助熔物质对生活垃圾焚烧飞灰熔融特性的影响

文_孙进 谭欣 纪涛

1 天津大学环境科学与工程学院 2 天津壹鸣环境科技有限公司

垃圾在焚烧过程中不可避免产生飞灰，由于含有重金属和二噁英等危险废物，如不进行安全处置将对环境造成二次污染。目前，稳定化和固化是我国最常用的飞灰处理技术，最后都需运送至填埋场进行填埋处置。随着现有填埋场库容量的减少以及新建选址困难等难题的凸显，促使新型式的飞灰资源化利用技术成为现阶段我国研究和发展的重点。飞灰熔融资源化技术在欧、美、日已有广泛的应用，在我国也势必会有广阔的应用前景和空间。

本文针对飞灰的主要成分，研究了不同助熔物质对飞灰熔融特性的影响规律，旨在推动飞灰熔融玻璃化资源利用技术在我国的发展提供基础性研究。

1 材料和方法

1.1 采样方法

飞灰的采样和制样按照HJ/T 20-1998《工业固体废物采样制样技术规范》推荐的方法执行。采样过程按容器的上、下位置进行分层采样，且采样数量不少于5个，飞灰最小采样量＞1.0kg。制样包括干燥、粉碎、筛分、混合及缩合等过程。首先将烘箱调节至104℃，加热烘干至恒重。然后用粉碎机将飞灰粉碎，过100目筛，取筛下物（＜150μm）作为待检样品。最后采用圆锥四分法对飞灰进行缩分，重复操作，直至取到对应的最小样品量。

1.2 分析及检测方法

飞灰组分的分析方法参照GB/T 14506.28-2010《硅酸盐岩石化学分析方法第28部分：16个主次成分量测定》，分析仪器采用日本理学公司的Rigaku ZSX100e型X射线荧光光谱分析仪（XRF）。氯的检测参考GB/T3558-2014《煤中氯的测定方法》中艾氏卡混合剂熔样-硫酸氢钾滴定法。硫的检测参考GB/T214-2007《煤中全硫的测定方法》。灰熔点测量参考GB/T219-2008《煤灰熔融性的测定方法》执行。

1.3 飞灰来源及成分

本文所用飞灰取自天津某生活垃圾焚烧发电厂，X射线荧光光谱分析结果如表1所示。CaO是飞灰中占最多的组分，占比到达46%；其次是Cl，占比22.52%；除CaO外，SiO2和Al2O3含量较低，总占比不足15%。

表1 飞灰主要成分 (%)

1.4 试验方案

为了降低飞灰的熔融温度，研究不同助熔物质的影响规律。添加物质分为两类，一类为能形成玻璃态的物质，包括细河沙、无色玻璃和膨润土，添加量为飞灰总质量的20wt%；另一类为传统的助溶剂，包括B2O3（硼砂）、P2O5和CaF2（萤石），考虑价格因素添加量设定为飞灰总质量的5wt%。

2 结果与讨论

2.1 玻璃物质对飞灰熔融特征温度的影响

图1为添加20wt%细河沙、无色玻璃和膨润土时飞灰熔融特征温度的变化规律。原灰的熔融特征温度分别是变形温度（DT）1340℃、软化温度（ST）1423℃、半球温度（HT）1423℃和流动温度（FT）1432℃。对比原灰熔融特征温度，细河沙、无色玻璃和膨润土都具有显著助熔作用。细河沙的助熔效果最优，熔融特征温度分别降低了340℃、166℃、165℃、152℃；无色玻璃次之，熔融特征温度分别降低了340℃、102℃、101℃、102℃；膨润土的助熔效果最低，熔融特征温度分别降低218℃、129℃、101℃、86℃。

图1 玻璃物质对飞灰熔融特征温度的影响

2.2 助溶剂对飞灰熔融特征温度的影响

图2为添加5wt% B2O3、P2O5和CaF2时飞灰熔融特征温度的变化规律。对比原灰，CaF2具有一定的助熔作用，而B2O3和P2O5的助熔作用不显著，甚至还导致熔融特征温度的升高。添加CaF2时，飞灰的熔融特征温度分别降低了334℃、97℃、92℃、80℃；添加B2O3时，飞灰的变形温度升高了30℃，其它特征温度分别降低了25℃、29℃、31℃；添加P2O5时，飞灰的熔融特征温度分别升高了30℃、13℃、9℃、4℃。

图2 助溶剂对飞灰熔融特征温度的影响

2.3 经济性分析

表2为添加不同助熔物质时飞灰流动温度下降的单位成本分析表。定义1t飞灰流动温度下降1℃时购买助熔物质所需费用为单位成本。结果表明，玻璃物质助熔的单位成本远远低于助溶剂，细河沙的单位成本最低，膨润土次之，无色玻璃的助熔成本接近1元，而最好助溶剂（萤石）的单位成本超过了3元。

表2 飞灰流动温度下降的单位成本分析

3 结语

本文通过飞灰的熔融特性试验得出主要结论如下：

①添加20wt%细河沙、无色玻璃和膨润土都能有效降低飞灰的特征熔融温度，助熔效果细河沙＞无色玻璃＞膨润土。

②添加5wt%B2O3和CaF2能有效降低飞灰的特征熔融温度，P2O5没有助熔作用。

③从性价比考虑，推荐使用细河沙或膨润土作为助溶物质。