馬明生

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

生活垃圾焚燒飛灰、危險(xiǎn)廢物焚燒飛灰和底渣都屬于《國家危險(xiǎn)廢物名錄(2021年版)》中的HW18類危險(xiǎn)廢物[1]，本文統(tǒng)稱為焚燒殘余物。固化穩(wěn)定化是常用的焚燒殘余物終端解決手段，一般采用水泥和化學(xué)藥劑(如螯合劑)使危險(xiǎn)廢物中的重金屬形成穩(wěn)定化合物并固結(jié)成水泥基膠凝體，然后進(jìn)行填埋[2-3]。填埋處理存在污染地下水及土壤的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，尤其廢物中的有毒物質(zhì)以未知、不受控制的形式存在[4]。

生活垃圾焚燒飛灰是生活垃圾焚燒煙氣凈化產(chǎn)生的集塵灰，生活垃圾焚燒過程毒性物質(zhì)發(fā)生遷移轉(zhuǎn)變，大部分重金屬及二噁英最終富集于飛灰中，如圖1所示。目前，多采用固化穩(wěn)定化加填埋的方式處置生活垃圾焚燒飛灰。2019年，我國生活垃圾焚燒飛灰產(chǎn)生總量為620萬t，占可統(tǒng)計(jì)危險(xiǎn)廢物總量的12.4%。部分區(qū)域尤其是東部地區(qū)因固廢填埋場封場或區(qū)域特殊環(huán)保政策限制，傳統(tǒng)填埋處理已無法滿足飛灰的“出路”問題，并嚴(yán)重制約區(qū)域內(nèi)生活垃圾焚燒產(chǎn)業(yè)的正常發(fā)展。

圖1 焚燒殘余物飛灰毒性物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)變規(guī)律

玻璃是一類化學(xué)穩(wěn)定性高、長期環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)極低的固體物質(zhì)，根據(jù)國內(nèi)外研究和應(yīng)用實(shí)踐，采用熔融玻璃化工藝處理焚燒殘余物是實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)廢物無害化、減量化及資源化的最佳終端解決方式。本文從玻璃化學(xué)穩(wěn)定性、焚燒殘余物熔融玻璃化工藝研究和應(yīng)用現(xiàn)狀、我國焚燒殘余物熔融玻璃化技術(shù)路線選擇三方面介紹熔融玻璃化工藝。

1 玻璃化學(xué)穩(wěn)定性

玻璃是一種具有無規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體。在硅酸鹽玻璃中，SiO2、B2O3等網(wǎng)絡(luò)形成體氧化物構(gòu)成了玻璃的整體網(wǎng)絡(luò)“骨架”，Na2O、CaO、PbO、CuO、NiO、CdO等作為網(wǎng)絡(luò)外體氧化物分布于玻璃網(wǎng)絡(luò)的“空穴”中，MgO、ZnO、Al2O3等作為中間體氧化物分布于玻璃網(wǎng)絡(luò)中[5]。因此，根據(jù)玻璃的微觀結(jié)構(gòu)形式，Pb、Cd、Zn、Cu、Ni等重金屬嵌于硅酸鹽玻璃網(wǎng)絡(luò)中，難以有效遷移至玻璃表面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)固化。

玻璃體系、組分含量及環(huán)境介質(zhì)決定了玻璃在自然環(huán)境中的長期穩(wěn)定性。其中玻璃體系是焚燒殘余物熔融固化重要條件之一，也是確定熔融工藝及裝備的主要依據(jù)。下文從玻璃侵蝕機(jī)理角度闡述焚燒殘余物熔融固化玻璃體系的構(gòu)建原則。

1.1 玻璃侵蝕過程

玻璃組成及侵蝕介質(zhì)決定了玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性[6]。侵蝕介質(zhì)對玻璃侵蝕的過程是離子交換、硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)水解和水化反應(yīng)強(qiáng)耦合的過程。

酸性介質(zhì)對玻璃的侵蝕是從水中的H+和玻璃中的Na+離子發(fā)生交換開始啟動(dòng)的，反應(yīng)見式(1)。離子交換反應(yīng)平衡常數(shù)K的計(jì)算見式(2)，可以看出平衡常數(shù)K與溶液中[Na+]成正比、與[H+]成反比。當(dāng)介質(zhì)pH值較小時(shí)，[H+]值較小，離子交換反應(yīng)為侵蝕主要控制環(huán)節(jié)。含堿金屬或堿土金屬的硅酸鹽玻璃與水溶液接觸時(shí)，首先發(fā)生水解反應(yīng)，Si—O—R鍵被破壞，R與H+置換后進(jìn)入溶液中，玻璃表面形成Si—O—H鍵，反應(yīng)如式(3)所示。玻璃的水化過程如式(4)和(5)所示，玻璃首先與水發(fā)生離子交換反應(yīng)，而后形成堿性物質(zhì)與水化Si—O—H發(fā)生中和反應(yīng)，形成H2O和Si—O—Si[7]。玻璃的耐水性和耐酸性主要決定于SiO2和R2O(R=Na，K)含量。SiO2含量高，即[SiO4]互連度大，則玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性高；R2O含量高，則玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性低。

(1)

K=[Si—OH][Na+]/[Si—O—Na+][H+]

(2)

(3)

H2O+Si—O—Si→Si—OH-+H+—O—Si

(4)

Si—OH-+H+—O—Si→H2O+Si—O—Si

(5)

一般情況下，含有足量SiO2的硅酸鹽玻璃能夠耐酸侵蝕。除氫氟酸和磷酸外，SiO2具有抵抗常規(guī)無機(jī)酸和有機(jī)酸侵蝕的能力。以鈉鈣硅玻璃為例，氫氟酸對硅酸鹽玻璃的侵蝕機(jī)理可由式(6)表示。

Na2O·CaO·SiO2+8HF→2NaF+CaF2+SiF4+4H2O

(6)

生成的SiF4與HF進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，生成絡(luò)和硅氟酸，反應(yīng)方程見式(7)～(8)。

3SiF4+3H2O→H2SiO3+2H2SiF6

(7)

SiF4+2HF→H2SiF6

(8)

生成的硅氟酸又會(huì)與硅酸鹽水解產(chǎn)生的NaOH發(fā)生反應(yīng)，形成硅氟酸鹽，反應(yīng)方程見式(9)。

H2SiF6+2NaOH→Na2SiF6+2H2O

(9)

堿侵蝕玻璃分為三個(gè)階段，堿性陽離子首先吸附在玻璃表面，并且伴隨水化反應(yīng)的進(jìn)行，陽離子附近的OH-濃度升高，OH-與Si—O—Si鍵之間的作用加劇，反應(yīng)機(jī)理如式(10)所示。Si—O—Si斷裂生成非橋氧Si—O鍵，最后形成硅酸根離子，并逐步溶解于堿溶液中。

(10)

1.2 玻璃體系對化學(xué)穩(wěn)定性影響

玻璃體系的差異導(dǎo)致其化學(xué)穩(wěn)定性存在較大差異。一般來說，人們最熟悉的窗玻璃屬于Na2O- CaO- SiO2體系玻璃，耐熱器皿(如燒杯等)的玻璃屬于Na2O- CaO- B2O3- SiO2體系玻璃，CRT玻璃則屬于PbO- Na2O- K2O- SiO2體系玻璃。

顯像管(CRT)電視機(jī)是有近70年歷史的家用電器產(chǎn)品。隨著產(chǎn)品的使用壽命結(jié)束及顯示器技術(shù)進(jìn)步，最近20年來，大量CRT電視機(jī)進(jìn)入報(bào)廢期，但得不到妥善處理。如圖2所示，CRT玻璃主要成分為PbO，其中熔接玻璃的PbO含量為70%～80%，錐玻璃的PbO含量約為22%，頸玻璃的PbO含量為22%～30%，各部位的組成[8]見表1。

圖2 CRT玻璃種類及組成

PbO既是網(wǎng)絡(luò)中間體氧化物也是網(wǎng)絡(luò)形成體氧化物，視玻璃體系及其他組分含量而定。如表1所示，熔接玻璃組成中PbO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為71%，PbO在該玻璃中以網(wǎng)絡(luò)形成體氧化物的形式構(gòu)成玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。作為網(wǎng)絡(luò)中間體氧化物，PbO的Pb2+與[SiO4]-形成Si—O—Pb鍵；作為網(wǎng)絡(luò)形成體氧化物，PbO以四方錐體[PbO4]-結(jié)構(gòu)單元形成玻璃。在結(jié)晶態(tài)PbO中，Pb2+與8個(gè)O2-形成不對稱配位體結(jié)構(gòu)單元[PbO4]-。高鉛玻璃中都存在以四方錐體為結(jié)構(gòu)單元形成的螺旋形鏈狀結(jié)構(gòu)。在玻璃中，[PbO4]-與[SiO4]-通過角頂或共邊相連接形成特殊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此PbO- SiO2系統(tǒng)具有很寬的玻璃形成區(qū)[9]。由表1可知，錐玻璃、頸玻璃中SiO2含量約50%，PbO多以網(wǎng)絡(luò)中間體氧化物形式存在。

表1 CRT玻璃各部件的典型化學(xué)組成 %

Pb—O—Si鍵合條件下，Pb2+以網(wǎng)絡(luò)外體氧化物形式嵌于[SiO4]-網(wǎng)絡(luò)中，在酸性介質(zhì)浸蝕過程中，發(fā)生如下反應(yīng)：

HAc+Pb—O—Si→PbAc+Si—O—H

(11)

反應(yīng)(11)只能在玻璃表面或玻璃裂縫界面發(fā)生，當(dāng)玻璃表面的Pb2+與酸液完全反應(yīng)后，浸蝕終止。當(dāng)PbO以網(wǎng)絡(luò)形成體氧化物形式存在并構(gòu)成玻璃主要結(jié)構(gòu)單元時(shí)，酸液浸蝕過程可由式(12)、(13)表示。玻璃中的大量Pb2+被溶蝕形成可溶性Pb鹽。謝芳芳[10]的研究表明，鉛冶煉渣中的Pb極易溶出，當(dāng)渣中Pb含量低于1.5%時(shí)，棄渣可視為一般固體廢物。謝芳芳[10]采用醋酸緩沖液法(HJ/300—2007)對CRT顯示屏各部位進(jìn)行Pb浸出毒性分析，結(jié)果表明錐玻璃、熔接玻璃及頸玻璃的浸出液Pb濃度均超出危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)(5 mg/L)，說明這幾個(gè)部位均為危險(xiǎn)廢物；而屏玻璃幾乎沒有浸出鉛，為一般固廢。根據(jù)測算，單個(gè)CRT顯示屏平均質(zhì)量為13 kg，其中平均Pb含量為2 kg，2013年進(jìn)入回收體系的報(bào)廢CRT顯示屏中Pb金屬總量為33萬t，2020年這一數(shù)值為43萬t。Wang[11]的研究表明，CRT玻璃經(jīng)過高溫重熔后得到的玻璃化產(chǎn)物仍存在Pb滲出的風(fēng)險(xiǎn)。

HAc+Pb—O—Pb→PbAc+Pb—O—H

(12)

Pb—O—H+HAc→H2O+PbAc

(13)

2 危險(xiǎn)廢物熔融固化技術(shù)

熔融固化技術(shù)，是在高溫下利用熱把固態(tài)污染物熔化為玻璃狀或玻璃- 陶瓷狀物質(zhì)，借助玻璃體中的致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)重金屬固化的技術(shù)。根據(jù)熔融熱源及裝備形式，熔融固化技術(shù)分為電熱式和燃料式熔融技術(shù)[12]，如圖3所示。

圖3 熔融固化工藝分類

電熱式熔融按供電方式分為電阻式熔融工藝和等離子體式熔融工藝。其中，電阻式熔融工藝的原理是電流通過熔渣以電阻熱形式加熱熔體，電阻式熔融根據(jù)供電方式可細(xì)分為直流電阻爐工藝和交流電阻爐工藝。等離子體熔融工藝是利用外加電場激發(fā)N2等介質(zhì)形成高溫等離子體束加熱物料。燃料加熱式熔融工藝采用煤、天然氣等燃料燃燒熔化物料，根據(jù)燃燒器布置和傳熱方式，分為反射式表面熔融工藝和富氧側(cè)吹浸沒式熔融工藝。

2.1 電加熱熔融工藝及裝備

2.1.1 電阻式熔融工藝

美國于1984開始進(jìn)行生活垃圾焚燒飛灰熔融工藝及裝置開發(fā)工作，ALRC(Rolla Research Center)研究中心于1992年完成了交流電阻爐飛灰熔融擴(kuò)大試驗(yàn)[13]。該試驗(yàn)設(shè)計(jì)并采用的三相交流電阻爐結(jié)構(gòu)如圖4所示，其功率為800 kVA，飛灰處理能力為907 kg/h，爐子技術(shù)參數(shù)見表2。由于飛灰中含有氯化鈉等高溫?fù)]發(fā)性組分，試驗(yàn)裝置加裝了定制開發(fā)的電極口及加料口密封機(jī)構(gòu)。該試驗(yàn)系統(tǒng)是全球第一套處置規(guī)模為噸級的生活垃圾飛灰交流電阻爐熔融系統(tǒng)，但到目前為止，尚無相關(guān)應(yīng)用案例的報(bào)導(dǎo)。

圖4 美國ASME飛灰熔融電阻爐

日本鋼管公司NKK(現(xiàn)日本鋼鐵工程控股公司， JFE)于1978年開始進(jìn)行飛灰熔融工藝及裝置開發(fā)研究，歷經(jīng)20年開發(fā)周期，于1998年在八王子市焚燒廠實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的工程化應(yīng)用。電爐功率為900 kVA，飛灰處置能力為18 t/d，電極消耗量為0.1～0.2 kg/t灰，電爐結(jié)構(gòu)如圖5所示。2002年，JFE與NKK整合為現(xiàn)日本鋼鐵工程控股公司，NKK開發(fā)的飛灰熔融電阻爐工藝被命名為JFE工藝[14]。日本八王子市、神奈川縣等4個(gè)城市采用了JFE工藝處理垃圾焚燒飛灰，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 生活垃圾焚燒飛灰電熔融技術(shù)及案例

圖5 JFE飛灰熔融交流電阻爐

石川島播磨重工業(yè)(IHI)于20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行直流電阻爐飛灰熔融工藝及裝置開發(fā)工作。所采用的直流電爐為單根石墨電極，爐底加裝底電極，直流電貫通渣及金屬層形成電阻熱，從而實(shí)現(xiàn)物料熔融[15]。IHI先后開展了飛灰處置規(guī)模為2.4 t/d及10 t/d的熔融試驗(yàn)研究，其中處置能力為10 t/d的直流電爐功率為400 kW，爐膛內(nèi)負(fù)壓為-200～-50 Pa。圖6為該試驗(yàn)熔融爐內(nèi)物料及溫度分布情況。

圖6 IHI直流電阻爐

由圖6可以看出，配合料隨著溫度升高逐步由過渡層的固體轉(zhuǎn)變?nèi)墼?，其中部分熔融金屬在爐底部形成金屬層。熔渣上層溫度控制為1 120～1 170 ℃，下層溫度控制為1 400 ℃，熔體以間斷排渣方式放出。試驗(yàn)結(jié)果表明，飛灰中的重金屬Zn、Pb、As、Cd、Hg揮發(fā)進(jìn)入煙塵中，Ni、Cr進(jìn)入渣熔體中。處理能力為2.4 t/d和10 t/d的電爐能耗指標(biāo)分別為760 kW·h/t灰、680 kW·h/t灰，依此測算，處理能力30 t/d的直流電爐能耗指標(biāo)為570 kW·h/t灰。

2.1.2 等離子體熔融工藝

等離子體熔融技術(shù)發(fā)展較成熟的國家有美國、法國、英國等。其中，美國的Retech公司、IET公司、西屋環(huán)境公司、PEAT公司、Startech公司，法國的Europlasma公司(所采用的等離子爐如圖7所示)，英國的Tetronics公司離子體熔融(所采用的等離子爐如圖8所示)處理技術(shù)均已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)[16]。表3列出了歐美及國內(nèi)企業(yè)開發(fā)的等離子體熔融技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用案例。

圖7 Europlasma等離子體爐結(jié)構(gòu)

圖8 Tetronics等離子體爐結(jié)構(gòu)

表3 等離子體熔融技術(shù)處置焚燒殘余物應(yīng)用案例

等離子體熔融技術(shù)多采用直流電源，具有噪音小、操作穩(wěn)定、電極消耗和電耗低的特點(diǎn)。根據(jù)電極設(shè)置方式，直流等離子矩分為轉(zhuǎn)移弧及非轉(zhuǎn)移弧等離子炬。圖9(a)、(b)分別為轉(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧等離子炬結(jié)構(gòu)示意圖及工作原理[17]。轉(zhuǎn)移弧等離子炬的結(jié)構(gòu)形式為陰極和陽極都安裝在等離子炬內(nèi)，工作氣體通入炬內(nèi)通道，在直流電加載后形成等離子射流。非轉(zhuǎn)移弧等離子炬工作原理為:以石墨電極作為陰極，以底電極作為陽極，通過陰極加載的高電壓與陽極形成的電弧激發(fā)工作氣體(N2、Ar、空氣)形成高溫等離子體。

圖9 直流等離子炬結(jié)構(gòu)示意圖和工作原理

20世紀(jì)90年代初，日本荏原機(jī)械開發(fā)了等離子體熔融處理飛灰技術(shù)，先后進(jìn)行了飛灰處置能力為6 t/d的擴(kuò)大試驗(yàn)及處置能力24 t/d的半工業(yè)試驗(yàn)，并于1994年在日本松山市建成一條飛灰處置能力52 t/d的等離子體熔融工業(yè)化系統(tǒng)[18]。熔融爐采用爐體水冷掛渣的方式延緩熔渣對耐材的侵蝕。該熔融系統(tǒng)的物料組成及熔渣組成見表4。水碎渣毒性浸出各項(xiàng)數(shù)值均低于一般固廢填埋的指標(biāo)要求(表5)[19-20]。二噁英測試結(jié)果表明，水碎渣的毒性當(dāng)量I-TEQ值為0 ng/g，飛灰中的99%二噁英徹底分解并進(jìn)入二次飛灰，渣中沒有檢測出二噁英。如表5所示，根據(jù)日本環(huán)保省標(biāo)準(zhǔn)，熔渣的毒性鑒定測試各項(xiàng)指均滿足填埋標(biāo)準(zhǔn)限值，重金屬Pb、Cd、Cr6+浸出值均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值。

表4 日本松山市垃圾焚燒飛灰等離子體熔融物料及產(chǎn)物組成 %

表5 渣毒性浸出結(jié)果 mg/L

醫(yī)療垃圾焚燒殘余物飛灰和底渣都是危險(xiǎn)廢物，飛灰中含有包括二噁英在內(nèi)的多種有機(jī)毒性物質(zhì)，采用熔融處理工藝后可實(shí)現(xiàn)殘余物的穩(wěn)定化。波蘭羅茲工業(yè)大學(xué)采用功率為150 kW的轉(zhuǎn)移弧等離子體熔融爐分別進(jìn)行了醫(yī)療垃圾焚燒底渣及底渣熔融試驗(yàn)研究，熔融溫度為1 500 ℃。熔渣的毒性浸出結(jié)果表明，底渣經(jīng)過熔融處理后形成的玻璃渣具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性[21]。Park[22]報(bào)道了韓國開展的利用等離子爐處理醫(yī)療垃圾焚燒殘余物的研究，探討了等離子炬功率與渣流動(dòng)性的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明提高等離子炬功率能夠顯著提高渣的流動(dòng)性，使玻璃渣具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。

2.2 燃料式熔融工藝及裝備

燃料式熔融是利用重油、煤油、燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱量實(shí)現(xiàn)飛灰等焚燒殘余物熔融的工藝。根據(jù)燒嘴布置的位置分為反射式表面熔融和富氧側(cè)吹浸沒式工藝。反射式表面熔融是指設(shè)置于物料表面的燃燒器燃燒后通過爐膛輻射加熱物料從而實(shí)現(xiàn)熔融的工藝；側(cè)吹浸沒式是指燃燒器浸沒于熔渣內(nèi)直接加熱熔體的工藝。在鋼鐵冶金技術(shù)領(lǐng)域，鋼包加熱多采用反射式表面熔融工藝；側(cè)吹浸沒式工藝是近年來我國開發(fā)的鉛、銅熔池熔煉新工藝，是中國恩菲工程技術(shù)有限公司在銅、鉛等重有色金屬側(cè)吹浸沒式熔池熔煉工藝和裝備基礎(chǔ)上開發(fā)的危險(xiǎn)廢物側(cè)吹熔融玻璃化工藝。

2.2.1 反射式表面熔融工藝

日本于20世紀(jì)80年代初開始采用反射式表面熔融爐處理生活垃圾焚燒飛灰。Takuma公司開發(fā)的反射式表面熔融爐在1981年實(shí)現(xiàn)了首次工程化應(yīng)用[22]。該熔融爐加裝了爐體水冷壁，可有效提高爐體壽命。生產(chǎn)實(shí)踐表明，該熔融裝置可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)和停爐，物料處置能力為5 t/d的熔融裝置采用煤油作為燃料，燃料消耗量為282 L/t物料，熔渣溫度為1 400 ℃以上，裝置工藝參數(shù)見表6。截至1998年，Takuma公司先后承建了Kashima Town、Sakado City、Sayma City等城市生活垃圾焚燒飛灰熔融處理系統(tǒng)，共10臺反射式表面熔融爐，物料處置規(guī)模為4.8～26 t/d。

表6 反射式表面熔融爐系統(tǒng)參數(shù)

反射式表面熔融爐適用于沒有發(fā)電裝置的垃圾焚燒廠，燃料選擇范圍大，并具有易于啟停的操作優(yōu)點(diǎn)。但由于以燃料作為能量來源，熔融裝置的煙氣量相對于電熱式熔融爐要大很多，并存在熱利用率低的本質(zhì)缺點(diǎn)。

2.2.2 富氧側(cè)吹浸沒式熔池熔煉工藝

富氧側(cè)吹浸沒式熔池熔煉技術(shù)(SSC)是利用側(cè)吹噴槍向熔池內(nèi)噴入富氧空氣和燃料(天然氣、柴油、煤粉等)攪動(dòng)熔體，并通過直接燃燒向熔體補(bǔ)熱的工藝。爐料加入熔煉區(qū)后，隨熔體的攪動(dòng)快速分布于熔體中，迅速傳熱傳質(zhì)，完成加熱、分解、熔化等過程。同時(shí)，側(cè)吹噴槍噴入的燃料提供熱源。

富氧側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)具有原料適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于不發(fā)熱物料的處理，可消納較寬粒度范圍和含水的物料。由于采用固定臥式爐床，該技術(shù)的爐床面積和床能率較其他熔煉技術(shù)大很多，反應(yīng)空間大，物料及煙氣在爐內(nèi)反應(yīng)充分。鼓入的富氧空氣對熔體進(jìn)行劇烈攪拌，爐料在熔體中能夠迅速完成氣、液、固三相間主要反應(yīng)，爐子密閉性能好，因此綜合能耗低，節(jié)能效果好。

針對工業(yè)廢棄物熱值低、成分復(fù)雜、物料含水量高、煙氣需要去除二噁英等難點(diǎn)，2020年3月世界上第一套采用富氧側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)綜合處置多種工業(yè)危廢的生產(chǎn)線在浙江金泰萊項(xiàng)目建成投產(chǎn)。該項(xiàng)目采用富氧側(cè)吹浸沒燃燒爐(SSC爐)綜合處理無機(jī)污泥、有機(jī)污泥、廢有機(jī)溶劑等，產(chǎn)出玻璃態(tài)熔煉渣，產(chǎn)出物為一般固廢，從而達(dá)到危廢無害化處置的目的。SSC爐產(chǎn)出的高溫?zé)煔?約1 300 ℃)，經(jīng)余熱鍋爐(SNCR脫硝)、驟冷、密相塔脫酸、活性炭吸附、濕法脫硫脫硝一系列工序處理后，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。此外，該項(xiàng)目充分利用有機(jī)污泥、廢有機(jī)溶劑自身的熱值，降低能耗，配煤率僅為3%～5%。

2.3 熔融工藝比對及選擇

電加熱式熔融工藝分為直流電阻爐工藝、交流電阻爐工藝及等離子體熔融工藝，前兩者都是電能直接轉(zhuǎn)化為熱能，等離子體熔融工藝是利用電能激發(fā)工作氣體然后將電能轉(zhuǎn)化為熱能并傳輸給物料。燃料加熱式熔融是化石燃料直接燃燒后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，與電熱式熔融過程相比，排放的煙氣量大很多，因此燃料式熔融系統(tǒng)的煙氣處理裝置及煙氣處理成本均大于電熱式熔融系統(tǒng)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)[23]，2017年日本全國生活垃圾焚燒爐總數(shù)為1 103臺,日處理能力在100～300 t的最多，有409臺，600 t以上的最少，僅有53臺，30 t以下的小型焚燒爐205臺。這一情況與我國垃圾焚燒爐裝機(jī)處置能力相比有很大差異。截至2020年1月，我國在運(yùn)行垃圾焚燒廠共427家，平均單廠焚燒規(guī)模為1 200 t/d，其中單廠焚燒規(guī)模大于3 000 t/d的焚燒廠有10家。以北京為例，目前垃圾焚燒廠共13家，焚燒垃圾量2萬 t/d，飛灰產(chǎn)出量為600 t/d，區(qū)域內(nèi)無飛灰固化填埋場，部分采用水洗脫鹽加水泥窯協(xié)同處理方式進(jìn)行無害化和資源化處理，目前已呈現(xiàn)飛灰無害化處置能力嚴(yán)重不足的情況。

日本從20世紀(jì)80年代初開始啟動(dòng)以飛灰熔融處置逐步取代飛灰固化填埋方式，以解決因填埋場難以為繼的現(xiàn)實(shí)難題。日本是世界上最早采用熔融工藝處理飛灰商業(yè)化的國家，也是各類工藝應(yīng)用案例最多的國家，直流電阻式、交流電阻式、等離子式及表面熔融式處理飛灰都有工程化應(yīng)用實(shí)例。在日本，由于單體焚燒廠產(chǎn)出的飛灰量較小，大多數(shù)焚燒廠配置處置能力10～20 t/d飛灰熔融裝置，從初期的表面熔融爐逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子熔融裝置，僅有少數(shù)大型焚燒廠配置可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模處置飛灰的電阻式熔融爐。主要原因是等離子體爐核心部件等離子體炬的單炬功率最大為1 500 kW，對應(yīng)的物料處理能力僅為2 t/h(飛灰占比最大為80%，約1.6 t/h)，由于大功率等離子炬造價(jià)高昂，建造和維護(hù)成本高，該類裝置多適用于小型垃圾焚燒廠飛灰熔融處理。相對于等離子體熔融爐系統(tǒng)，電阻式熔融爐系統(tǒng)簡單，且建造、運(yùn)行及設(shè)備維護(hù)成本低，并可以實(shí)現(xiàn)大型化。在有色冶金行業(yè)，目前全球最大功率的交流電阻式熔融爐功率可達(dá)13.5 MW。

3 結(jié)束語

我國垃圾焚燒行業(yè)的特點(diǎn)是區(qū)域內(nèi)焚燒廠聚集度高、單廠焚燒量大，決定了不能完全借鑒日本及歐美國家的經(jīng)驗(yàn)，需要結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)、國家及地方政策來選擇適合的熔融工藝。北京、上海、廣州、深圳一線超大型城市，由于土地資源高度稀缺，難以供給可持續(xù)的飛灰填埋場地，而且飛灰產(chǎn)出量大，唯一的出路就是進(jìn)行飛灰集中處置，采用熔融工藝能夠最大程度實(shí)現(xiàn)飛灰的無害化、減量化乃至資源化。在工藝選擇上，建議選擇電阻式熔融工藝或已應(yīng)用于危險(xiǎn)廢物熔融的側(cè)吹浸沒式熔融工藝。對于大型及中型城市，可在已建水泥窯協(xié)同處理飛灰但處理能力不足的設(shè)施基礎(chǔ)上配套建設(shè)等離子式或電阻式熔融裝置。

采用飛灰熔融固化工藝逐步取代填埋工藝是解決土地供應(yīng)緊張，實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒行業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展較為合理的技術(shù)路線，在此基礎(chǔ)上開發(fā)玻璃化產(chǎn)物向資源化產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的技術(shù)路徑，將更有力促進(jìn)垃圾焚燒行業(yè)發(fā)展。