等離子體熔融技術(shù)處理焚燒灰渣探討

羅鐸元，柴 暉，孫甜甜

(瀚藍(lán)(佛山)工業(yè)環(huán)境服務(wù)有限公司，廣東 佛山 528000)

隨著環(huán)保監(jiān)管的加強(qiáng)和危廢管理制度的完善，我國危廢年產(chǎn)量逐年攀升，危廢處理量也在穩(wěn)步增加，但針對處理過程中產(chǎn)生的二次危廢——爐渣和飛灰等，依舊是需要攻克的難題。

焚燒過程中產(chǎn)生的爐渣、后續(xù)煙氣處理裝置產(chǎn)生的飛灰等是灰渣的主要來源，不同類型的危廢產(chǎn)生的灰渣的物理和化學(xué)性質(zhì)存在較大差異，鍋爐底灰通常收集與底部，主要由熔融渣塊、玻璃、石塊以及金屬碎片組成，其中的高沸點(diǎn)元素硅、鋁、鐵等占到了80%左右，飛灰中的污染物主要是由焚燒過程易揮發(fā)性元素在煙氣中經(jīng)濃縮、凝聚和吸附等方式形成的，且存在較嚴(yán)重的浸出性。

目前國內(nèi)灰渣的處理方式有固化穩(wěn)定化、安全填埋、等離子熔融、提取分離等技術(shù)。固化穩(wěn)定化是當(dāng)前處置灰渣的主要技術(shù)，先穩(wěn)定灰渣中的有害物質(zhì)，再進(jìn)行安全填埋。但安全填埋會(huì)占用很多土地資源，且隨著填埋場建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的逐漸嚴(yán)苛，選址的困難性也充分說明了安全填埋的弊端。此外安全填埋并沒有從根本上解決灰渣的處置問題，還有可能存在浸出風(fēng)險(xiǎn)。因此，市場迫切需要經(jīng)濟(jì)有效的新技術(shù)來改善這一現(xiàn)狀。

1 等離子熔融工藝

1.1 等離子體概念

1928年Langmuir[1]首次提出了等離子這一概念，其含義是離子和電子群的近似電中性的集合體。等離子體來源的途徑主要有電暈放電、輝光放電、介質(zhì)阻擋放電、滑動(dòng)弧放電等，由于等離子體不同于傳統(tǒng)的固體、液體和氣體，它也被稱為物質(zhì)第四態(tài)。

1.2 等離子體熔融技術(shù)工藝

等離子體氣化熔融技術(shù)，主要是借助等離子體所具有的能量，在高溫缺氧的狀態(tài)，對有機(jī)物高溫裂解，無機(jī)物變成熔融狀態(tài)，最后生成可燃?xì)怏w和無毒化的玻璃體爐渣的一個(gè)過程。

(1)等離子熔融階段

等離子體熔融技術(shù)工藝在處理前一般要進(jìn)行預(yù)處理，例如破碎、分揀、脫水等，主要是對危廢進(jìn)行穩(wěn)定化、均質(zhì)化，再將危廢輸送至等離子熔融爐，使其中的大分子有機(jī)物在高溫條件下迅速反應(yīng)分解為小分子可燃?xì)怏w(一氧化碳、氫氣等)。該反應(yīng)過程中，氧含量的大小由氧化風(fēng)的進(jìn)口閥門進(jìn)行控制。在高溫作用下，無機(jī)物熔融形成熔漿。形成一定量后的熔漿，從專門的出漿通道離開等離子體爐，最后得到無毒化的玻璃體爐渣。

(2)尾氣處理階段

等離子熔融階段產(chǎn)生的氣體從爐子上方排出，經(jīng)過余熱回收、除塵、脫硝、脫酸等設(shè)備進(jìn)行達(dá)標(biāo)排放，該過程需設(shè)置煙氣在線監(jiān)測CEMS系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是對煙氣進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，后端設(shè)置煙氣脫白系統(tǒng)，使焚燒產(chǎn)生的煙氣的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均滿足相應(yīng)的要求。

該工藝過程產(chǎn)生的玻璃體殘?jiān)蟠蠼档土藸t渣的體積，相關(guān)研究證明，該產(chǎn)物的各項(xiàng)浸出毒性的檢測均滿足要求。

2 等離子體熔融處理爐渣分析

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

危險(xiǎn)廢物焚燒所生成的爐渣和飛灰仍然屬于二次危廢，早在上世紀(jì)90年代，就有國外學(xué)者通過采用等離子熔融爐對焚燒灰渣的處理效果進(jìn)行研究，該試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行28個(gè)月，期間重金屬的測試結(jié)果表明，Pb含量不超過0.01 mg/L，且沒有二噁英的產(chǎn)生痕跡，從而確認(rèn)了灰中有害元素的有效處理。此外，通過發(fā)現(xiàn)這種通過水冷的爐渣和其它材料的混合物具有足夠的強(qiáng)度，且可以作為建筑材料等二次利用[2]。國內(nèi)學(xué)者通過對灰渣成分和等離子熔融產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、浸出性等進(jìn)行比較，皆表現(xiàn)出較好的效果，且該技術(shù)對有機(jī)物和無機(jī)物較好的適應(yīng)性，且具有較好的靈活性以及可靠性，在多領(lǐng)域均有適用性。

2.2 對爐渣重金屬的影響

重金屬是危廢焚燒灰渣中的重要影響物質(zhì)，目前對重金屬的處理主要采用固化穩(wěn)定化，將灰渣中的重金屬等有害物質(zhì)包裹在固化物中，但該方式使廢物體積明顯增大，且存在有害物質(zhì)浸出的隱患。

等離子熔融技術(shù)處理灰渣中的重金屬已被證明其玻璃體產(chǎn)物浸出毒性極低，達(dá)到填埋場的填埋標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，提高重金屬固化效率的有效途徑之一就是抑制重金屬在揮發(fā)段的揮發(fā)，此外，通過水洗等方式可初步去除部分有機(jī)物和重金屬元素。

通過研究發(fā)現(xiàn)熔融溫度、時(shí)間以及堿基度對灰渣中重金屬分布特征具有一定影響。等離子熔融技術(shù)對灰渣中含有的重金屬具有固化以及分離的作用，低沸點(diǎn)的重金屬元素在灰渣熔融過程中(如Pb、Hg等)容易揮發(fā)，但是高沸點(diǎn)的金屬離子在特定的溫度和時(shí)間下大部分都會(huì)留在殘?jiān)小：鞯萚3]通過研究亦證明，飛灰通過等離子熔融處理之后形成的玻璃體，其重金屬浸出毒性濃度要遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，且呈現(xiàn)較好的均一性。

2.3 灰渣減量化

就灰渣中的無機(jī)組分而言，等離子熔融技術(shù)具有很好的減容效果，可使?fàn)t渣、飛灰等密度較小的物質(zhì)體積進(jìn)一步縮減，有研究證明等離子熔融處理后的玻璃體殘?jiān)鼉H為原灰渣體積的1/4，效果顯著[4]。通過SEM進(jìn)行形態(tài)觀察研究，灰渣的微觀結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜、呈晶體狀以及表面飛灰顆粒粒度大小不同等特點(diǎn)。而與等離子熔融產(chǎn)物相比，玻璃體的結(jié)構(gòu)更加緊密物空隙，整體呈良好的均一性。

2.4 灰渣有機(jī)物變化

等離子熔融技術(shù)對灰渣中的二噁英以及其他持久性有機(jī)污染物均表現(xiàn)出較好的分解效果，由于其具有高能的特性，可有效降低灰渣中有毒有害有機(jī)物的含量。灰渣熔融處理后產(chǎn)生的玻璃體殘?jiān)瑢ζ涔滔喈a(chǎn)物進(jìn)行分析，主要包括CaO、SiO2、Al2O3、MgO和Fe2O3之間固相反應(yīng)形成的復(fù)合共熔物。有研究證明，等離子熔融可以將灰渣中的二噁英類物質(zhì)等具有毒性的17中同系物全部不同程度的分解，一些可達(dá)到使其殘留濃度低于檢測值的效果[5]，這也說明等離子熔融在處理污染表現(xiàn)出的徹底性。

2.5 等離子熔融技術(shù)特征

杜長明等[6]的研究表明，相比于傳統(tǒng)技術(shù)，等離子體爐有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是等離子體處理溫度更高，另一個(gè)是等離子體反應(yīng)活性更高。所以等離子熔融技術(shù)在處理危廢呈現(xiàn)出較大的優(yōu)勢。

(1)處理廢物范圍廣

謝孟偉等[7]指出等離子體反應(yīng)爐是一種適用廣泛的處理危廢方式，可以處理除易爆和具有放射性以外的任何廢物。理論上來講，等離子體系統(tǒng)可以處理所有傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯能處理的廢物。根據(jù)胡明等[8]的研究表明，由于等離子體反應(yīng)爐遠(yuǎn)高于回轉(zhuǎn)窯的溫度以及超高反應(yīng)性的等離子體，回轉(zhuǎn)窯不能處理的爐渣以及飛灰，也可以利用等離子體反應(yīng)爐進(jìn)行處理。

(2)環(huán)保程度更高

林奇峰等[9]指出，采用等離子體氣化熔融技術(shù)處理危廢時(shí)，在微觀層面看，外部電場作用于等離子體，它會(huì)產(chǎn)生巨大的能量。這可以對危險(xiǎn)廢棄物分子進(jìn)行強(qiáng)有力的激發(fā)，在此過程中產(chǎn)生的物理以及化學(xué)反應(yīng)，會(huì)將有毒有害的大分子分解為小分子，最終成為安全物質(zhì)；從宏觀層面來看，等離子體放電中心溫度高達(dá)數(shù)千攝氏度，可以將有毒有害的大分子瞬間加熱氣化裂解，以極快的速度發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，生成氣體的主要成分為一氧化碳和氫氣。相比于傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)窯，有毒有害物質(zhì)分解更為徹底，環(huán)保程度更高。

(3)產(chǎn)品可資源化

史昕龍等[10]的研究表明，等離子體所產(chǎn)生的爐渣浸出毒性遠(yuǎn)低于危險(xiǎn)廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值，無需按照危險(xiǎn)廢物處置。參考我國現(xiàn)有的固體廢物資源化利用規(guī)范，如果在制備爐渣時(shí)，添加適當(dāng)比例的輔料來制作玻璃體，對爐渣進(jìn)行資源化利用是完全可以的。

根據(jù)杜長明等[6]的研究，由于等離子體熱解所具有更高的反應(yīng)溫度，更多的活性粒子參與熱化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)，因此所得到的氣體分子量更小，如氫氣和一氧化碳等都具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

(4)面臨挑戰(zhàn)

首先，在運(yùn)行成本上與傳統(tǒng)的焚燒處理工藝相比，等離子熔融技術(shù)主要是由等離子火炬產(chǎn)生的高能火炬來提供能量，以電力為能源，耗能較高，因此運(yùn)營成本也較高。其次，在工藝過程中，由于環(huán)境溫度更高，對等離子火炬以及耐火材料的選擇要求均比較嚴(yán)格，等離子火炬的更換頻次較高。而且，該工藝的過程控制比較復(fù)雜，要求很高的自動(dòng)化程度。在等離子熔融產(chǎn)生的產(chǎn)物依舊存在爭議，目前沒有相關(guān)政策支撐，且后端產(chǎn)生的玻璃體殘?jiān)欠窨蓱?yīng)用于資源化，該方式受原始物料組成、產(chǎn)品有害成分等多重因素制約，這多方面因素均是目前等離子熔融技術(shù)領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)。

3 結(jié) 語

等離子熔融技術(shù)在焚燒灰渣的處理上，無論是在無害化還是減量化等方面均存在較好的適用性。隨著越來越多的機(jī)構(gòu)參與，等離子體熔融技術(shù)將會(huì)逐步突破目前存在問題，越來越成熟。加上國家不斷出臺(tái)的環(huán)保要求以及與日俱增的危廢產(chǎn)量，等離子體熔融技術(shù)將會(huì)逐步應(yīng)用在危廢處理各個(gè)領(lǐng)域。