垃圾焚烧飞灰理化特性研究

第32卷2004年　第2期4　月燃　料　化　学　学　报JOURNAL OF FUE L CHEMISTRY AND TECHNOLOGYVol 132　No 12Apr 1 2004文章编号:025322409(2004)022*******　收稿日期:2003208212;修回日期:2004202227　基金项目:国家高技术研究发展计划(863项目)(2002AA644010);中国博士后科学基金(2003034132);清华2中大博士后科学基金(202836001224)　作者简介:李润东(19732),男,辽宁西丰人,博士,副教授,主要研究固体废物的无害化处理和资源化利用。

E 2mail :leerd @垃圾焚烧飞灰理化特性研究李润东1,2,聂永丰1,李爱民2,王　雷2,严建华3,岑可法3(1.沈阳航空工业学院清洁能源与环境工程研究所,辽宁沈阳　110034;2.清华大学环境科学与工程系,北京　100084;3.浙江大学热能工程研究所,浙江杭州　310027)摘　要:应用能谱分析、灰熔点炉、XRD 、压汞仪等仪器手段对国内外8种垃圾焚烧飞灰的成分、熔点、晶相结构、颗粒特性等物理化学性质进行了系统研究。

研究表明,飞灰成分因为受原料、炉型、取样位置等因素影响而差异很大。

由于飞灰的成分差异导致垃圾焚烧飞灰比煤灰更易于熔融,对熔融处理有利,这主要归因于飞灰中S iO 2含量以及S iO 2ΠAl 2O 3差异,熔点与S iO 2含量存在正比关系;添加CaO 实现助熔是有条件的,不同飞灰由于焚烧条件和飞灰成分不同导致晶相组成有一定差异;飞灰内部孔径主要分布于0.3μm ～1.5μm 范围内,飞灰的比表面积为20.5m 2Πg 。

关键词:垃圾;焚烧;飞灰;理化特性中图分类号:X 705 文献标识码:A 固体废物焚烧处理技术在我国日益得到推广应用。

目前运行和在建的焚烧装置处理量超过13150t Πd ,预计到2005年我国生活垃圾的焚烧处理比例将达到5%。

我国焚烧飞灰产量巨大,每年生活垃圾焚烧将产生飞灰21万t ,在未来5年内医疗垃圾和危险废物焚烧每年将产生约2万t 焚烧飞灰。

垃圾焚烧容易产生二次污染,而焚烧飞灰是二次污染的主要载体[1,2]。

焚烧飞灰因含有高浸出毒性的重金属以及高毒性当量的二口恶英等污染成分被普遍认为是一种危险废物[3,4]。

飞灰危险废物处理包括固化稳定化处理、湿式化学处理与高温处理三种。

飞灰的物理化学性质对各种处理技术的适应性、处理效果、经济性能等有重要影响。

许多学者对飞灰理化特性开展深入研究,Richer U 等[5]和Le F orestier 等[6]研究了飞灰粒度等特性,T ay 等[7]着重对焚烧飞灰的工程性质进行研究。

飞灰的来源地点包含美国、韩国、日本、新加坡、我国的台湾、广东等地区[3,8～10]。

关于国内垃圾焚烧飞灰特性的系统研究报道并不多见。

本文将对系统地研究国内外8种垃圾焚烧飞灰的化学特性(成分)、物理特性(孔隙率、比表面积、熔点)和结构特性(晶相)等,以便为飞灰的处理技术选择和优化运行奠定基础。

实验飞灰主要取自浙江垃圾与煤混烧流化床焚烧炉、南方某炉排式垃圾焚烧炉、法国R ouen 炉排焚烧炉,此外为了研究污水污泥灰渣特性,在杭州某污水处理厂取得污泥样品,在马弗炉900℃煅烧后得到灰分。

1　飞灰的化学组成1.1　飞灰的成分　飞灰的组成成分是飞灰的重要性质之一,飞灰中包括Si 、Ca 、K 、Na 、Al 、Cl 、Fe 、T i 、Mg 等主要元素成分和Pb 、Cr 、Cd 、Zn 、Hg 、Cu 、Ni 、As 等微量污染成分。

飞灰的主要化学成分对其热动力学性质以及对各种处理技术的适应性、处理费用和效果有重要影响。

利用Finder1000型X 射线能谱分析仪对各种飞灰进行成分分析,飞灰主要成分组成见表1。

可以发现,不同样品之间飞灰成分差异很大。

前三种样品SiO 2含量明显高于后四者,而CaO 含量则相反。

原因可能有两方面,第一是由于原料的不同,FA1～FA3的原料是垃圾和煤的混合物,而煤灰的成分与垃圾灰分有较大差异,焚烧过程煤灰的参与导致飞灰中SiO 2含量增加,明显高于垃圾焚烧飞灰;第二可能由于焚烧方式差异所致,前三种飞灰是流化床焚烧炉产生,而FA4～FA7都来自炉排式垃圾焚烧炉。

焚烧方式差异主要表现在两方面,一是焚烧温度,二是烟气流速。

垃圾焚烧过程中,灰渣等无机成分主要分为飞灰和底灰,一般而言,飞灰中低熔点的成分略多,其高熔点成分(SiO 2等)略低于底灰,但流化床的烟气流速明显高于炉排炉等固定床焚烧炉,致使一些原本应留在底灰中的灰分转移到飞灰中,宏观表现就是流化床焚烧炉飞灰高于炉排炉飞灰量,流化床焚烧炉飞灰可达原垃圾质量的15%～20%,而炉排炉飞灰量通常为3%～5%,微观表现即为流化床焚烧炉飞灰中SiO 2等高熔点的成分比炉排炉中多。

FA5样品取自法国R ouen 炉排焚烧炉的烟气净化设施,为了脱氯加入大量石灰石,导致飞灰样品氧化钙含量高达76.75%。

飞灰样品FA8是污水污泥的焚烧灰,尽管不属于飞灰,为了比较一并研究。

表1　实验所用垃圾焚烧飞灰成分分析T able 1　C om position of municipal s olid waste incinerator fly ashFly ash Incin 2eratorFuelT ype of furnacelocation C om position w Π%S iO 2Al 2O 3CaO T iO 2Fe 2O 3CuOZnCl 2ZnO P 2O 5K 2S FA1outlet of furnace 23.8910.124.73.4718.849.685.430- 2.72FA21#MSW and coalCF Bhorizontal flue 29.2525.018.8816.6810.9630 1.71 3.04FA3scrubber 22.9310.9726.259.3919.58 3.172 2.771.84 3.08FA42#MSW grate bag 2filter 10.32.3647.09 5.807.063.6310.852 3.439.50FA53#MSW grate bag 2filter 1.671.0676.7500.56 6.547.4000.71 2.22FA64#MSWgratebag 2filter 17.66 3.9434.79 2.6612.048.1112.020.910.57.37FA7superheater 16.723.831.78 3.5615.96.114.035.52 2.52 5.22FA85#sludgemu ffle-33.94 5.1712.38 1.6821.498.870.189.113.732.31.2　飞灰成分的分类　飞灰中成分可以按酸碱特性的不同大致分为三类,主要包括SiO 2、Al 2O 3、P 2O 5等酸性物质和CaO 、Fe 2O 3、CuO 、T iO 2、K 2O 、Na 2O 等碱性物质以及金属氯化物等盐类物质。

三类成分的大致分布对飞灰的熔融特性、技术选择、处理效果等有重要影响。

酸性氧化物通常使飞灰熔点升高,增加熔融处理的难度,而碱性氧化物则使灰熔点降低。

氯化物阻碍水泥水化过程,它不仅会增加固化体中重金属的可溶性,而且使得飞灰中的二口恶英很难通过水泥固化或化学药剂处理实现分解破坏。

将飞灰的各种成分按照酸性氧化物、碱性氧化物和盐类三类成分的比例关系表示在图1中。

可见实验飞灰主图1　飞灰中三类物质的比例关系Figure 1　Distribution of three substances in fly ash要成分分布较广,说明实验飞灰具有一定的代表性。

其次,FA1、FA2和FA6飞灰的三种成分相对平均,FA4飞灰中主要是氯化物为主的盐类成分,FA5中的酸性氧化物含量非常低,原因如前所述。

FA8中盐类物质很少,原因在于该样品属于污泥的焚烧残渣,在煅烧过程中金属氯化物可能以气态形式挥发,导致残渣中盐类物质很少,这明显区别于其它飞灰样品。

2　飞灰熔融特性2.1　飞灰熔点分析　焚烧灰渣的熔融特性(即熔点)是热化学处理垃圾的重要指标。

熔融特性不仅决定了焚烧等热化学处理过程灰的沉积与结渣危害程度,而且对于焚烧飞灰的进一步处理至关重要,尤其对灰渣的熔融和烧结等高温处理技术的安全性和经济性也有决定性影响,因为熔点的高低不仅影响熔融的能耗,而且决定熔融工艺的难易程度和设备投资等诸多方面,所以研究飞灰的熔点非常必要。

垃圾的成分复杂多样,因此经焚烧等热化学处理后的固态残留物灰渣的成分非常复杂,各种成分含量的变化也很大,这些因素对灰渣的熔融特性有重要影响。

由于垃圾焚烧灰渣是以金属与非金属氧化物等成分的混合物形式存在,所以垃圾焚烧灰渣的熔化只能有一个温度范围。

当加热到一定温度时,灰渣中的低熔点成分开始熔化,随着温度的升671　燃　料　化　学　学　报32卷高,熔化成分逐渐增多,最后全部变为液态,其中当然包含一些物相的生成反应。

本文主要研究MSWI 灰渣熔点的三个特征温度,即变形温度(DT )、软化温度(ST )和流动温度(FT )。

图2采用通用的角锥法在氧化性气氛下对FA1、FA2、FA3、FA4和FA6五种飞灰的熔融特性进行测定。

图2　几种垃圾焚烧飞灰的熔点Figure 2　Melting characteristisc of several kinds of fly ash (1)FA1;(2)FA2;(3)FA3;(4)FA4;(5)FA6DT —decom position tem perature ;ST —s oft tem perature ;FT —flow tem perature图2为五种垃圾焚烧飞灰的灰熔点测试结果。

FA1、FA2与FA3是垃圾与煤混烧炉不同位置飞灰。

FA4与FA6分别取自我国南方炉排炉垃圾焚烧飞灰。

总体而言,FA1、FA2与FA3比FA4与FA6熔点明显高很多,DT 、ST 和FT 都至少相差150℃,从飞灰来源方面分析,FA1、FA2与FA3是垃圾与煤混烧的飞灰,这也说明垃圾焚烧飞灰比煤灰熔点低,对于飞灰的熔融处理而言无疑是有利的,然而对于垃圾焚烧炉而言要格外重视防止因结渣而影响运行。

对于同样来源的飞灰,熔点也不尽相同,五种飞灰的熔点由高到低依次为FA2>FA1>FA3>FA6>FA4,这可以从飞灰成分方面得到解释。

飞灰中SiO 2含量对灰熔点的影响非常显著,几乎是成正比关系,因为此五种飞灰中SiO 2的含量依次为FA2>FA1>FA3>FA6>FA4。