飞灰熔融处理技术的探究

白 力

（上海康恒环境股份有限公司，上海 201703）

·固废处理·

飞灰熔融处理技术的探究

白 力

（上海康恒环境股份有限公司，上海 201703）

概述了飞灰熔融技术，分析对比了高温熔融各种熔融方法的原理、运行参数和费用，阐述了高温熔融技术特点，并以电热式熔融为例分析了建设投资和运行费用，综合考虑飞灰高温熔融技术的优缺点的基础上，指出该项技术的实施需谨慎。

垃圾焚烧；飞灰；熔融

焚烧灰渣熔融技术来源于冶金工业与玻璃工业，在高温下熔融灰渣成为液体。因为灰渣的主要成分与硅酸盐玻璃（CaO-SiO2-Al2O3）类似，所以熔融后能形成玻璃状的熔渣。该技术因解决了飞灰二恶英污染问题，熔渣可以作为建筑骨材加以回收利用，而得到青睐。但是该技术高投资、高成本和潜在的二次污染带来的风险也不容忽视。

1 飞灰熔融概述

熔融是利用燃料或电力加热飞灰到熔融温度，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。由于飞灰熔融温度高达1 300℃以上，二恶英完全分解，避免了飞灰二恶英污染。飞灰中的重金属部分气化进入烟气，部分留在熔渣中。熔渣中的重金属被熔融时形成的Si—O—Si网状构造包含固化，形成极稳定的玻璃质，重金属溶出量大大降低。飞灰经过熔融后，密度增加，体积减至原来的1/3～1/2，减容作用明显。由于熔渣的性质稳定，强度较高，可以作为路基材料，做到资源再利用。

2 高温熔融分类

飞灰熔融按所耗能源的种类不同可以分为电热式和燃料式，两者各自按原理不同又可分为若干小类，每种熔融方法的原理、运行参数和费用详见表1。从表1可以看出，飞灰熔融温度高达1 200～1 800℃，因此需要大量能量用于加热。电热式熔融还存在电极消耗，需要定期更换。

表1 飞灰熔融技术比较

续表1 飞灰熔融技术比较

3 高温熔融技术特点

3.1 盐基度与熔流点

灰渣温度必须在其熔流点以上才能熔融，高温有利于熔融，增加熔融物的流动性，改善熔渣品质，减少熔渣空隙和溶出毒性，有利于熔渣资源化利用。但是熔融温度过高会损坏炉壁耐火砖、增加系统热损失及辅助燃料消耗。

飞灰的宏量成分为CaO和SiO2，氧化物的熔点都很高（CaO为2 500℃、SiO2为1 710℃），但其共熔点温度会降低，一般为1 200～1 400℃。飞灰的盐基度定义为CaO/SiO2，当盐基度为1时，飞灰熔融温度最低。大多数国内焚烧厂采用的半干法/干法烟气处理产生的飞灰盐基度为3～5，为减低熔流点，需要加入废玻璃或石英砂。如要把盐基度减低至1左右，需要加入SiO2的量为飞灰质量的20%～40%。

3.2 灰渣配比与挥散率

在熔融的高温下，飞灰中的低沸点重金属和盐类将逸散，产生熔融飞灰，如Na、K、Cd、Pb、Zn、Cl、S等元素均向烟气中迁移，而残留在熔渣中的元素仅为 Si、Al、Ca、Mg、Fe、Cr、P 等，逸散质量与进炉飞灰质量之比称为挥散率。在高温熔融时，飞灰的挥散失重率很高，当到达熔流点时，挥散失重率已达25.5%，当温度升至1 450℃时，挥散失重率高达90.8%。

为降低挥散率，减少二次飞灰产生量，可以采取飞灰和炉渣混合熔融的措施，实际运行中炉渣/飞灰混合比例为2∶1～4∶1。在日本，2002年以后完工运行的熔融工厂，绝大多数为电浆式熔融炉，无单独处理机械炉排炉产生的飞灰实例，均为炉渣＋飞灰混合熔融。

表2为国外某灰渣熔融工厂的实验数据。

表2 熔融灰渣比、熔融温度与挥散率的关系

3.3 烟气污染物浓度

熔融烟气中的污染物主要为HCl、NOx和SOx。HCl来自飞灰中的挥发性Cl元素，NOx主要为热NOx。可以控制炉内氧气分压（相当于CO/CO2或H2/H2O，即氧化或还原环境），来控制烟气中HCl和NOx含量。在氧气分压低的还原气氛中，将抑制熔融烟气的HCl和NOx浓度。

表3为国外某表面熔融回转式熔炉单独熔融炉渣时炉出口的烟气浓度，可以看出，氧化环境下的烟气NOx、SOx、HCl浓度分别高出还原环境下52.3%、11.0%、83.4%。

表3 烟气浓度与氧化还原气氛的关系 ×10-4%

表4为国外某电浆式和电阻式熔融炉除尘器出口烟气浓度，飞灰单独熔融，炉内为还原气氛，烟气处理采用冷却塔+干法+袋式除尘。电浆熔融炉的炉内扰动性较大，烟气温度较高，盐类物质容易向烟气侧挥散，烟气中HCl等酸性气体浓度较高。电阻熔融炉的炉内扰动性较小，加之飞灰覆盖在熔融层上，产生隔绝效应，烟气温度较低，抑制盐类物质挥散，烟气中HCl等酸性气体浓度较低。

表4 烟气浓度与炉型的关系 ×10-4%

3.4 重金属在熔渣和二次飞灰中的迁移

Pb、Cd、Zn、Hg、Ag等重金属的氧化物，其分解反应的氧平衡压力较大，在炉内易被还原成单质，沸点较低，容易挥散进入烟气；而Cu、Ni、Cr等则留在熔渣中。在还原环境中熔融时，Pb、Zn多被还原成金属单质，趋向于进入烟气侧，反之，在氧化环境中，其挥散性受到抑制。

表5为国外某表面熔融回转式熔炉单独熔融炉渣时重金属浓度。表6为国外某电浆式熔融炉进行飞灰单独熔融时的重金属浓度。从表5、6可以看出，飞灰中的各种重金属在熔渣和二次飞灰中以不同的比例迁移，由于浓缩效应，重金属在二次飞灰中的浓度比原始飞灰高出数倍甚至数十倍。

表5 重金属在熔渣和二次飞灰中的分布（一） mg/kg

表6 重金属在熔渣和二次飞灰中的分布（二） mg/kg

4 飞灰熔融处理的建设投资和运行费用

以电热式熔融为例，据日本灰渣熔融工厂资料，电热式熔融炉投资平均为人民币377万～484万元/t。据我国台湾地区灰渣熔融资料，电弧式熔融炉投资为人民币198万元/t，电浆式熔融炉投资为人民币257万元/t。

电热式熔融炉的操作维护费用包括能耗、烟气处理、二次飞灰处理、损耗件更换及定期维修，在日本约为人民币995～2 096元/t，我国台湾地区约为人民币1 051～1 227元/t，如果加上折旧费则为1 391～1 567元/t。

5 讨论

1）飞灰高温熔融具备的优点：①减容率高；②解决了二恶英污染问题；③熔渣稳定性高，可以资源再利用。

2）飞灰高温熔融存在的缺点：①飞灰高温熔融产生的烟气和二次飞灰污染物需要处理，而且产生比例和浓度均很大；②熔融前需要减低飞灰盐基度并掺入炉渣混合熔融，以降低熔流点和挥散率；③单位投资大，能耗大，维护频繁，运行费用高。

综合考虑飞灰高温熔融技术的优缺点，该项技术的实施需谨慎。

Fly Ash Melting Treatment Technology

Bai Li
（Shanghai SUS Environment Co.Ltd.，Shanghai201703）

The technology of fly ash melting wasreviewed.The mechanism，operating parameters，cost and characteristics of all the high temperature melting technologies were compared.Taking electro-thermal melting as an example，the project construction investment as well as the operating cost was furthermore analyzed.Finally，it was pointed out that the electro-thermal melting technology should be applied into practice with caution，depending on itsadvantagesand disadvantages.

waste incineration；fly ash；melting

X705

A

1005-8206（2017）05-0022-03

2016-09-13

白力（1976—），硕士，高级工程师，主要从事环境工程技术研发和管理。

E-mail：baili@shjec.cn。