒飛灰(廢物類別：HW18焚燒處置殘?jiān)瑥U物代碼：772-002-18)屬于危險(xiǎn)廢物，必須單獨(dú)收集，不得與生活垃圾、焚燒爐渣等混合，也不得與其它危險(xiǎn)廢物混合。焚燒飛灰屬于危險(xiǎn)廢物，不能豁免管理，制訂垃圾焚燒飛灰的綜合利用標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫。本文詳細(xì)綜述了國內(nèi)外幾家公司的飛灰熔融處理技術(shù)。

1 國外飛灰熔融技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 JFE灰熔融技術(shù)

1.1.1 JFE灰熔融爐的發(fā)展

1)1978年，JFE公司(前身為NKK公司)開始進(jìn)行灰熔融爐的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

2)1991年，JFE公司開發(fā)出適用于飛灰熔融擴(kuò)大試驗(yàn)(1 t/d)的電阻式灰熔融爐。

3)1992年開發(fā)的中試規(guī)模(12 t/d)電阻式灰熔融爐穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行100天以上，利用不同成分的垃圾焚燒灰渣進(jìn)行了多次的中試試驗(yàn)，證明了電阻式灰熔融爐是一種運(yùn)行穩(wěn)定、能源效率高的電爐。

4)日本八王子市垃圾焚燒廠的處理能力為300 t/d(焚燒爐100 t/d×3)。1994年，該工廠采購2臺JFE灰熔融爐(18 t/d×2)處理焚燒爐產(chǎn)生的灰渣，該電爐于1998年3月正式運(yùn)行。八王子市垃圾焚燒廠發(fā)電量為1 990 kW，產(chǎn)生的部分電力可提供給灰熔融爐。

5)2001年，日本橫濱市垃圾焚燒廠采用JFE公司的灰熔融爐(60 t/d、2 500 kVA)。

1.1.2 JFE灰熔融爐的工作原理

JFE灰熔融爐采用三相交流電源，通過石墨電極的埋弧電熱與物料的電阻電熱高溫熔融垃圾焚燒飛灰[2-4]，如圖1所示。電爐內(nèi)的物料根據(jù)不同的存在狀態(tài)，可以分成燃灰層、熔渣層和熔融金屬層。從飛灰溜槽傳輸至爐腔的飛灰直接覆蓋在熔渣表面，形成燃灰層；電極在放熱過程中不斷熔化燃灰層，形成熔渣層；在熔融過程中，密度較大的金屬在重力作用下逐漸下沉至爐底，最終形成熔融金屬層。

圖1 JFE灰熔融爐示意圖

1.2 IHI灰熔融技術(shù)

1.2.1 IHI灰熔融爐的發(fā)展

IHI公司是日本一家重工業(yè)公司，也是日本重要的軍事防務(wù)供應(yīng)商。1998年，IHI公司在橫濱技術(shù)研究所(場地面積1萬m2)建設(shè)了不同設(shè)備的中試試驗(yàn)基地：內(nèi)部熔融裝置(50 t/d)、煉焦床式熔融爐(10 t/d)和直流電阻灰熔融爐(10 t/d)等[5-10]。

IHI公司先后在神奈川縣下清垃圾焚燒廠進(jìn)行了小型試驗(yàn)(處理能力2.4 t/d)，在橫濱技術(shù)研究所進(jìn)行了大型試驗(yàn)(處理能力10 t/d)。1995年，第一臺內(nèi)部熔融爐在愛知縣碧南市正式商業(yè)化運(yùn)行；1998年，第一臺直流電阻灰熔融爐在群馬縣正式商業(yè)化運(yùn)行；2001年，第二臺直流電阻灰熔融爐在岡山縣正式商業(yè)化運(yùn)行。

1.2.2 直流電阻灰熔融爐

直流電爐由電源、整流器、短網(wǎng)、電爐和控制系統(tǒng)組成，在爐底上裝置接點(diǎn)與爐頂電極一并構(gòu)成電流回路。直流爐中由于電流通過熔池再通向分散的底電極，熔池中的電動(dòng)力使電弧下的那部分金屬向下并向四周運(yùn)動(dòng)，這種攪動(dòng)可以使熔池的溫度和成分均勻，熔渣從出渣口間斷排出，實(shí)現(xiàn)飛灰熔融連續(xù)操作。直流電阻灰熔融爐的模型及溫度分布區(qū)間如圖2和圖3所示。

圖2 直流電阻灰熔融爐模型

圖3 直流電阻灰熔融爐的溫度分布區(qū)間

直流電阻爐的優(yōu)點(diǎn)是短網(wǎng)只有一相，布置簡單，電流密度高，一根電極的容量可相當(dāng)于交流的三根電極；同時(shí)電極數(shù)目減少有利于減少側(cè)表面氧化消耗。但是，大型整流器價(jià)格昂貴，且底電極更換復(fù)雜，這些都有待一步改進(jìn)。

1.3 日立造船灰熔融技術(shù)

日立造船株式會社創(chuàng)建于1881年，屬于綜合性重工企業(yè)，以環(huán)境保護(hù)、成套設(shè)備業(yè)務(wù)為主，并擴(kuò)展精密機(jī)械、IT等領(lǐng)域的業(yè)務(wù)。1965年日立造船建設(shè)了日本第一個(gè)機(jī)械式生活垃圾焚燒廠，至今有200多座生活垃圾焚燒廠的業(yè)績，并在世界上第一個(gè)完成8 000 h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。在環(huán)保領(lǐng)域，日立造船還從事工業(yè)廢棄物、危險(xiǎn)廢物、飛灰、污泥等固廢處理設(shè)施及污水處理、煙氣處理設(shè)施的建設(shè)業(yè)務(wù)。

日立造船研發(fā)了一種以柴油為原料的燃料式灰熔融爐[11]，爐型為豎圓筒型，內(nèi)徑0.8 m，爐高1.26 m，爐內(nèi)部采用耐火材料，外壁采用水冷套結(jié)構(gòu)，工藝流程如圖4所示。煙氣從灰熔融爐出來，分別進(jìn)入到燃燒室、氣體冷卻室和布袋除塵器，最終由引風(fēng)機(jī)吸引至煙囪處排空。

圖4 日立造船燃料式飛灰熔融系統(tǒng)工藝流程圖

1992年，日立造船開始研發(fā)雙電極等離子體電弧灰熔融爐，并且建造了一座中試規(guī)模的灰熔融爐，飛灰處理量為6 t/d，在高溫等離子體電弧作用下，即便含水率≥20%～30%的飛灰，也可以被迅速熔化且得到高品質(zhì)的玻璃渣。

1.4 大同特殊鋼灰熔融技術(shù)

大同特殊鋼株式會社(簡稱“大同特鋼”)的主營業(yè)務(wù)有特殊鋼、功能材料、磁性材料、汽車工業(yè)機(jī)械零件、工業(yè)爐窯及環(huán)保設(shè)備等。大同特鋼的飛灰熔融技術(shù)源于工業(yè)爐窯冶煉特殊鋼的核心技術(shù)，利用直流電弧爐熔煉廢鐵制備普通鋼、不銹鋼等研發(fā)出了直流電弧灰熔融爐技術(shù)與裝備。

1.4.1 火焰式灰熔融爐

大同特鋼研發(fā)的火焰式灰熔融爐以爐排爐飛灰、流化床飛灰以及RDF飛灰為熔融對象，處理能力為1.2 t/d，可以穩(wěn)定運(yùn)行100天以上，如圖5所示。應(yīng)用結(jié)果表明，二噁英類物質(zhì)的去除率在99.9%以上；HCl和SOx采用濕式脫除裝置吸收，NOx采用催化脫硝裝置凈化，均可達(dá)到煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)；玻璃渣的浸出實(shí)驗(yàn)表明，飛灰熔融玻璃渣的重金屬浸出濃度極低，完全符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)；飛灰熔融產(chǎn)生的二次飛灰通過穩(wěn)定化后填埋，符合填埋要求。

圖5 大同特鋼火焰式灰熔融爐構(gòu)造

1.4.2 電弧灰熔融爐

大同特鋼作為日本電弧爐的先驅(qū)，還開發(fā)出了世界上第一個(gè)“電弧熔煉”的城市生活垃圾焚燒灰渣熔融系統(tǒng)“DAP”。自從1978年開始，大同特鋼開始研究利用電弧爐熔融垃圾焚燒飛灰；1991年，在日本大宮市建成250 t/d×2的電弧灰熔融爐。

電弧爐以頂部石墨電極為陽極，通電后頂電極與底電極間產(chǎn)生上千度的高溫電弧，從而熔化飛灰物料。熔渣與金屬同時(shí)在1 300～1 500 ℃時(shí)從排渣口流出。熔融過程中爐內(nèi)為氧化氣氛，排放廢氣先經(jīng)過氣體冷卻，再經(jīng)過除塵器收集二次飛灰，工藝流程如圖6所示。此裝置系統(tǒng)不需要預(yù)先除去飛灰中的鹽類，也不需要添加其它助熔劑。

圖6 電弧灰熔融爐工藝流程圖

1.5 英國Tetronics灰熔融技術(shù)

英國Tetronics International公司是全球領(lǐng)先的利用直流等離子體弧處理危險(xiǎn)廢物設(shè)備供應(yīng)商。等離子體處理的危險(xiǎn)廢物包括飛灰、有機(jī)廢物、電解液、廢石棉、放射性廢物、石油污泥及生化武器試劑等。Tetronics公司在對一系列的危險(xiǎn)廢物和工業(yè)廢物的無害化處理與資源回收領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富，擁有90多個(gè)工程應(yīng)用案例。

等離子體爐為圓筒狀，外殼材質(zhì)為帶防銹涂層的低碳鋼，如圖7所示。爐內(nèi)有耐火內(nèi)襯，爐體與爐頂均采用水冷處理，可以很好地降低熔渣侵蝕和熱剝離。等離子體爐的電源為直流電源，根據(jù)飛灰的單位重量來校準(zhǔn)調(diào)節(jié)等離子體輸入功率。在熔爐運(yùn)行過程中會進(jìn)行溫度和電子監(jiān)控，上部設(shè)有一個(gè)端口專用的閉路電視系統(tǒng)；經(jīng)N2穩(wěn)定的等離子體弧從一個(gè)垂直的石墨電極轉(zhuǎn)移到熔體中，此電弧的電子導(dǎo)引可形成增高的電流和焦耳熱作用在熔體上，從而將飛灰高溫熔化。

圖7 英國Tetronics等離子體直流電弧爐

2 國內(nèi)飛灰熔融技術(shù)研究進(jìn)展

近10年來，生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目在中國發(fā)展十分迅速。在焚燒過程中產(chǎn)生的垃圾焚燒飛灰，主要以“螯合劑+水泥”固化形式進(jìn)行填埋。隨著城市周邊填埋場用地緊張和環(huán)保要求趨嚴(yán)，飛灰熔融技術(shù)越來越得到重視。

2.1 國內(nèi)飛灰熔融技術(shù)研究成果

飛灰熔融技術(shù)在我國仍然處于研發(fā)階段，有許多技術(shù)難點(diǎn)亟需突破，目前尚無工程化穩(wěn)定運(yùn)行的報(bào)道，但是已經(jīng)有很多公司、研究院以及高校開展半工業(yè)化試驗(yàn)，并且取得一定試驗(yàn)成果：

1)中國科學(xué)院等離子體研究所與中科華炬環(huán)?？萍加邢薰驹隈R鞍山危險(xiǎn)廢物等離子體熱解處置項(xiàng)目中，進(jìn)行處理危險(xiǎn)廢物(如垃圾焚燒飛灰)，處置能力為10 t/d。

2)上海固體廢棄物處置中心與吉天師能源科技(上海)有限公司共同建設(shè)一條危險(xiǎn)廢物等離子體氣化科研生產(chǎn)線，處理能力為30 t/d，項(xiàng)目共計(jì)投資3 200萬元。

3)中國天楹集團(tuán)在江蘇海安縣建設(shè)等離子熔融技術(shù)示范線，處理垃圾焚燒飛灰。

4)2018年，光大環(huán)保擬投資3 000多萬元在鎮(zhèn)江建設(shè)飛灰等離子熔融的科研示范項(xiàng)目，處理其中一臺400 t/d垃圾焚燒爐產(chǎn)生的飛灰(約12 t/d)。

5)中廣核研究院正在建設(shè)日處理量10 t混雜廢物和30 t飛灰的工程項(xiàng)目。

6)2018年，中國航天科技集團(tuán)六院十一所原動(dòng)力公司研發(fā)的等離子體爐渣氣化熔融固廢處理示范工程項(xiàng)目，在江蘇鹽城連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過30天，有機(jī)污染物焚毀率可達(dá)99.99%。

7)包括廣州能源研究所、復(fù)旦大學(xué)以及核工業(yè)西南物理研究院等也開展等離子體氣化技術(shù)，進(jìn)行了大量卓有成效的試驗(yàn)工作。

8)中國恩菲開發(fā)了具有自有知識產(chǎn)權(quán)的飛灰熔融關(guān)鍵技術(shù)，形成了飛灰熔融工業(yè)化生產(chǎn)的成套裝備。

2.2 恩菲飛灰熔融技術(shù)的優(yōu)勢

2017年，恩菲試驗(yàn)基地進(jìn)行了飛灰熔融的驗(yàn)證試驗(yàn)，確定了該工藝的可行性；2018年，中國恩菲規(guī)劃投資建設(shè)飛灰熔融的中試規(guī)模生產(chǎn)示范線，計(jì)劃2019年正式投入使用。該技術(shù)具有如下優(yōu)勢：

1)還原氣氛下抑制了HCl和NOx的產(chǎn)生，尾氣量少且處理簡單，不需要安裝噴射熟石灰和脫硝設(shè)備。

2)根據(jù)熔融態(tài)產(chǎn)物密度差異，分離氯鹽和玻璃熔渣，通過揮發(fā)作用收集低沸點(diǎn)重金屬，高濃度二次污染物可實(shí)現(xiàn)資源化利用。

3)熔池表面覆蓋灰起絕熱效果，降低輻射熱損失，煙氣散熱損失少，整體熱效率高。

4)較溫和的熔融過程有助于降低煙氣排放量，降低煙氣凈化的負(fù)擔(dān)。

5)由于電極間產(chǎn)生的焦耳熱熔化灰渣，因此加熱部分容積能夠放大，可應(yīng)對大型化。

3 結(jié)束語

飛灰在熔融過程中產(chǎn)生的二次污染必須解決。由于我國飛灰中氯元素含量高達(dá)20%以上，不同于歐美國家熔融處置低濃度氯的飛灰；另外，日本采用“飛灰+底渣”的熔融工藝路線，不符合我國國情。因此，采用熔融技術(shù)處置高濃度氯元素飛灰，在世界范圍內(nèi)沒有先例，也是一個(gè)世界性難題。飛灰的玻璃化熔融工藝涉及了廢“固、液、氣”綜合處理的全方位研究，不僅包括高溫熔融技術(shù)，而且涵蓋了復(fù)雜煙氣凈化、高鹽廢水治理和熱熔渣資源化利用等行業(yè)技術(shù)難點(diǎn)和熱點(diǎn)，通過類似冶金技術(shù)有效分離熔渣、低熔點(diǎn)重金屬等物質(zhì)，最終達(dá)到飛灰的無害化、減量化和資源化。