垃圾焚烧飞灰主要成分对熔融温度及挥发量的影响

摘 要 含有大量重金属和二噁英的垃圾焚烧飞灰被视为危险废物，需要特殊处理。熔融玻璃化是处理垃圾焚烧飞灰的有效方法；飞灰的成分是影响熔融玻璃固化处理效果和熔融特性的重要因素。本文综述了垃圾焚烧飞灰主要成分（CaO、SiO2、Al2O3、 Cl）对飞灰熔融玻璃化影响及其作用机理，并对各种添加剂及其优化组合的作用效果进行了系统分析，对提高重金属的固化效果、有效控制飞灰熔融过程、降低运行成本具有重要的意义。
关键词 垃圾焚烧飞灰 熔融/玻璃化 飞灰成分 添加剂
Melting temperature and weight loss affected by main compositions of fly ash from MSWI
Jiang Yonghai1,2, Xi Beidou2, Wang Qi2, Li Xiujin1, Zhang Xiaoxuan1
（1. College of Chemical Engineering，Beijing University of Chemical Technology, Beijing100029; 2. Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012）
Abstract MSW incineration fly ash is a hazardous waste containing heavy metals and dioxins, and requires special controls. Main compositions of fly ash impact significantly the effect of treatment and melting characteristics of melting and vitrification. The mechanisms of melting and vitrification affected by main compositions(Cl、CaO、SiO2) of fly ash were summarized , and the effect of various additives were analyzed in this paper, which will provide reference for effective control of melting and vitrification, decrease of run cost , improvement for the effect of heavy metals vitrification
Key words Fly ash from MSWI; Melting and solidification; Main compositions of fly ash; Additives
1.前言
垃圾焚烧过程中产生的飞灰因含有较高浸出浓度的Cd、Pb等重金属和二噁英（PCDDs）及呋喃（PCDFs）等剧毒有机物而被列为危险废物。在填埋之前，垃圾焚烧飞灰需要稳定化处理[1]。
多数国家对垃圾焚烧飞灰采用熔融/玻璃化、水泥固化、化学方法稳定化、酸或其他溶剂洗提等技术方法进行处理[2]，然后安全填埋，但是水泥固化和化学稳定化都很难保证飞灰中重金属离子浸出的长期稳定性，也不能分解并有效消除二噁英，因而对人体健康和生态系统造成极大威胁。采用熔融玻璃固化的方法处理垃圾焚烧飞灰不仅可以彻底消除吸附在飞灰中的二噁英，而且可保证固化重金属的长期稳定性，从而消除了重金属和二噁英重新溶出对环境带来的潜在危害；同时飞灰熔融玻璃化大大降低了飞灰的体积，熔融渣可再次用作土木、建筑等材料，对于实现垃圾焚烧飞灰的无害化、减量化、资源化具有重要意义[3]。
另一方面，同其它的飞灰处理方法相比，熔融/玻璃化也有不足之处。熔融/玻璃化消耗大量的能量，产生成分复杂的烟气增加了尾气处理难度，大量的能量的消耗和高昂的烟气处理费用使得熔融/玻璃化技术运行成本较高[4]，阻碍了熔融/玻璃化技术的进一步应用和推广。
第一作者：姜永海，男，1978生，主要从事固体废物处理处置技术及管理研究
近年来，围绕着如何降低飞灰熔融温度、抑制重金属挥发，很多研究者[2、5、6]做了大量工作，以减少能量消耗、降低烟气处理费用。飞灰的主要化学成分是决定其熔融温度和挥发量的内在因素，对飞灰熔融处理的技术选择、处理效果有着重要的影响，因此必须充分了解飞灰熔融过程中主要成分的行为规律及其对熔融温度和挥发量的影响。本文系统综述了这方面的研究成果，为深入系统研究飞灰熔融固化技术提供参考。
2.垃圾焚烧飞灰主要成分及其影响
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CaO、SiO2、Al2O3和Cl元素占总重量的90％左右（见表1）[7]，是决定飞灰熔融温度、烧失量及金属固化效果的主要因素，研究这些主要成分在飞灰熔融玻璃化过程中的特性具有重要理论和实践意义。
表1 几种飞灰化学组成（wt％） 

2.1．CaO
当采用干法或半干法净化焚烧烟气时，喷入烟气中的大量消石灰会富集在飞灰中，成为飞灰中CaO的主要来源。
很长时间以来，虽然多数学者认为CaO能减少飞灰的挥发量，但是关于CaO对飞灰熔融温度的影响一直存在争议。一些研究者认为[8]，由于自身的熔点高（高达2578℃），CaO含量增加会使熔融温度升高，同时高温下飞灰的灼减率降低，这是因为高温下，CaO能与飞灰中的某些物质发生下面的反应，生成钙铝黄长石（2CaO•Al2O3•SiO2），但这种矿物在高温下时间过长容易分解成硅酸二钙（2CaO •SiO2） 


飞灰中的CaO具有固硫作用，固硫产物CaSO4在高温下生成一种难以分解的复合相：硫铝酸钙（3CaO•3Al2O3• CaSO4）。