等離子體熔融技術處理垃圾焚燒飛灰的中試研究*

盧歡亮，王中慧，汪永紅，李朝暉

（廣東省環境科學研究院，廣東廣州510045）

等離子體熔融技術處理垃圾焚燒飛灰的中試研究*

盧歡亮，王中慧，汪永紅，李朝暉

（廣東省環境科學研究院，廣東廣州510045）

針對廣州市垃圾焚燒飛灰的特性，開發了1套等離子體高溫熔融技術處理工藝和1套中試處理設備，中試實驗表明：該工藝可實現將飛灰轉變為熔融體，經急冷后成為玻璃體（渣），在飛灰玻璃體（渣）中的重金屬幾乎無浸出，煙氣污染物達標排放。

垃圾焚燒飛灰；等離子體；熔融；玻璃體

生活垃圾焚燒飛灰是一種“不宜用危險廢物的通用方法進行管理和處理，而需特別注意的危險廢物”［1］。根據新的《國家危險廢物名錄》，飛灰經等離子體、高溫熔融等處置過程產生的玻璃態物質可得到豁免的可能。近年來，等離子體熔融技術得到了廣泛關注，國內學者前期開展了一些實驗室規模的研究，取得了一些成果［2-7］。本研究開展了垃圾焚燒飛灰等離子體熔融的中試試驗，對飛灰玻璃體的重金屬固化效果及相關機理進行探討，以期為飛灰的資源化利用提供科學依據。

1 項目概況

本項目建設1套等離子體高溫熔融技術處理中試設備，設計處理能力為2～3 t/d，飛灰處理工藝見圖1。該工藝流程是：采用直流電弧等離子火炬和焦炭對熔融爐進行預熱，當爐內溫度上升至1 250℃后，利用螺旋給料機將垃圾焚燒飛灰和焦炭、助熔劑等輔料投入熔融爐內。飛灰和助熔劑在爐內熔融成液態，熔渣通過爐底部排渣口流出，經水淬急冷形成玻璃體。高溫尾氣經過脫硝、急冷、中和、吸附、布袋除塵等凈化處理后達標排放。

2 材料及方法

2.1 飛灰樣品處理與分析

本試驗飛灰樣品來自廣州市某垃圾發電廠產生的飛灰。采用分批投料的方式，飛灰平均處理量為100 kg/h，每批次平均投料量12.5 kg。每批次進行等離子體熔融后，飛灰與玻璃體樣品分別進行取樣，進行重金屬含量及浸出毒性分析。

2.2 飛灰玻璃體的微觀形態分析

1）掃描電鏡：超高分辨場發射掃描電子顯微鏡（德國產），電壓5 kV，束流50 Pa，500～50 000倍數。

2）XRD分析：X射線粉末衍射儀（荷蘭Empyrean銳影），銅靶DK400990，速度掃描0.02°/min，工作條件為40 kV和40 mA，掃描角度2θ范圍從10°～70°。

3）IR分析：紅外光譜儀（德國Bruker公司EQUINOX55型），掃描波數為400～4 000 cm-1。

圖1 飛灰等離子體熔融處理工藝

3 處理結果與分析

3.1 產量與能耗情況

實驗結果顯示，各批次玻璃體產量y與飛灰量x呈良好的線性關系（R2=0.987），滿足關系式y=0.65x+6.94。隨著飛灰玻璃體產量的增加，單位飛灰處理量的耗電量呈下降趨勢，當玻璃體產量達到150 kg/h以上時，耗電量基本保持不變，大約為0.88 kWh/kg。

3.2 煙氣排放結果

當中試裝置運行達到穩定狀態時，委托第三方檢測機構按GB 18484—2001危險廢物焚燒污染控制標準對尾氣進行監測分析，結果見表1。從表1可以看出，尾氣污染物滿足GB 18484—2001排放要求。

表1 等離子體熔融垃圾焚燒飛灰尾氣凈化后排放監測結果

3.3 飛灰及玻璃體的浸出毒性結果

表2和表3分別給出飛灰及玻璃體重金屬毒性浸出結果。對最佳工況條件下得到的玻璃體樣品1#和2#，其中重金屬Pb、Cd等的浸出毒性遠低于GB 5085.3—2007危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別的濃度限值，驗證了等離子體熔融技術對飛灰重金屬有顯著的固定作用。

表2 飛灰重金屬浸出毒性mg/L

表3 飛灰玻璃體重金屬浸出毒性mg/L

3.4 飛灰及玻璃體SEM微觀形態觀察

對最佳工況條件下飛灰熔融固化處理后得到的熔渣，進行微觀形態分析。圖2為飛灰和飛灰玻璃體的微粒微觀形貌圖。從圖2（a、b）中看出，垃圾焚燒飛灰的微觀結構錯綜復雜，呈晶狀，表面飛灰顆粒的粒度大小不均，最小的低于1 μm，大部分顆粒位于10～50 μm，這與文獻報道飛灰屬于亞微米級顆粒的結論是一致的［1，5］。從圖2（c、d）中可以看出，相較于飛灰多孔隙和松散的微觀結構，在同等放大倍數條件下，玻璃體熔渣的微觀結構緊密無孔隙，整體呈良好的均一性，這是因為熔融使飛灰從固相變為液相，液相的良好流動性使得熔渣孔隙得到填補直至完全消失。

圖2 飛灰及飛灰玻璃體的微觀形態

3.5 飛灰及玻璃體XRD分析

由圖3的飛灰XRD譜圖可見，垃圾焚燒飛灰的組分比較復雜，石英SiO2為飛灰中最主要的晶相，而飛灰中的鈉、鉀等堿金屬則主要以氯鹽的形式存在。熔渣的曲線上均未觀察到晶相峰，說明當經過等離子熔融處理后得到的飛灰玻璃體均為無定形的玻璃體。這說明，飛灰在熔融過程中進行了物相轉變，其晶體在熔融過程中已全部被破壞，轉變為不含任何晶相的玻璃體，從而達到了熔融玻璃化的目的。對等離子熔融處理對飛灰中晶相的影響，可作為分析飛灰物理化學特性和熔融特性的重要依據。

圖3 飛灰及飛灰玻璃體XRD圖譜

3.6 飛灰及玻璃體IR光譜分析

圖4為飛灰熔融前后的IR紅外譜圖。飛灰在3 420 cm-1處具有羥基官能團（黑線），在飛灰熔融后（紅線），位于620 cm-1及890 cm-1處的特征峰消失，這可能與飛灰表面的C—Cl，C—Br鍵斷裂有關，這進一步驗證了當熔融發生后，鹵素元素會被揮發出來進入氣態中。波數在1 420及1 621 cm-1處的特征峰發生明顯的減弱甚至消失，分別代表苯環上的C=C振動、C=C—H振動峰，可能的原因是芳香環（如二惡英）在一定程度上被破壞，從而形成了C—C或C—O鍵，這也可以解釋二惡英在熔融過程中濃度降低。

圖4 飛灰及飛灰玻璃體的FT-IR圖

4 結論及建議

1）針對垃圾焚燒飛灰特性，開發了1套等離子熔融氣化技術處理新工藝，對重金屬固化及二惡英破壞具有顯著作用，技術上可行。

2）項目采用多級聯合尾氣凈化工藝，煙氣污染物濃度達到GB18484—2001的排放限值要求。

3）通過掃描電子顯微鏡觀察，相較于飛灰多孔隙和松散的微觀結構，玻璃體熔渣的微觀結構則緊密無孔隙，整體呈良好的均一性；通過XRD分析，飛灰玻璃體的曲線上均未觀察到晶相峰，飛灰在熔融過程中轉變為無定形的玻璃體，從而達到了熔融玻璃化的目的。通過IR紅外譜圖觀察，飛灰表面上的苯環官能團（如二惡英）在熔融過程中發生了分解。

［1］姜永海，席北斗，李秀金，等．添加劑對垃圾焚燒飛灰熔融特性的影響［J］．環境科學，2006，27（11）：2288-2292．

［2］吳楨芬，胡建吭，王華．城市生活垃圾焚燒飛灰熔融處理的進展［J］．云南環境科學，2004，23（S）：29-32.

［3］陳德珍，張鶴聲．垃圾焚燒爐飛灰的低溫玻璃化初步研究［J］．上海環境科學，2002，21（6）：344-349．

［4］姜永海，席北斗，李秀金，等．對垃圾焚燒飛灰熔融固化特性的影響［J］．環境科學研究，2005，18（S）：7l-73．

［5］Romero M，Raw ling R D，Rincon J M.Development of a new glass ceramic by means of controlled vitrification and crystallization of inorganic waste from urban incineration［J］.J Eur Ceram Soc，1999,19（12）：2049-2058．

［6］Young J，Jong H.Vitrification of fly ash from municipal solid waste incinerator［J］.J Hazard Mater，2001，91（1/3）B：83-93．

［7］Polett ini A，Pomi R，Trinci L，et al.Engineering and environmental properties of thermally treated mixtures containing MSWI fly ash and low-cost additives［J］.Chemosphere，2004，56（10）：901-910．

Pilot Test of Plasma Melting Technology Treating MSWI Fly Ash

Lu Huanliang，Wang Zhonghui，Wang Yonghong，Li Zhaohui
（Guangdong Provincial Academy of Environmental Science，GuangzhouGuangdong510045）

Based on the characteristics of the fly ash from MSW incineration in Guangzhou，a process of plasma melting technology wasdeveloped and a set of pilot-scale equipment wasestablished.The resultsshowed that the plasma melting process could achieve to turn fly ash into melting state，and then into the vitrified slag by fast cooling method，from which the heavy metalswere found almost no leaching，and the pollutantsfrom the flue gasemission were adhere to the discharge criteria.

MSWI fly ash；plasma；melting；vitrified slag

X705

A

1005-8206（2017）04-0051-04

盧歡亮（1981—），博士，高級工程師，主要從事固廢處理處置與資源化利用技術研發。

E-mail：luhuanliang@139.com。

廣州市環境保護局污染防治新技術新工藝開發項目、廣東省科技計劃項目（2015B020215009）

2017-01-24