等离子体熔融技术处理焚烧灰渣探讨

罗铎元，柴 晖，孙甜甜

(瀚蓝(佛山)工业环境服务有限公司，广东 佛山 528000)

随着环保监管的加强和危废管理制度的完善，我国危废年产量逐年攀升，危废处理量也在稳步增加，但针对处理过程中产生的二次危废——炉渣和飞灰等，依旧是需要攻克的难题。

焚烧过程中产生的炉渣、后续烟气处理装置产生的飞灰等是灰渣的主要来源，不同类型的危废产生的灰渣的物理和化学性质存在较大差异，锅炉底灰通常收集与底部，主要由熔融渣块、玻璃、石块以及金属碎片组成，其中的高沸点元素硅、铝、铁等占到了80%左右，飞灰中的污染物主要是由焚烧过程易挥发性元素在烟气中经浓缩、凝聚和吸附等方式形成的，且存在较严重的浸出性。

目前国内灰渣的处理方式有固化稳定化、安全填埋、等离子熔融、提取分离等技术。固化稳定化是当前处置灰渣的主要技术，先稳定灰渣中的有害物质，再进行安全填埋。但安全填埋会占用很多土地资源，且随着填埋场建设标准的逐渐严苛，选址的困难性也充分说明了安全填埋的弊端。此外安全填埋并没有从根本上解决灰渣的处置问题，还有可能存在浸出风险。因此，市场迫切需要经济有效的新技术来改善这一现状。

1 等离子熔融工艺

1.1 等离子体概念

1928年Langmuir[1]首次提出了等离子这一概念，其含义是离子和电子群的近似电中性的集合体。等离子体来源的途径主要有电晕放电、辉光放电、介质阻挡放电、滑动弧放电等，由于等离子体不同于传统的固体、液体和气体，它也被称为物质第四态。

1.2 等离子体熔融技术工艺

等离子体气化熔融技术，主要是借助等离子体所具有的能量，在高温缺氧的状态，对有机物高温裂解，无机物变成熔融状态，最后生成可燃气体和无毒化的玻璃体炉渣的一个过程。

(1)等离子熔融阶段

等离子体熔融技术工艺在处理前一般要进行预处理，例如破碎、分拣、脱水等，主要是对危废进行稳定化、均质化，再将危废输送至等离子熔融炉，使其中的大分子有机物在高温条件下迅速反应分解为小分子可燃气体(一氧化碳、氢气等)。该反应过程中，氧含量的大小由氧化风的进口阀门进行控制。在高温作用下，无机物熔融形成熔浆。形成一定量后的熔浆，从专门的出浆通道离开等离子体炉，最后得到无毒化的玻璃体炉渣。

(2)尾气处理阶段

等离子熔融阶段产生的气体从炉子上方排出，经过余热回收、除尘、脱硝、脱酸等设备进行达标排放，该过程需设置烟气在线监测CEMS系统，该系统主要是对烟气进行实时检测，后端设置烟气脱白系统，使焚烧产生的烟气的各项标准均满足相应的要求。

该工艺过程产生的玻璃体残渣大大降低了炉渣的体积，相关研究证明，该产物的各项浸出毒性的检测均满足要求。

2 等离子体熔融处理炉渣分析

2.1 国内外研究现状

危险废物焚烧所生成的炉渣和飞灰仍然属于二次危废，早在上世纪90年代，就有国外学者通过采用等离子熔融炉对焚烧灰渣的处理效果进行研究，该试验系统运行28个月，期间重金属的测试结果表明，Pb含量不超过0.01 mg/L，且没有二噁英的产生痕迹，从而确认了灰中有害元素的有效处理。此外，通过发现这种通过水冷的炉渣和其它材料的混合物具有足够的强度，且可以作为建筑材料等二次利用[2]。国内学者通过对灰渣成分和等离子熔融产物结构、浸出性等进行比较，皆表现出较好的效果，且该技术对有机物和无机物较好的适应性，且具有较好的灵活性以及可靠性，在多领域均有适用性。

2.2 对炉渣重金属的影响

重金属是危废焚烧灰渣中的重要影响物质，目前对重金属的处理主要采用固化稳定化，将灰渣中的重金属等有害物质包裹在固化物中，但该方式使废物体积明显增大，且存在有害物质浸出的隐患。

等离子熔融技术处理灰渣中的重金属已被证明其玻璃体产物浸出毒性极低，达到填埋场的填埋标准。研究表明，提高重金属固化效率的有效途径之一就是抑制重金属在挥发段的挥发，此外，通过水洗等方式可初步去除部分有机物和重金属元素。

通过研究发现熔融温度、时间以及碱基度对灰渣中重金属分布特征具有一定影响。等离子熔融技术对灰渣中含有的重金属具有固化以及分离的作用，低沸点的重金属元素在灰渣熔融过程中(如Pb、Hg等)容易挥发，但是高沸点的金属离子在特定的温度和时间下大部分都会留在残渣中。胡明等[3]通过研究亦证明，飞灰通过等离子熔融处理之后形成的玻璃体，其重金属浸出毒性浓度要远低于国家标准规范两到三个数量级，且呈现较好的均一性。

2.3 灰渣减量化

就灰渣中的无机组分而言，等离子熔融技术具有很好的减容效果，可使炉渣、飞灰等密度较小的物质体积进一步缩减，有研究证明等离子熔融处理后的玻璃体残渣仅为原灰渣体积的1/4，效果显著[4]。通过SEM进行形态观察研究，灰渣的微观结构主要呈现错综复杂、呈晶体状以及表面飞灰颗粒粒度大小不同等特点。而与等离子熔融产物相比，玻璃体的结构更加紧密物空隙，整体呈良好的均一性。

2.4 灰渣有机物变化

等离子熔融技术对灰渣中的二噁英以及其他持久性有机污染物均表现出较好的分解效果，由于其具有高能的特性，可有效降低灰渣中有毒有害有机物的含量。灰渣熔融处理后产生的玻璃体残渣，对其固相产物进行分析，主要包括CaO、SiO2、Al2O3、MgO和Fe2O3之间固相反应形成的复合共熔物。有研究证明，等离子熔融可以将灰渣中的二噁英类物质等具有毒性的17中同系物全部不同程度的分解，一些可达到使其残留浓度低于检测值的效果[5]，这也说明等离子熔融在处理污染表现出的彻底性。

2.5 等离子熔融技术特征

杜长明等[6]的研究表明，相比于传统技术，等离子体炉有两个特点，一个是等离子体处理温度更高，另一个是等离子体反应活性更高。所以等离子熔融技术在处理危废呈现出较大的优势。

(1)处理废物范围广

谢孟伟等[7]指出等离子体反应炉是一种适用广泛的处理危废方式，可以处理除易爆和具有放射性以外的任何废物。理论上来讲，等离子体系统可以处理所有传统回转窑能处理的废物。根据胡明等[8]的研究表明，由于等离子体反应炉远高于回转窑的温度以及超高反应性的等离子体，回转窑不能处理的炉渣以及飞灰，也可以利用等离子体反应炉进行处理。

(2)环保程度更高

林奇峰等[9]指出，采用等离子体气化熔融技术处理危废时，在微观层面看，外部电场作用于等离子体，它会产生巨大的能量。这可以对危险废弃物分子进行强有力的激发，在此过程中产生的物理以及化学反应，会将有毒有害的大分子分解为小分子，最终成为安全物质；从宏观层面来看，等离子体放电中心温度高达数千摄氏度，可以将有毒有害的大分子瞬间加热气化裂解，以极快的速度发生物理化学反应，生成气体的主要成分为一氧化碳和氢气。相比于传统的回转窑，有毒有害物质分解更为彻底，环保程度更高。

(3)产品可资源化

史昕龙等[10]的研究表明，等离子体所产生的炉渣浸出毒性远低于危险废物浸出毒性鉴别标准值，无需按照危险废物处置。参考我国现有的固体废物资源化利用规范，如果在制备炉渣时，添加适当比例的辅料来制作玻璃体，对炉渣进行资源化利用是完全可以的。

根据杜长明等[6]的研究，由于等离子体热解所具有更高的反应温度，更多的活性粒子参与热化学反应的特点，因此所得到的气体分子量更小，如氢气和一氧化碳等都具有极高的经济价值。

(4)面临挑战

首先，在运行成本上与传统的焚烧处理工艺相比，等离子熔融技术主要是由等离子火炬产生的高能火炬来提供能量，以电力为能源，耗能较高，因此运营成本也较高。其次，在工艺过程中，由于环境温度更高，对等离子火炬以及耐火材料的选择要求均比较严格，等离子火炬的更换频次较高。而且，该工艺的过程控制比较复杂，要求很高的自动化程度。在等离子熔融产生的产物依旧存在争议，目前没有相关政策支撑，且后端产生的玻璃体残渣是否可应用于资源化，该方式受原始物料组成、产品有害成分等多重因素制约，这多方面因素均是目前等离子熔融技术领域所面临的挑战。

3 结 语

等离子熔融技术在焚烧灰渣的处理上，无论是在无害化还是减量化等方面均存在较好的适用性。随着越来越多的机构参与，等离子体熔融技术将会逐步突破目前存在问题，越来越成熟。加上国家不断出台的环保要求以及与日俱增的危废产量，等离子体熔融技术将会逐步应用在危废处理各个领域。