炉排式垃圾焚烧炉灰渣成分及熔融特性分析

焚烧法处理城市生活垃圾主要有炉排炉焚烧、流化床炉焚烧和回转炉焚烧3种形式。其中，炉排炉由于其处理垃圾量大，对垃圾变化特性适应性强而受到世界各国，特别是经济发达国家的广泛关注。目前，国内一些经济发达城市的垃圾焚烧厂多采用引进国外的炉排炉焚烧技术和设备，但由于对热值低、水分高、成分复杂的中国城市垃圾适应性不好，有2/3以上运行不正常，积灰结渣问题十分严重。
昆明理工大学的胡建杭、王华等分析了城市生活垃圾焚烧灰渣熔融过程中CaO、SiO2、Al2O3等主要成分以及试验气氛对熔融特性的影响，得出了灰渣在酸碱度为1，弱还原性气氛下的熔点最低。李润东、聂永丰等应用能谱分析、灰熔点炉、XRD、压汞仪等对国内外8种垃圾焚烧飞灰的成分、熔点、晶相结构、颗粒特性等物化性质进行了系统研究，表明飞灰成分因受原料、炉型、取样位置等因素影响而差异很大。浙江大学的李晓东、吕洪俊等研究采用流化床焚烧处理有机浓缩废液时，焚烧温度对结焦结渣的影响，提出随温度升高，渣样晶相由以Na2SO4、NaCl等为主转变为以Na2SO4、Na2Si3O7等为主，且Na2Si3O7在渣样中的比重随着焚烧温度的升高而增加，结焦结渣程度也逐渐增大。本文将从灰熔点、灰成分、物相3个方面对炉排式垃圾焚烧炉灰渣进行分析，为减轻垃圾焚烧炉积灰结渣提供理论参考，同时为进一步寻找实践中可行的防积灰结渣方法奠定基础。
1试验物料
本文研究的灰渣为南方某厂焚烧炉现场取样，其中大渣块取自前后拱处形成的‘喉口’部位，积灰取自2、3、4烟道，飞灰取自除尘器出口，其中飞灰进行过喷钙（Ca(OH)2）脱硫。该焚烧炉为炉排式，采用绝热燃烧形式。在焚烧炉的烟气出口设计了前后拱，故此在焚烧炉出口形成一个类似于“斗”的结构。锅炉结焦主要集中在焚烧炉出口部分，目前约2个月结焦即可堵住1/2以上通流截面积，同时在水冷壁上也易结焦积灰。该焚烧炉焚烧垃圾成分有塑料、纸张、果皮、厨余、布等。
在弱还原性气氛下测定垃圾灰渣的熔融特性温度，并利用X射线荧光光谱仪和X射线衍射仪对垃圾灰渣进行成分和物相分析。灰渣成分分析见表1，灰渣熔点测试结果见表2。
表1灰渣成分分析％

表2灰渣熔点测试结果℃

2试验结果与分析
2.1基于灰熔点的熔融特性
一般认为灰粒温度低于软化温度时，在受热面上，只能形成疏松的弱粘聚形灰渣，易脱落；当灰粒或积灰温度高于软化温度时，灰将以粘聚形较强的渣型粘附于受热面上；灰层表面温度进一步升高时，就可能形成熔渣。本试验取样的焚烧炉出口烟温平均保持在930～950℃，最高时达到1000℃，低于渣块的软化温度。可见，在远低于灰熔点的条件下，灰渣内部已经有一部分矿物发生了烧结，这些局部的熔融是引起矿物质颗粒相互粘连的原因之一。
对于烟道积灰，其熔融温度远高于通过烟道的烟气温度，所以烟道中只有少量积灰，很容易用吹灰器吹掉。飞灰的各熔融特征温度接近1500℃，应与加入的Ca(OH)2有关。另外，流动温度与初始变形温度差值与灰渣形态有关。该温差小时，管壁上可形成薄层熔渣，粘结牢固，用吹灰器难于清除；温差大时，灰渣层会较厚，在灰渣熔融前对管壁的粘附作用小，用吹灰器较易清除。对比以上各熔融温度，渣块熔融温度最低，与喉口处的严重结渣相应，且t2-t1=4℃，t4-t3＝6℃，渣块达到变形温度后，迅速地软化，流动，更加重了结渣，并难以清除。
2.2灰渣成分
从表1可以看出，灰渣中主要含Si、Ca、Al、Fe、Na、K等元素，其中渣块中SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3含量达85.77％；因除尘器中Ca(OH)2的加入，K、Na化合物的易挥发性，以及焚烧垃圾中含有较多橡胶、塑料制品，飞灰中CaO含量达47.3％，K、Na化合物的含量高于渣块中的含量，Cl含量很高，达16.3％。灰渣成分熔点见表3。SO3的熔融温度与其它化学成分的熔融温度不在一个数量级上；K2O、Na2O、P2O5高温下不稳定，且在灰中含量较低，一般在1％～2％，最高不超过5％；ZnO、BaO、MnO、CuO、PbO的含量在灰渣中都低于1％。因此，这几种组分可以忽略不计。
表3灰渣成分的熔点℃

2.3基于灰渣成分的熔融特性
研究表明，当总碱性氧化物的百分比小于38％时，随着碱性氧化物百分比的增加，垃圾灰的流动温度下降；当总碱性氧化物的百分比大于38％时，随着碱性氧化物百分比的增加，垃圾灰的流动温度增高。由表1可知，渣块和飞灰的总碱金属含量（CaO+Fe2O3+MgO+K2O+Na2O）百分比分别为41.95％，56.02％，所以当碱性氧化物增加时，渣块和飞灰的熔点都会升高。