山西大學程芳琴教授團隊：城市生活垃圾焚燒飛灰組成特性及重金屬熔融固化處理技術研究

隨著我國經濟發展，人民生活水平提高，人均生活物質消耗量增大，城市生活垃圾產量日益增加，以每年8%~10%的速度增長。目前我國生活垃圾的處理方法主要為填埋、焚燒、堆肥。相比之下，焚燒處理以其減量化、減容化程度高，飛灰及灰渣可資源化利用、燃燒產生的熱量可以利用等優勢，逐漸成為生活垃圾處理的主要途徑。垃圾焚燒後產生的飛灰約佔垃圾焚燒總量的3%~5%，且飛灰中賦存濃度較高的可溶性重金屬離子。因此飛灰在資源化利用前必須通過各種方法降低其重金屬的浸出毒性以符合國家標準。目前針對垃圾飛灰的處置方法主要有固化穩定化、分離萃取、熱處理。

本文總結了垃圾焚燒飛灰重金屬的組成及對浸出特性的影響，根據飛灰組成選擇熔融固化處理，從垃圾飛灰熔融處理過程，重金屬遷移固化效果等方面對飛灰進行論述。

01 垃圾焚燒飛灰重金屬的組成及對浸出特性的影響

我國的垃圾焚燒爐主要是用的爐型為爐排爐（LP）和循環流化床爐（CFB）。循環流化床爐的飛灰中重金屬的含量及浸出毒性要小於爐排爐飛灰，這主要與燃燒工況和爐型特點有關。相對於爐排爐，流化床爐產生的灰量較大，因此重金屬的相對濃度較低。對城市生活垃圾焚燒飛灰進行文獻調研，其礦物質主要為CaO、SiO2、Al2O3、MgO、K2O、Na2O、Fe2O3、無機氯化物和硫酸鹽等，其組成不同對飛灰的熔融特性將產生較大影響。不同爐型對垃圾焚燒飛灰組分的影響較大。不同地區、相同爐型的垃圾焚燒發電廠的飛灰組分含量相似。

生活垃圾焚燒飛灰中主要的重金屬元素有Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、Hg、As、Ni等。重金屬佔飛灰組分的0.5%~3.0%，且多以無定形態存在，通常XRD晶相分析和XRF組分分析中無法檢測出全部重金屬的物相組分及含量。

我國城市生活垃圾的一大特點是氯元素含量高，通常飛灰中重金屬以其氧化物形式存在，高溫下，氯化物將會與重金屬發生直接或間接氯化作用產生重金屬氯化物，重金屬氯化物的熔沸點比其氧化態低，氯化物使得重金屬更易遷移到飛灰上。由於我國垃圾熱值較低，循環流化床垃圾焚燒爐工作時，需要添加輔助燃料助燃，循環流化床爐排放的灰渣量較爐排爐多，因此灰渣中的重金屬含量相對較低。對煙氣淨化系統飛灰進行粒度分級，測定不同粒徑飛灰重金屬的含量，發現隨著粒徑的減小，除Ni、Cr外，重金屬Cd、Zn、Pb、Cu的含量呈增加趨勢。

不同爐型飛灰、浸出條件的差異導致的垃圾焚燒飛灰中重金屬的浸出量差別較大。重金屬的浸出特性主要取決於浸取液體系平衡時的pH值。粒徑較小的顆粒重金屬含量較多，與此同時，重金屬的浸出毒性也隨之增大。研究發現，Cr、Ni、Zn、Pb、Hg的浸出量隨飛灰粒徑的減小呈逐漸增加的趨勢，特別是Zn、Pb、和Hg的增加趨勢更明顯。因此，通過穩定化填埋的措施處置的飛灰，若長期處於酸性或還原性環境中，其浸出毒性風險仍然較大。

02 垃圾焚燒飛灰熔融及重金屬固化過程的研究進展

生活垃圾焚燒飛灰處置技術主要分為三類，固化穩定化技術、分離萃取技術、熱處理技術。固化穩定化技術處理過程簡單，成本較低，但固化效果不佳，在環境中仍存在較大的浸出毒性風險。分離萃取技術可以有效提取回收飛灰中的重金屬，但處理工藝較為複雜，處理量有限，處理成本較高，會產生廢液汙染。熔融處理以其減容效果好、無廢液產生、熔渣可用作高質量的建築材料的優勢已經成為主要的垃圾焚燒飛灰處理方式。同時，等離子體熔融技術以其高效、低汙染的優勢已經成為熔融處理技術的主要發展方向。

重金屬元素在加熱過程中無法完全分解。飛灰中的重金屬在加熱過程中部分進入氣相，其他只能通過分離提取的方法降低含量，或固定/穩定化（簡稱固化）的方法降低重金屬的毒性、抑制重金屬的遷移。

重金屬不同鹽類和單質的分解溫度根據物質性質的不同，分解溫度不同，其中氯化物的熔沸點相對較低，氧化物次之，部分金屬單質也其易揮發，因此研究鹽類對分解的影響很有必要。

飛灰中SiO2含量較多時，有助於熔融玻璃體的形成，加強了對重金屬的束縛，且SiO2致使熔融溫度降低，可以抑制重金屬的揮發，減少揮發量。

爐排爐飛灰中的鈣基化合物主要為Ca(OH)2、CaCO3，熱處理過程中，爐排爐飛灰中的鈣基化合物發生燒結現象，導致顆粒團聚，抑制了重金屬的揮發，但幾乎不影響重金屬的浸出行為。流化床爐飛灰中鈣的含量相對較少，主要成分為CaSO4，熱處理過程不會發生顆粒團聚現象，且飛灰中SiO2、Al2O3含量較多，熱處理過程中，轉化為矽鋁酸鹽，形成穩定的四面體結構，提升了重金屬的固化率，降低了浸出濃度。添加CaO能促使Cr、Ni固熔在熔融體中，CaO含量的增加可抑制As揮發。

有研究利用添加氯化劑使重金屬揮發，使之轉移至煙氣和二次飛灰中，進行後續收集提取重金屬元素。與傳統的熱處理相比，熔融鹽熱處理更容易對重金屬進行氯化處理。熔融鹽中溶解的重金屬在熱處理過程中表現出良好的熱穩定性，所有被測重金屬的揮發分均小於5%。熔融鹽熱處理後，灰渣中的重金屬得到了較好的穩定，重金屬的浸出量明顯低於原飛灰。

重金屬固化過程中熔融條件的變化主要涉及飛灰預處理、熔融溫度、熔融氣氛、熔融冷卻方式。水洗預處理可以減少飛灰中部分可溶性重金屬氯化物的含量，降低重金屬浸出毒性。但也有研究指出，水洗存在運行費用高和潛在的生物風險。在不同的熔融溫度下，重金屬的遷移轉化情況不同。溫度升高的過程中，揮發性重金屬Pb、Zn、Cd、Cu的固定率會隨著下降。溫度達到1 100 ℃時，飛灰開始熔融，冷卻後測得熔渣中Pb、Cd的固定率幾乎為零。Cr在飛灰中以氧化物穩定態形式存在，達到熔融溫度後，Cr才開始揮發，並且轉變為易溶出的形態。

熔渣冷卻主要有水冷、空冷、水冷-空冷複合冷卻3種形式。熔渣重金屬浸出試驗發現，Zn、Cd、Pb在空冷熔渣中的含量明顯高於其他2種冷卻方式，可能是其在水冷的過程中部分溶解了。As、Hg由於其揮發性較強，在空冷過程中部分揮發至空氣中，導致其在空冷熔渣中的含量較少。水冷和複合冷卻熔渣展現出良好的抗重金屬浸出性，可用於建築材料。

03 垃圾焚燒飛灰等離子熔融處理技術及重金屬固化效果

等離子體熔融處理技術飛灰的浸出毒性大大降低，解決了飛灰填埋時重金屬滲入土壤的問題，冷卻後的熔渣可用作高質量的建築材料。等離子體處理可在不同的氣氛下進行，能量密度集中，處理效率高，排氣量少，應用範圍廣。

目前對於熔融處理飛灰的技術選擇研究主要集中於等離子體技術，等離子體處理對重金屬的固化效果較好，可得到物理性質良好的玻璃態熔渣，可用做微晶玻璃和建材應用。由於熔融處理過程耗能大、投資高、關鍵設備研發難攻關，在我國，垃圾焚燒飛灰熔融處理技術仍處於技術研發階段，尚無穩定化工業運行實例，但已有部分半工業化的研究試驗。

等離子熔融處理垃圾焚燒飛灰得到的具有緻密結構、性質穩定的玻璃體熔渣對重金屬的固化效果是十分優良，其良好的抗浸出性、環境穩定性，使其在後續的建材利用中展現出良好的性能。山西格盟國際能源有限公司在垃圾焚燒電廠工藝系統耦合飛灰等離子熔融，將垃圾焚燒飛灰和焦炭按3∶1的比例混合，進行等離子熔融。多次試驗發現，熔融後玻璃態熔渣中六價鉻、銅、鋅、鎘、鎳、鉻、鈹、鉻、鈹、鋇、汞均未檢出，有微量的鉛，砷、硒，滿足固體廢物的重金屬毒性浸出國標要求，僅鉛、砷、硒的重金屬離子有微量浸出。但試驗過程中存在等離子體容易燒壞，相對運行能耗較高，需進一步優化。

04 結語及展望

1）垃圾焚燒飛灰重金屬主要以其氧化物、氯化物、硫酸鹽形式存在，熔融處理會改變飛灰組分及相態，將重金屬固定在矽酸鹽的Si-O四面體晶格結構中，實現重金屬的高效固化穩定化，是目前較為先進、高效的垃圾焚燒飛灰處置方法。熔融氣氛、時間及飛灰組分對熔融過程特性和重金屬的遷移轉化影響較大，冷卻方式的不同會影響玻璃體熔渣的物理性質，對後續資源化利用產生影響。

2）根據重金屬的熔點和沸點特性，在熔融處理後，煙氣和二次飛灰中會攜帶部分揮發性強、沸點低的重金屬。因此需要對煙氣和二次飛灰進行冷卻或二次捕集處理，並對煙氣的成分進行探究。在對飛灰組分進行分析的基礎上，根據飛灰組成選擇預處理工藝，並可以通過添加助熔劑，調節飛灰鹼度，對飛灰進行復配熔融處理，實現低溫熔融並高效穩定處理重金屬，降低熔融處理的能耗。

3）在實驗室研究基礎上，可對等離子體熔融處理裝置進行技術改進和創新，提高等離子火焰穩定性，實現熔渣的高效分離，提升裝置耐久性。通過中試試驗驗證連續穩定性，為工業化應用提供支撐。

該研究成果以《城市生活垃圾焚燒飛灰組成特性及重金屬熔融固化處理技術研究》為題在《潔淨煤技術》進行了網絡首發。請複製連結查看全文：http://www.chinacaj.net/i,92,436096,0.html

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