电弧炉熔融医疗垃圾焚烧灰的实验研究

摘要：利用处理量为2kg的直流电弧炉对医疗垃圾焚烧的底灰、底灰与布袋飞灰的混合灰分别进行熔融实验研究，并比较了熔融前后灰和熔渣的化学成分、物相、微观形貌、浸出毒性及重金属残留率。结果表明，底灰主要由复杂的硅酸盐晶体组成，布袋飞灰含有大量的硬石膏(CaSO4)、氯化钠(NaCl)晶体，熔融后两种熔渣均为无定形非晶态的玻璃熔岩。底灰、混合灰熔融后减容率分别达到78%和80.5%；熔融前布袋飞灰浸出液中Pb，Cd，Zn浓度远超过危险废物填埋限值，熔融后的熔渣中重金属固化在Si−O网格中，渗沥液中浓度极低，完全符合环保要求。熔融后2种熔渣中Pb，Cd，Zn的残留率较低，而且混合灰熔渣中重金属残留率均低于底灰熔渣。
关键词：医疗垃圾；焚烧灰；熔融；电弧炉；重金属
1前言
医疗垃圾集中焚烧处理能减容、减量、消毒灭菌，“非典”之后，该处理方式在国内得到大力推广。医疗垃圾经焚烧后将产生约30%的底灰和3%的飞灰[1]，这些灰(尤其是飞灰)中含有相当量的重金属和二恶英等污染成分，与生活垃圾焚烧灰相比，其成分更加复杂，二恶英含量[2]、重金属毒性和急性毒性都更高[3]。目前，我国对医疗垃圾焚烧灰主要采用填埋处理，对部分超过危险废物填埋标准的飞灰进行水泥固化处理，这两种处理方式均不能保证重金属的长期安全性，而且不能消除二恶英等有机毒物，医疗垃圾焚烧带来的新的环境问题亟待解决。
熔融是近年来发展的新技术，它减容显著，能彻底分解灰中的二恶英，并使重金属蒸发或固定在熔渣Si−O网格中，产生的熔渣还可作为陶瓷、路基、水泥的原料，在减容化、无害化、资源利用方面具有明显的优势。目前，我国垃圾焚烧灰熔融技术尚处于机理研究阶段，仅陈德珍等[4]、李润东等[5]用高温电阻炉分别进行了几克级、几十克级生活垃圾焚烧飞灰的熔融实验研究。日本等发达国家已开发了多种垃圾焚烧灰熔融技术[6]，如电弧炉熔融技术[7]、等离子体炉熔融技术[8]、反射面炉熔融技术[9]及旋转面炉熔融技术[10]。上述技术中，因电弧炉具有电弧温度高、电热转变能力大、电热效率高、炉内气氛和炉子操作容易控制等优点[11]，电弧炉熔融技术在国外颇受青睐，但其核心技术一直处于保密阶段，因此，开发适合我国国情的垃圾焚烧灰电弧炉熔融技术具有重要意义。利用我国成熟的冶金电弧炉工艺设备进行垃圾焚烧灰熔融处理，既可缩短熔融技术的研发周期，又可节省投资与运行费用，具有显著的环保和经济效益。本工作利用处理量为2kg的直流电弧炉对医疗垃圾焚烧底灰(BottomAsh，BA)、底灰与布袋飞灰(FlyAsh，FA)的混合灰进行熔融中试实验研究，并采用XRF，XRD，SEM和AAS等仪器设备对焚烧灰和熔渣进行理化特性分析，以详细了解电弧炉熔融对焚烧灰成分、物质结构和结晶相及重金属迁移的影响。
2实验
2.1样品制备
焚烧灰样品取自沈阳危险废物焚烧中心的15t/d医疗垃圾焚烧炉，该炉燃烧部分由回转窑和二燃室组成，并设有余热锅炉，空气污染控制装置依次为急冷塔、喷活性炭装置、半干法除酸系统、布袋除尘器。
底灰取自水冷排渣口，布袋飞灰取自布袋除尘器排灰口。为使样品具有代表性，底灰和布袋飞灰在连续稳定运行的一周内采集，焚烧灰样品经混匀后，用20目(0.83mm)的网筛去除大颗粒，并在105℃下干燥24h。焚烧灰熔融后产生的熔渣经敲碎、研磨至相关粒度，再进行分析。
2.2实验装置
图1为2kg的直流电弧炉装置本体图，顶部一根可上下调节的石墨电极为阴极，顶电极与底电极(阳极)间产生的高温电弧使炉内的灰熔化并从渣口溢出，熔渣迅速落入水冷槽进行急冷。石墨电极直径为50mm，电极夹头和绕线电缆均采用水冷方式冷却。直流硅整流电源采用双Y型平衡电抗器的整流电路，额定输出电流为1000A，额定输出电功率60kW，电压调节范围20~60V。采用Raynger3i-2M红外测温仪测量熔池温度。

图1直流电弧炉结构示意图
2.3分析仪器及方法
焚烧灰及熔渣的化学成分分析用ZSX100E型X射线荧光光谱仪(XRF)，热灼减率(LOI)是将干燥后的灰及熔渣样在600℃下灼热3h后测定质量的变化，物相分析用荷兰PANalytical公司生产的X' Pert Pro MPD型X射线衍射仪(XRD)，最大功率3kW，最大管电压60kV，最大管电流60mA，步进0.02°，扫描范围10°∼70°。灰渣样经喷金处理后用SSX-550扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)分析微观形貌，分辨率3.5nm，放大倍数20∼300000倍，加速电压0.5∼30kV，能量分辨率144eV，元素分析范围C∼U。重金属含量用SOLAARS4型原子吸收光谱仪(AAS)分析，重金属浸出毒性检测根据GB5086.2-1997，称取灰渣样100.0g，按液固比10：1加去离子水作为浸取剂，振荡时间8h，浸出液经0.45µm微孔滤膜过滤后分析。