等離子體熔融固化垃圾焚燒飛灰技術(shù)的分析

文_汪嘉濤 吳則江 黃成賢 中節(jié)能（象山）環(huán)保能源有限公司

1 垃圾焚燒飛灰處置現(xiàn)狀

由于垃圾焚燒飛灰含有能被水易于浸出的較高濃度的Cd、Pb、Zn以及Cr等多種有害重金屬物質(zhì)和可溶性鹽類，同時二噁英和呋喃等有機污染物也將在飛灰中富集存在，這些物質(zhì)的存在使飛灰具有一定的污染特性，《國家危險廢物名錄》將垃圾焚燒飛灰規(guī)定為危險廢物。

常規(guī)的飛灰處置方法有固化、填埋、藥劑穩(wěn)定化處理等技術(shù)，均存在潛在的環(huán)境危害性、占地面積大等缺點，最終不能達到資源化處理。而等離子體熔融技術(shù)提供的高溫環(huán)境可以有效使飛灰中的二噁英和呋喃等有機污染物被徹底降解，飛灰經(jīng)高溫熔融再進行冷卻變成玻璃熔渣，其高沸點重金屬被固化在熔渣中，低沸點重金屬則揮發(fā)成氣體被捕集，同時飛灰熔融后形成的熔渣體積減少到原來的1/3左右，且可作為路基、水泥熟料、陶瓷等原料。

目前國內(nèi)大多數(shù)垃圾焚燒企業(yè)仍采用穩(wěn)定化+填埋或水泥窯協(xié)同處置的方式處理飛灰，僅有少數(shù)企業(yè)開始嘗試應(yīng)用等離子體熔融技術(shù)處理飛灰。

2 等離子體熔融系統(tǒng)

以浙江大學(xué)的能源清潔利用國家重點實驗室研發(fā)的雙陽極直流熱等離子體熔融爐為例來介紹熱等離子熔融系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)由雙陽極熱等離子體噴槍、直流電源組U1和U2、密封熔融爐、水冷系統(tǒng)、載氣和洗氣裝置等6個部分組成，核心裝置是置于爐膛頂部的直流雙陽極噴槍，它區(qū)別于常見的等離子噴槍，沿著陰極軸線分布有2個陽極，在工作時各有1組電源加載運行。雙陽極結(jié)構(gòu)可以起到增長和穩(wěn)定電弧、提高電弧強度和減小電弧工作噪音的作用。在2個陽極和陰極這3個噴槍的關(guān)鍵部件上均布有一路水冷循環(huán)，以減緩噴槍的高溫腐蝕，從而確保噴槍的穩(wěn)定工作和延長使用壽命。電弧的宏觀溫度可以達到1400～1500℃，滿足熔融垃圾焚燒飛灰的要求。

加載在等離子噴槍上的電源為經(jīng)由三相交流電整流得到的直流電源，主要工作參數(shù)為U1的空載電壓為45V，輸出電流為50～215A；U2的空載電壓為85V，輸出電流為50～215A。等離子體的工作氣體主要為氬氣、氮氣或氬氮混合氣體，流量通過由氣體質(zhì)量流量控制器（D07-9E/ZM）和流量顯示儀（D08－8C/ZM）組成的氣控裝置調(diào)節(jié)，在工作時氣體體積流量為10～20L/min。

該系統(tǒng)用于飛灰熔融時的工作載氣為氬氣，體積流量為10～15L/min，U1的工作電壓約為10V，輸出電流約為100A；U2的工作電壓約為50V，輸出電流約為100A。

3 工藝流程

熱等離子熔融垃圾焚燒飛灰處置系統(tǒng)一般包括飛灰預(yù)處理系統(tǒng)、熱等離子熔融系統(tǒng)和煙氣處理系統(tǒng)。

3.1 飛灰儲存?zhèn)}、第一定量給料機、造粒機和分格輪

飛灰儲存?zhèn)}的出口與第一定量給料機的入口連接；第一定量給料機的出口與造粒機的第一入口連接，造粒機的出口與分格輪的入口連接，分格輪的出口與熔融反應(yīng)爐的進料口連接。飛灰預(yù)處理系統(tǒng)還包括添加劑儲存?zhèn)}、第二定量給料機；添加劑儲存?zhèn)}的出口與第二定量給料機的入口連接，第二定量給料機的出口與造粒機的第二入口連接。由于第一定量給料機和第二定量給料機分別與造粒機的第一入口和第二入口連通，第一定量給料機將一定量的飛灰輸送到造粒機內(nèi)，第二定量給料機將一定量的二氧化硅添加劑輸送到造粒機內(nèi)，飛灰和氧化硅添加劑按照一定比例混合均勻，可促進飛灰熔融玻璃體的形成，加速造粒機進行造粒，這樣的設(shè)計可有效解決飛灰輸送過程中隨空氣擴散以及飛灰在熱等離子裝置內(nèi)隨煙氣擴散至煙氣處理系統(tǒng)等問題。

3.2 熱等離子噴槍、金屬熔池

熔融反應(yīng)爐內(nèi)部的頂端設(shè)置有熱等離子噴槍，內(nèi)部的底端設(shè)置有金屬熔池。熔融反應(yīng)爐上設(shè)置有進料口、玻璃渣排放口、金屬渣排放口和煙氣排放口，進料口與飛灰預(yù)處理系統(tǒng)的出料口連通，玻璃渣排放口通過管道與水冷槽的熔渣入口連接，金屬渣排放口通過管道與金屬合金儲存罐入口連接。飛灰顆粒在高溫環(huán)境下形成熔融液，飛灰中二噁英等有害成分被降解，重金屬被溶出并回收利用，熔融液流入水冷槽內(nèi)，通常采用流動冷水快速冷卻以迅速降低玻璃態(tài)物質(zhì)的溫度，有效抑制重金屬離子的析出，飛灰熔融液經(jīng)水冷槽冷卻后形成玻璃熔渣。

3.3 二次燃燒室、急冷塔和布袋除塵器

二次燃燒室的煙氣入口與熔融反應(yīng)爐的煙氣排放口連通，二次燃燒室用于將熔融反應(yīng)爐排出煙氣中的CO和CH4去除；二次燃燒室的氣體排出口與急冷塔的進氣口連通，急冷塔用于將進入到水冷塔內(nèi)的煙氣快速降溫；急冷塔的排氣口與布袋除塵器的進氣口連通，布袋除塵器用于將煙氣中的二次飛灰及顆粒物捕集。其中，二次燃燒室內(nèi)的溫度大于等于1100℃，急冷塔將二次燃燒室內(nèi)排出的煙氣溫度降低至200℃以下。二次燃燒室內(nèi)的溫度至少為1100℃，用過高溫將熔融反應(yīng)爐排出煙氣中的CO和CH4去除，經(jīng)二次燃燒室內(nèi)處理過的煙氣進入到急冷塔內(nèi)，急冷塔將煙氣的溫度降低，在使煙氣進入到布袋除塵器內(nèi)，以使煙氣中的煙氣中的二次飛灰及顆粒物被吸附。

3.4 噴淋吸收塔

布袋除塵器的煙氣出口與噴淋吸收塔的煙氣入口連接；噴淋吸收塔包括：循環(huán)泵、堿池和霧化噴頭，霧化噴頭設(shè)置在所述噴淋吸收塔主體內(nèi)部的頂端，循環(huán)泵的進口通過管道與堿池的出口連接，循環(huán)泵的出口通過管道與霧化噴頭連接，霧化噴頭噴灑堿液與煙氣充分接觸以吸收煙氣含有的酸性氣體。其中，堿液可以為NaOH，煙氣中的酸性氣體一般為HCL、SO2酸性氣體，霧化噴頭的朝向可以為和煙氣的流向相同也可與煙氣的流向相反。煙氣進入到噴淋吸附塔內(nèi)，霧化噴頭將堿液進行噴灑，以使堿液充分的接觸，且循環(huán)泵持續(xù)地為霧化噴頭提供堿液，可使煙氣中的酸性氣體中和。

3.5 活性炭吸附塔和煙囪

活性炭吸收塔的煙氣入口與噴淋吸收塔的煙氣出口連接，活性炭吸附塔用于吸收煙氣中微量的揮發(fā)性重金屬及微量的二噁英；活性炭吸附塔的煙氣出口與煙囪的煙氣入口連接，煙氣經(jīng)煙囪的煙氣出口排入大氣中。噴淋塔與活性炭吸附塔和煙囪連通，因此煙氣經(jīng)過多次分級處理使煙氣尾氣中的顆粒物、揮發(fā)性重金屬、酸性氣體、二噁英等有害物質(zhì)均被吸附或中和，整個過程均采用全封閉處理，直至凈化達到相關(guān)排放標準后經(jīng)引風(fēng)機和煙囪排入大氣中，有效避免了對環(huán)境的二次污染。

4 結(jié)論

①等離子體熔融技術(shù)處理溫度高，環(huán)保處理效果徹底，無二次污染；反應(yīng)器尾氣量少，便于潔凈處理，徹底分解二噁英；無機組份可形成玻璃體，杜絕重金屬離子污染水土；設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積少，設(shè)備高度低，可減少廠房建設(shè)成本。

②當飛灰熔融時，二氧化硅和氧化鈣的添加均可以改善熔渣中重金屬的固化效果。相比于飛灰中的晶體結(jié)構(gòu)，熔渣的無定形玻璃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更有利于抑制重金屬的浸出。熔渣的浸出特性均得到了明顯改善，且重金屬浸出質(zhì)量濃度都遠低于毒性標準，熔渣在重金屬毒性上已達到無害化的標準，在周圍環(huán)境中具有極高的穩(wěn)定性和安全性。在后續(xù)研究中，如基于飛灰熔渣的無定形玻璃結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，可將熔渣作為基礎(chǔ)玻璃，研究利用熔渣燒制機械性能優(yōu)良的微晶玻璃，以實現(xiàn)飛灰的資源化利用。