热等离子体技术在飞灰熔融处理中的应用

刘新，李哲，李娟娟

（1.浙江蓝太能源工程有限公司，浙江 杭州 311215；2.浙江城建煤气热电设计院股份有限公司，浙江 杭州 310030；3.浙江联运知慧科技有限公司，浙江 杭州 311102）

0 引言

垃圾焚烧飞灰含有大量的重金属和二噁英，属于《国家危险废物名录》所列的对生态环境和人体健康具有毒性的危险废物。在温度＞1 400 ℃时，飞灰中的固体颗粒会发生热分解、熔融相变成为液态熔渣，然后快速冷却形成致密的玻璃态熔渣，而飞灰中的SiO2会形成Si-O 网状结构。飞灰中沸点较低的部分重金属盐发生气化，剩余的重金属则被固化到Si-O 四面体网状结构的玻璃态熔渣中。熔渣结构稳定，重金属固化效果好，浸出毒性低。飞灰经熔融处理，不仅可实现减量化、无害化，而且其玻璃态熔渣可作为路基、建材和陶瓷等原料，实现废物的资源化利用。

热等离子体含有大量活性极强的粒子，焓值高、能量密集。采用电弧放电时，熔融温度可达到1 500～2 000 ℃，非常适用于垃圾焚烧灰渣的熔融处理。国外在利用等离子体熔融技术处理危险废物方面已经成功工业化。与国外相比，我国等离子体危废熔融处理技术起步较晚，目前仍然处于研究和试验阶段。

1 热等离子体的作用机理及影响因素

1.1 热等离子体的作用机理及系统组成

目前，应在飞灰熔融处理中的热等离子体技术主要是以直流等离子体作为热源，即直流电弧等离子体。通过等离子体喷枪产生电弧，后加热空气与燃气的混合气形成高温等离子体。该系统主要由进料系统、等离子熔融炉体、等离子体电弧系统、空气供给系统、二次燃烧室、烟气净化及排放系统、熔渣排除系统等组成。

其系统流程主要为垃圾焚烧飞灰进入等离子体熔融炉体，炉内等离子体电弧系统产生的高温使飞灰中的有机成分热解气化，随后热解气进入二次燃烧室，滞留时间约＞2 s，完全燃烧转化成CO2及H2O，最后再进入烟气净化系统，处理后排放。飞灰熔融生成的熔渣通过锅炉底部的排渣口排出。

1.2 影响因素

1.2.1 熔融温度的影响

飞灰玻璃体的形成对熔融温度有一定的要求。温度越高，物料融化速度越快，玻璃化过程时间越短。

熔融温度影响重金属的传质效率，但对不同重金属的固化效果由很大的差异。陈冬梅的研究表明，Cr 和Pb 对温度较为敏感，随着温度的升高，固化率整体呈现增大的趋势，Ni 对温度的变化不敏感。

在垃圾焚烧处理中，熔融相中的Cl 的占比约20%，主要是以NaCl 和KCl 的形式存在，其余氯化物形式较少。NaCl 和KCl 的气化温度分别为1 465 ℃和1 420 ℃。因而，熔融温度也影响飞灰熔融的减重率。实验结果表明，随着熔融温度的升高，飞灰的减重效果也相应增加。在1 500 ℃下，熔融飞灰的减重率可达到40%。

2.2.2 添加剂的影响

飞灰熔融得到的玻璃体主要由Ca、Si、Al 和O 元素组成。CaO 是制备玻璃的稳定剂，能增强玻璃的流动性和结晶速率；SiO2在玻璃体中以SiO4四面体的形式存在，是玻璃体的基本骨架；Al2O3在玻璃体中以AlO4铝氧四面体形式存在，与SiO4组成统一网络，使玻璃体更加致密，减少结构中的断网。

胡明等的实验研究表面，飞灰、底渣和20%wt.的添加剂（主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化锆、硼酸） 混合熔融处理后，熔渣的结构更加致密，整体均匀性良好。但当添加剂比例＞20%wt.后，熔渣粘度增大幅度较大，流动性差，不利于排渣，因此添加剂比例一般≤20%wt.。王勤等的研究也表明，SiO2和CaO 的添加都可以改善重金属的固化效果。当SiO2和CaO 的添加比例为20%wt.时，熔渣中重金属的总体固化效果最佳。另外，SiO2的添加可以改善熔渣中重金属的浸出特性，而CaO 的作用与之相反。

1.2.3 氧硅比的影响

玻璃体的主体结构为硅氧网络结构。在硅氧网络结构中,与2 个硅原子连接的氧称为“桥氧”,连接硅原子与金属离子的氧称为“非桥氧”。当硅氧四面体中非桥氧数＞2 时,硅氧网络结构以四面体链或孤体为主,导致熔体黏性系数下降,冷却过程中容易形成晶体结构。定义氧硅比为氧原子与硅原子的比值R=O/Si,氧硅比R 反应了网络结构中的非桥氧数,可以作为衡量玻璃体形成的参数。

李要建的玻璃体形成理论分析中指出，以SiO2为网络形成剂的玻璃体形成条件为2＜R＜3。张金龙等的实验结果表面，氧硅比在2～3 之间的样品都形成了玻璃体，氧硅比＞3 的样品都没有形成玻璃体。碱基度对玻璃体的形成没有明显的规律，碱基度的变化影响到氧硅比，所以会影响玻璃体的形成，但不能衡量玻璃体的形成。陈冬梅也通过实验证明，对于只添加玻璃粉的样品，在氧硅比＞3时，熔融处理未形成玻璃体熔渣。但对于添加玻璃粉和Al2O3的样品，熔融处理后，也可以形成玻璃体熔渣，但效果没有氧硅比≤3 的好。

2 熔渣资源化利用评估

2.1 无害化

含重金属的焚烧飞灰经等离子体熔融处理后，仅少部分重金属挥发至烟气中，大部重金属被包裹在玻璃体熔渣中。有研究表明，经高温等离子体熔融处理后，飞灰熔融产生的玻璃体熔渣和炉底熔渣重金属浸出毒性远低于原始焚烧飞灰和危险废物鉴别标准。

另外，由于等离子体高能的特性，等离子体熔融可以将灰渣中的二噁英类物质等具有毒性的17种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。

2.2 减量化

等离子体熔融处理可实现飞灰的减量化，有研究表明，等离子体熔融玻璃体残渣仅为原灰渣体积的1/4，且结构更加致密无空隙，整体具有良好的均一性。

2.3 资源化评估

晏振辉对比了危险废物玻璃熔渣与常见路基替代材料中的重金属总量及浸出量，发现其浸出远低于常见替代路基材料，因此用于替代路基铺路时风险可控。

3 结论

（1） 相比其他熔融炉，等离子熔融炉具有炉内能量密集，热损失小；二次飞灰量小；应用范围广等优点，具有较好的市场前景。但在国内，等离子体熔融技术仍处于技术示范阶段，尚未取得大规模的应用。

（2） 等离子体飞灰熔融烟气中Cl-含量较高，Cl-对于反应炉壁面有比较强的腐蚀效果。如何消除Cl-带来的不利影响，是亟需解决的问题。

（3） 等离子体熔融技术处理飞灰耗能高，经济性较差，阻碍了其工业化的进度。融合多种工艺技术，开发“等离子体+”技术或许可以在一定程度上加快其工业化进展，如多种危险废物处理技术联合使用；采用新能源；混合多级等离子体矩等。