垃圾焚烧飞灰熔融固化处理过程特性分析

摘要：为研究熔融固化过程中飞灰主要成分的迁移转化规律，在有温控的高温实验熔融炉中对垃圾焚烧飞灰进行了动态熔融固化实验研究，对处理后的飞灰进行了XRF、XRD分析检测，分析了飞灰熔融过程中熔融渣的主要成分、物相组成、碱度、挥发率和减容率的变化规律.试验结果表明：①飞灰中主要成分CaO、Al2O3和SiO2的质量分数随着温度的升高而增加，而主要成分Cl元素和SO3则从原来的20.59%和10.74%分别降低到0.15%和0.22%，可见高含量Cl元素和S元素是引起飞灰熔融固化挥发率高的主要原因，并且可能主要以氯化物和硬石膏的形式分解挥发，XRD的测定结果也进一步证明了这一点。②飞灰熔融前，碱度随温度的升高而显著降低，但当温度达到流动温度后，碱度值随温度的变化很小，基本保持在0.95左右。③飞灰中盐类分解挥发主要发生在1150℃～1260℃之间，在飞灰熔融温度前约100℃的范围内。
关键词：垃圾焚烧飞灰；熔融/玻璃化；碱度；过程分析
熔融固化技术是目前国内外较先进的垃圾焚烧飞灰无害化处理方法，飞灰熔融玻璃化处理可以彻底消除飞灰中的二恶英，保证固化重金属的长期稳定性，大大降低飞灰的体积；同时，熔融渣能再次用作土木、建筑等材料，可以有效实现废物资源化利用。
近年来，国内外对垃圾焚烧飞灰熔融固化技术做了大量的研究并取得很多成果，如Sakai和Young jun等研究了熔融处理后玻璃体物理特性以及重金属的浸出特性，Yi-Ming Kuo和李润东等人的研究表明熔融玻璃化对二恶英等剧毒有机物具有高效的去除效果，Ryo Yosiie对熔融过程中重金属挥发性的影响因素进行了研究，P.Kavourasa等人的研究证实熔融气氛（H2、N2以及空气）对飞灰熔融温度有一定影响。为了降低处理成本，陈德珍探讨了飞灰低温固化技术的可行性，证实在加入适量添加剂的条件下飞灰的熔融温度可以降到1000℃以下.目前，对垃圾飞灰熔融过程的分析少有报道，对垃圾飞灰熔融过程中的各主要成分的迁移转化规律缺少深入地研究，影响了对飞灰熔融固化机理的认识。
本研究对垃圾焚烧飞灰熔融固化过程的特性进行了探讨，着重研究了熔融固化过程中主要物质成分的迁移转化规律，为有效控制飞灰熔融过程，降低垃圾飞灰熔融固化的处理成本提供理论依据。
1材料与方法
1.1试验材料
本试验选用上海某生活垃圾焚烧厂布袋除尘器飞灰，飞灰粒径主要集中在106～250μm之间，灰样呈灰色，pH值为12.45，用阿基米德法测定飞灰密度为2.80kg/m3。
1.2试验与分析检测方法
飞灰样品经混匀后，在105℃下干燥8h，达恒重后保存待用.将60g的飞灰样品装入250mL的坩锅中，试验时把8个装有样品的坩埚一次性放入高温熔融炉内，关上炉门升温至指定的温度后，恒温30min，取出一个坩埚，然后迅速关上炉门继续升温到下一指定温度，按相同的方法直至取出最后一个坩埚，所取出的坩锅在室温下自然冷却，保存处理后的灰样供分析用，本实验设定温度为800℃、900℃、1000℃、1100℃、1150℃、1200℃、1260℃和1350℃。
收集经处理后的灰样和熔渣，利用日本理学XRF-1700型荧光光谱仪分析测定其化学成分；物相鉴定采用日本理学D/max-RB型X射线衍射仪（XRD）。
2结果与讨论
2.1主要成分的变化
垃圾焚烧飞灰的成分复杂，而且各种成分的含量与垃圾的种类、垃圾焚烧前处理工艺、焚烧炉炉型、焚烧工艺参数和烟气处理工艺等很多因素有关。而飞灰的主要成分含有CaO、SiO2、Al2O3、SO3、K2O、Na2O、Cl等，其一般占总重量的90%左右，因此研究这些物质在飞灰熔融固化过程中的变化规律尤为重要.试验选用的飞灰化学成分如表1，其中主要成分含量达到94%，这些成分在熔融过程中含量的变化如图1所示，从图中可以看出，CaO、Al2O3和SiO2的含量随着温度的增加而升高，当温度在1260℃和1350℃时，熔融渣中三者的总百分含量从原灰的47%上升到90%左右；熔融过程中SO3、K2O、Na2O和Cl在熔融渣中的比例随着温度的升高而减小，其在原灰中的质量分数分别是10.74%、8.58%、3.81%、20.59%，而当温度升高到1350℃时，这些物质在熔融渣中的质量分数已经降低到0.22%、0.04%、0.23%和0.15%；根据熔融渣成分的变化可以推测它们主要以氯化物和硫化物的形式分解挥发；并且，在整个熔融过程中，Cl、K2O、Na2O均在进行分解，而SO3的分解挥发则主要发生在1150℃～1260℃之间。
表1灰样的化学成分


图1熔融固化过程中熔融渣的主要成分含量的变化
2.2物相构成