不完全燃燒焚燒灰的微波處理初步研究

王 鵬，高 超，褚浩然，崔 晗，張 禹，阮佳晟，徐 衛(wèi)，鄭博文，李曉海

(中國輻射防護研究院，太原 030006)

迄今為止，我國已經(jīng)建立了3座用于處理放射性可燃固體廢物的焚燒裝置[1-2]，熱解爐作為放射性廢物焚燒裝置的核心設備，采用間隙式爐排結構，主要功能是使可燃固體廢物在其內(nèi)受熱分解，并將熱解焦燒盡[3-4]。其中在意外停車或者極限情況(停水、停電、停氣等)下，爐內(nèi)廢物在燃燒過程中易燃燒不充分，導致燃燒后產(chǎn)物中含有部分可燃成分，從而形成不完全燃燒焚燒灰；其次，純塑料或者純橡膠的廢物受熱融化后，易由爐排間隙直接落入灰箱，最終在灰箱中結渣成塊，形成不完全燃燒焚燒灰。

不完全燃燒焚燒灰由于含有未完全燃盡的有機物、含碳量高等問題，對后續(xù)收集、處理、整備等過程帶來諸多不便和安全隱患。

針對存在的問題，本課題組前期研究了馬弗爐對其進行加熱處理，但是在處理過程中會存在加熱時間長、受熱不均等問題。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，利用微波加熱原理也可對物體進行加熱[5-7]，目前國內(nèi)學者已在垃圾焚燒飛灰方面開展了一定的研究，如微波水熱浸取、微波水熱固化、微波燒結和微波氧化脫除二噁英等等[8]。但是針對不完全燃燒焚燒灰未見相關研究。因此，有必要對不完全燃燒焚燒灰進行進一步減重，對微波處理可行性進行驗證，同時探索微波處理的工藝條件，為今后全面開展工程應用提供必要的前期準備。

1 實驗

1.1 實驗原料及儀器

實驗原料：

(1)不完全燃燒焚燒灰：來自于以往焚燒設施冷態(tài)實驗，采集于熱解爐上爐排，焚燒灰含碳量≥15%，顏色為灰黑色。

(2)較完全燃燒焚燒灰：來自于以往焚燒設施冷態(tài)實驗，采集于熱解爐底部灰箱，焚燒灰含碳量<15%，顏色為灰白色。

實驗儀器列于表1。

表1 實驗儀器Tab.1 Experiment equipment

1.2 實驗方法和內(nèi)容

1.2.1樣品及坩堝烘干

稱取一定量的焚燒灰，置于預先在1 000 ℃±25 ℃下加熱至恒重的坩堝(質(zhì)量m0)中，并將坩堝置于干燥箱中，于110 ℃±5℃下干燥2 h，取出后在保干器中冷卻至室溫，稱重[9]。重復上述步驟進行檢查性烘干，每次加熱時間為20 min，直至恒重，并記錄樣品與坩堝的質(zhì)量m1。

1.2.2馬弗爐加熱

將裝有樣品的坩堝放入馬弗爐中，溫度升至1 000 ℃±25 ℃加熱3 h，停止加熱后，冷卻至室溫，稱重，記錄加熱后樣品與坩堝的質(zhì)量m2。

1.2.3微波灰化爐加熱

將同批次干燥后盛放樣品的坩堝放入微波灰化爐中，按照預定的程序進行加熱。停止加熱后，冷卻至室溫，稱重，記錄加熱后樣品與坩堝的質(zhì)量m3。

1.3 樣品性能檢測

(1)外觀：對樣品外觀、顏色等方面進行觀察。

(2)稱重：使用天平稱量加熱前后樣品的質(zhì)量，并計算質(zhì)量變化。

(3)樣品減重率：

Px=(m1-mx)/(m1-m0)×100%

(1)

式中，Px為減重率，100%；x=2時，為馬弗爐加熱減重率；x=3時，為微波灰化爐加熱減重率；m1為樣品與坩堝加熱前的質(zhì)量，g；m2為樣品與坩堝在馬弗爐加熱后的質(zhì)量，g；m3為樣品與坩堝在微波灰化爐加熱后的質(zhì)量，g；m0為坩堝的質(zhì)量，g。

1.4 焚燒灰物相分析

采用X射線衍射法對樣品物相結構進行分析，檢測樣品中的物相成分。

1.5 微波灰化工藝研究

對灰化工藝，包括灰化量、灰化時間以及灰化溫度梯度控制進行了研究。

2 結果與討論

2.1 外觀及性能檢測

2.1.1可行性研究

本實驗所使用的焚燒灰來自于以往焚燒設施冷態(tài)實驗。焚燒設施處理的廢物組成為棉布、塑料、橡膠以及樹脂按照一定比例混合形成的物質(zhì)。該灰為較為松散的顆粒物，粒徑范圍分布較大，幾十微米到幾毫米不等。為了保證實驗的精確性，因此首先對焚燒灰進行了粒徑篩分，結果列于表2。由表2可見：較完全燃燒焚燒灰在各個粒徑范圍內(nèi)分布較為均勻，分布在20%～30%之間；而不完全燃燒焚燒灰在各個范圍內(nèi)有一定的差別，其中粒徑1 mm以下的焚燒灰僅占12.28%，隨著粒徑的增加，所占的比例逐漸增大，4 mm以上的焚燒灰高達40.12%。出現(xiàn)這種結果的原因可能是含有塑料等物質(zhì)的廢物在爐內(nèi)受熱不均，從而易結渣成塊，導致4 mm以上的焚燒灰所占比例較大。

表2 焚燒灰粒徑分布Tab.2 Particle size distributionof the incineration ash

本實驗中選擇最具代表性的、粒徑為4 mm以上的不完全燃燒焚燒灰(燃燒效果最差得到的焚燒灰)進行研究，分別稱取10 g不完全燃燒焚燒灰，干燥后，分別在微波灰化爐和馬弗爐中進行加熱。圖1為粒徑4 mm以上的焚燒灰在微波灰化爐和馬弗爐加熱前后的外觀圖片。由圖1可見：兩種方式加熱前樣品的顏色均為深黑色，而加熱后顏色均變?yōu)闇\灰色，接近于完全燃燒焚燒灰的顏色；且加熱后樣品的粒徑均有一定程度的減小，坩堝中的灰樣高度均下降約一半左右，體積也隨之減少約一半左右。這兩種加熱方式在外觀方面無明顯差別。

圖1 兩種加熱方式加熱前后樣品外觀圖Fig.1 Appearance of samples before and afterheating by two heating methods

表3為粒徑4 mm以上的焚燒灰在微波灰化爐和馬弗爐加熱后的減重量及減重率。其中，微波灰化爐加熱時間為1 h，馬弗爐加熱時間為3 h。由表3可見，微波加熱后的減重量及減重率分別為4.77 g(54.03%)、4.90 g(55.01%)和4.81 g(54.26%)，而馬弗爐加熱后的減重量及減重率分別為：4.96 g(56.40%)、4.98 g(55.78%)和5.00 g(56.32%)，從中可得出，兩種加熱方式對樣品的減重量及減重率大致相同，由此可說明微波加熱和馬弗爐加熱對樣品的減重均有效果，且效果大致相同。

表3 不同加熱方式的減重量及減重率

通過對馬弗爐和微波灰化爐兩種加熱方式對不完全燃燒焚燒灰外觀、減重量和減重率的對比可以得出，采用微波灰化爐加熱可以達到與馬弗爐加熱同樣的效果。當處理的焚燒灰質(zhì)量相同時，微波加熱所需加熱時間更短，更有利于焚燒灰的處理。因此，采用微波加熱處理焚燒灰具有可行性。

2.1.2減重率測試

為進一步研究微波對焚燒灰的作用，首先選取兩種焚燒灰(不完全燃燒焚燒灰、較完全燃燒焚燒灰)，然后系統(tǒng)研究不同粒徑的焚燒灰微波灰化爐加熱前后外觀、體積、減重量及減重率變化，與馬弗爐加熱的相關結果進行對比。

圖2為4種不同粒徑(1 mm以下、1～2 mm、2～4 mm和4 mm以上)的兩種焚燒灰在微波灰化爐加熱后的減重量及減重率結果。從中可得出，隨著粒徑的增加，不完全燃燒焚燒灰的減重量及減重率均隨之而增加，而較完全燃燒焚燒灰的減重量及減重率并無明顯變化。

圖2 兩種焚燒灰微波灰化爐加熱結果Fig.2 Heating results of two types of the incinerationash by microwave ashing furnace

圖3為4種不同粒徑(1 mm以下、1～2 mm、2～4 mm和4 mm以上)的兩種焚燒灰在馬弗爐加熱后的減重量及減重率結果。從中可得出，其加熱效果與微波灰化爐加熱效果類似，隨著粒徑的增加，不完全燃燒焚燒灰的減重量及減重率均隨之而增加，而完全燃燒焚燒灰的減重量及減重率并無明顯變化。

圖3 兩種焚燒灰馬弗爐加熱結果Fig.3 Heating results of two types of theincineration ash by muffle furnace

通過兩種不同加熱方式分別對兩種焚燒灰進行加熱，研究發(fā)現(xiàn)，兩種方式均可使焚燒灰減重。對于微波灰化爐加熱后的兩種焚燒灰，均發(fā)生了減重，但是不完全燃燒焚燒灰減重率要明顯高于完全燃燒焚燒灰；對于馬弗爐加熱后的兩種焚燒灰，所得結論與微波灰化爐加熱相同。

從上述結果可得，微波灰化爐加熱對焚燒灰的減重效果與馬弗爐加熱相同。通過調(diào)研，馬弗爐加熱的作用形式為首先通過熱輻射，使焚燒灰的表面加熱，然后通過熱傳導，使焚燒灰的內(nèi)部加熱，從而將灰中未完全燃燒的碳燃盡。而微波灰化爐加熱的作用形式為微波與介質(zhì)之間的熱效應[8]，樣品內(nèi)外受熱均勻(體加熱)，同樣可達到使灰中未完全燃燒的碳燃盡的目的，從而更適合于工程應用，且對后續(xù)工藝系統(tǒng)化以及大型工業(yè)化設備的開發(fā)提供必要的前期準備。

2.2 焚燒灰物相分析

為進一步對微波的作用機理進行研究，分別對微波灰化爐加熱前后4組不同粒徑較完全燃燒焚燒灰進行了物相分析，分析結果如圖4和5所示。圖4為不同粒徑焚燒灰微波加熱前的樣品衍射圖譜。由圖4可看出，不同粒徑的完全焚燒灰加熱前組分相同，主要由12種物相組成，分別為低鐵錳閃石、董青石、磷鈣鋅礦、方鎂石、巖鹽、磁鐵礦、赤鐵礦、銳鈦礦、斜硅鈣石、斜方硅鈣石、水碳鋁錳石和磷酸釩。

1—低鐵錳閃石；2—堇青石；3—磷鈣鋅礦；4—方鎂石；5—巖鹽；6—磁鐵礦；7—赤鐵礦；8—銳鈦礦；9—斜硅鈣石；10—斜方硅鈣石；11—水碳鋁錳石；12—磷酸釩。圖4 較完全燃燒焚燒灰加熱前的樣品衍射圖譜Fig.4 The XRD of relatively completedincineration ashbefore heating

圖5為不同粒徑焚燒灰微波加熱后的樣品衍射圖譜。由圖5可知，不同粒徑焚燒灰微波加熱后的組分也均相同，主要由10種物相組成，分別為隕硫鈣石、氧化鋁、硅線石、斜硅鈣石、硅酸鈣、氧化鈦(TiO2)、氧化鈦(Ti3O5)、鈣鋁石、二氧化硅和硫化錳鎵。與微波處理前的物相進行對比可得，處理前后物相完全不同，且處理后的物相轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榉€(wěn)定的物相。

1—隕硫鈣石；2—氧化鋁；3—硅線石；4—斜硅鈣石；5—硅酸鈣；6—氧化鈦(TiO2)；7—氧化鈦(Ti3O5)；8—鈣鋁石；9—二氧化硅；10—硫化錳鎵。圖5 較完全燃燒焚燒灰加熱后的樣品衍射圖譜Fig.5 The XRD of relatively completedincineration ash after heating

故微波的作用機理可能為加熱前的焚燒灰中如水碳鋁錳石和磷鈣鋅礦等物質(zhì)含有水分子，而水分子為極性介質(zhì)，其與灰中非極性介質(zhì)會形成偶極子[8]，這些偶極子隨著高頻交變磁場的高速擺動而不斷重新排列導致摩擦生熱，從而對焚燒灰進行加熱，使其未完全燃盡的碳在高溫下燃盡，且隨著溫度升高，加熱后的物相轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榉€(wěn)定的物相。

2.3 微波灰化工藝研究

2.3.1微波加熱功率的影響

為確定最佳微波處理焚燒灰的工藝，首先系統(tǒng)考察了不同微波加熱功率對焚燒灰減重率的影響。具體操作步驟為：分別稱取等量樣品，干燥后放入微波灰化爐中進行加熱，微波灰化爐的功率分別為4 kW、5 kW和6 kW，加熱時間為1 h，冷卻至室溫，稱重，記錄加熱后樣品與坩堝的質(zhì)量m3。其結果如圖6所示，從中可得出，在同一功率下，隨著粒徑增加，減重率隨之而增加，分析其原因可能是不同粒徑焚燒灰所含的未完全燃燒的碳含量不同，1 mm以下的焚燒灰所含的未完全燃燒的碳最少，隨著粒徑增加，其含量也在增加。而對于同一粒徑焚燒灰，隨著加熱功率的增加，減重率隨之而增加，這可能是因為低功率時焚燒灰的溫度較低，其內(nèi)部未完全燃燒的碳未能完全燃盡，從而導致減重率較低；隨著加熱功率的增加，焚燒灰的溫度升高，焚燒灰內(nèi)部未完全燃燒的碳燃盡，從而減重率隨之增加。

圖6 不同微波加熱功率對焚燒灰減重率的影響Fig.6 Effect of different microwave heating poweron weight loss rate of incineration ash

2.3.2微波加熱時間的影響

為進一步確定微波處理焚燒灰的工藝，研究了微波加熱時間對焚燒灰減重率的影響，具體操作步驟為：分別稱取等量樣品，干燥后放入微波灰化爐中進行加熱，加熱功率為6 kW，加熱時間為1 h，每隔10分鐘取出，冷卻至室溫，稱重，記錄加熱后樣品與坩堝的質(zhì)量m3。其結果如圖7所示，從中可得出，對于同一粒徑的焚燒灰，隨著加熱時間的增加，減重率先增加然后逐漸穩(wěn)定，這可能是因為隨著時間增加，焚燒灰中所含的未完全燃燒的碳含量減少，從而導致減重率增幅越來越小，最終增幅為零；在同一時間下，隨著粒徑的增加，減重率隨之而增加，這可能是因為不同粒徑的焚燒灰所含的未完全燃燒的碳含量不同，粒徑大的焚燒灰所含的未完全燃燒的碳含量較多，從而導致減重率較大。

圖7 不同加熱時間對焚燒灰減重率的影響Fig.7 Effect of different heating time onweight loss rate of incineration ash

2.3.3焚燒灰處理量的影響

為更進一步確定微波處理的工藝條件，研究了不同處理量對粒徑1 mm以下和4 mm以上兩種焚燒灰的減重量及減重率的影響，具體操作步驟為：分別稱取5 g、10 g、20 g和30 g樣品，干燥后放入微波灰化爐中進行加熱，加熱功率為6 kW，加熱時間為1 h，冷卻至室溫，稱重，記錄加熱后樣品與坩堝的質(zhì)量m3。其結果如圖8和9所示。由圖8可看出，對于粒徑1 mm以下不同處理量的焚燒灰，在50 min后達到的減重率近似相同，為22%左右；5 g焚燒灰達到完全減重所需時間少于10 min，10 g和20 g焚燒灰所需時間少于30 min，而30 g焚燒灰達到完全減重則需要40 min以上。由此可得出，粒徑1 mm以下不同處理量的焚燒灰均可達到完全減重，但是達到完全減重所需時間不同，處理量越大，所需時間越長。

圖8 不同處理量對粒徑1 mm以下的焚燒灰減重率的影響Fig.8 Effect of different treatment quantityon weight loss rate of incineration ashwith particle size under 1 mm

由圖9可看出，對于粒徑4 mm以上處理量為5 g和10 g的焚燒灰，隨著時間增加，減重率呈先上升后逐漸穩(wěn)定的趨勢，在50 min后達到的減重率近似相同，為55%左右；而處理量為20 g和30 g的焚燒灰，隨著時間增加，減重率呈上升趨勢，且在60 min時的減重率明顯小于5 g和10 g焚燒灰的減重率。由此可得出，粒徑4 mm以上處理量為5 g和10 g的焚燒灰在60 min內(nèi)可達到完全減重，而處理量為20 g和30 g的焚燒灰在60 min內(nèi)未能達到完全減重。

圖9 不同處理量對粒徑4 mm以上的焚燒灰減重率的影響Fig.9 Effect of different treatment quantity onweight loss rate of incineration ashwith particle size under 4 mm

對比粒徑1 mm以下焚燒灰的結果可知，粒徑4 mm以上焚燒灰隨著處理量的增加，存在焚燒灰未能達到完全減重的現(xiàn)象，即灰中未完全燃燒的碳未能完全燃燒；對于同一處理量可完全減重的焚燒灰，粒徑越大，達到完全減重所需時間越長。

通過外觀及性能檢測，采用微波加熱處理焚燒灰具有可行性，可達到與馬弗爐同樣的效果，即顏色均由暗黑色變?yōu)闇\灰色，減重量及減重率大致相同。

微波處理焚燒灰的性能與加熱功率、加熱時間和處理量有關。加熱功率和加熱時間決定了微波處理焚燒灰的效率，而處理量決定了微波處理焚燒灰的能力。處理能力和處理效率是微波處理焚燒灰的重要性能參數(shù)，結合實驗過程綜合考慮，得出單位時間單位功率的處理量(即：處理效率)公式為：

φ=m/(P·t)

(2)

式中，φ為處理效率g/(kW·min)；m為減重量，g；p為功率，kW；t為時間，min。對于粒徑1 mm以下的焚燒灰，在功率足夠的情況下，處理效率大致相同。

3 結論

(1)采用微波加熱處理焚燒灰具有可行性，并對工藝進行了初步研究,得出結論：微波處理焚燒灰的效率(φ)與加熱功率加熱時間t和處理量(m)有關。

(2)微波對焚燒灰的作用機理可能為極性分子與非極性分子形成的偶極子，在交變磁場中摩擦生熱，從而對焚燒灰作用；也可能是在處理過程中存在輻射效應等，需進一步開展工作探究其主要作用形式以及作用的協(xié)同關系。

(3)建議下一步繼續(xù)開展焚燒灰微波處理工藝研究，為后續(xù)工藝系統(tǒng)的優(yōu)化和工程應用提供技術支持。