城市垃圾焚燒爐內(nèi)灰渣的性質(zhì)及結(jié)渣機(jī)理初探

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簡(jiǎn)介： 介紹了城市垃圾焚燒灰渣基本的物理化學(xué)性質(zhì)，初步探討了垃圾焚燒處理中的積灰、結(jié)渣形成的機(jī)理，為焚燒爐的正常運(yùn)行提供科學(xué)的保證，為灰渣的深度開(kāi)發(fā)利用及污染防治提供科學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵字：垃圾焚燒　殘?jiān)〗Y(jié)渣機(jī)理 再利用

1 垃圾焚燒殘?jiān)幕拘再|(zhì)

　　為了正確地處理、管理城市垃圾焚燒后的灰渣，應(yīng)全面了解這些灰渣的物理和化學(xué)性質(zhì)，如灰渣的粒徑大小分布、表面積、形態(tài)、密度、組成及化學(xué)性質(zhì)等。

　　1.1 垃圾焚燒殘?jiān)幕瘜W(xué)組成

　　垃圾焚燒后灰燼的基本化學(xué)組成見(jiàn)表1。

　　　　           表1 垃圾焚燒后灰燼的化學(xué)基本組成^[1]        （％）

化學(xué)成分SiO₂ Al₂O₃Fe₂O₃CaOMgOK₂ONa₂OBaOCr₂O₃PbOSO₃CH₂O其他含量43.68.767.2913.117.741.633.920.080.0620.291.891.662.257.1

　　1.2 城市垃圾焚燒殘?jiān)?/strong>

　　城市垃圾焚燒后的殘?jiān)饕w灰和底渣。根據(jù)Ontiveros J  L , Clapp T L and Kosson D S等人的研究^[2]，將垃圾焚燒爐的飛灰按粒徑分為7檔：〈 20μm，20～41μm，42～60μm，61～110μm，111～149μm，150～230μm， 〉230μm。粒徑大于230μm的，主要是焦炭的薄片, 焦炭片越少，顆粒燃燒得越完全，它與第2次供風(fēng)有密切的關(guān)系。對(duì)顆粒的密度和表面積進(jìn)行分析，測(cè)量表明：飛灰密度的大小可表明物料的燃燼性，密度越大燃燼性越好；飛灰的密度越大則有更大的表面積，灰表面積隨粒徑的減小而增大，這種現(xiàn)象與爐的效率或裝置的收集效率有關(guān)。通過(guò)分析灰的固體總揮發(fā)度可考察各個(gè)組成未燃燼的情況。城市垃圾焚燒飛灰最多的顆粒主要是黑色和白色顆粒，形狀包括扁平和園狀型的，成渣結(jié)塊時(shí)也有球型的，然而，球型的粒子不太多。Taylor^[3]用碎海綿、卷紙狀、畫(huà)板狀等詞語(yǔ)來(lái)描述垃圾焚燒飛灰的形狀。通過(guò)電子掃描圖可見(jiàn)飛灰晶型結(jié)構(gòu)的形成， Cahill and Newland ^[4]等人用揮發(fā)富集理論來(lái)解釋?zhuān)X和硅的氣化溫度比焚燒溫度高，因而成為其他揮發(fā)元素的晶核。Furuya^[5]等人分析得到飛灰顆粒為CaSO4型。但Ontiveros J L, Clapp T L and Kosson D S^[2]等人對(duì)飛灰樣品的研究表明，它們的晶體結(jié)構(gòu)除了CaSO₄型之外，還有可能有NaCl 或KCl型。底渣主要是碎玻璃、金屬殘片、石子、灰粉和結(jié)塊的渣。

　　1.3 垃圾焚燒殘?jiān)c二次污染控制技術(shù)

　　廢棄物焚燒過(guò)程中，不可避免地產(chǎn)生HCl、SO_x、NO_x、CO等無(wú)機(jī)污染物，同時(shí)可能還會(huì)產(chǎn)生苯并芘、苯并蒽、二惡英等有機(jī)物和Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Ni等痕量重金屬污染。因此，凈化集塵裝置和凈化過(guò)濾集塵裝置是垃圾焚燒過(guò)程中的關(guān)鍵配套系統(tǒng)。其常用裝置有機(jī)械集塵裝置，用于從氣體中分離出粒徑約為20～30μｍ以上的顆粒；靜電除塵器，用于捕集小至0.5μm左右的微細(xì)粒子；袋式過(guò)濾器，用于除去1μｍ以下的粒子，同時(shí)也對(duì)去除 PCDD（ ）效果最好。另外，為了脫氯脫硫，在850～1050℃的爐溫范圍內(nèi)，通常會(huì)向爐內(nèi)噴入磨碎的氫氧化鈣、氫氧化鎂、醋酸鈣、醋酸鎂、醋酸鎂鈣、甲酸鈣、丙酸鈣或苯甲酸鈣等吸收劑。為了減少 PCDD（ ）的生成，在焚燒爐余熱鍋爐前噴氨，由于氨與氯的結(jié)合能力強(qiáng)于前驅(qū)物與氯的結(jié)合能力及噴氨可以使合成 PCDD（ ）的催化劑失去催化作用。因此，垃圾焚燒所采取的一系列控制二次污染的技術(shù)，都極大地影響灰渣的物理形態(tài)和化學(xué)性質(zhì)。

　　1.4 垃圾焚燒灰中金屬的分布及化學(xué)性質(zhì)

　　了解飛灰中金屬的粒徑分布情況對(duì)其形成機(jī)理和管理很重要。Kaufherr和Lichtman^[6]研究發(fā)現(xiàn)：鋁、鉀、鎂和鐵金屬的粒徑變化不大。Hansen和Fisher^[7]的研究發(fā)現(xiàn)：鈦、鈉、鉿、釷和碳飛灰的硅鋁母體有聯(lián)系。Cahill和Newland^[4]得出在爐膛中高揮發(fā)點(diǎn)的物質(zhì)作為核晶的理論。因此鋁、硅和鎂是形成飛灰的晶核，沸點(diǎn)低的物質(zhì)易揮發(fā)并濃縮為飛灰顆粒。鉛和鈣由于易揮發(fā)而堆積在金屬的表面。對(duì)每個(gè)粒徑區(qū)間的飛灰金屬含量進(jìn)行分析，一般來(lái)說(shuō)它們的金屬含量都隨粒徑的減小而增大，大多數(shù)金屬都有這種趨勢(shì)，只是鋁、鎂、鋇、鐵、鎳、鉀受粒徑的影響不太大，因?yàn)檫@些元素是灰的晶核。對(duì)每個(gè)粒徑的灰表面積進(jìn)行比較，隨著顆粒的減小，增加的表面積更有利于富集。鋁、鎂、鋇、鐵、鎳、鉀、鉻和鉛這些核元素的含量并不隨粒徑變小而有太大的變化。但其它元素的含量卻隨粒徑的減小有一個(gè)顯著的變化。在大多數(shù)情況下，這種變化是呈線性的。鉀、鈉、鈣、鎳在飛灰上比較在底渣上更容易沉積。在相同的工廠中，金屬在灰中的分布是不同的，如鐵在底渣中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于飛灰中的含量，鋁、鋇、鉻、銅和鉛在飛灰和底渣中的含量基本上是均等的。用水相提取的方法可把灰溶解在水中的陰、陽(yáng)離子的種類(lèi)分開(kāi)?？捎梦镔|(zhì)和電荷平衡的原理來(lái)測(cè)量它們的存在形式，結(jié)果表明鉀和鈉主要以氯鹽的形式存在，但也以硫酸鹽的形式的存在，鈣主要是以硫酸鹽形式存在。

　　2 積灰和結(jié)渣對(duì)垃圾焚燒爐的影響

　　2.1 積灰、結(jié)渣的形成

　　爐管壁面的積灰、結(jié)渣是一種普遍現(xiàn)象，在爐膛內(nèi)火焰中心處的溫度高，燃料中的灰分大多呈熔化狀態(tài)，而在爐管壁附近的煙溫則較低，一般在接觸受熱面時(shí)已凝固，沉積在壁面上成疏松狀，就形成積灰；如果煙氣中的灰粒在接觸壁面時(shí)仍呈熔化狀態(tài)或粘性狀態(tài)，則粘附在爐管壁上形成緊密的灰渣層，就形成了結(jié)渣。結(jié)渣主要由煙氣中夾帶的熔化或部分熔化的顆粒碰撞在爐墻、水冷墻或熔融的沉淀物形式出現(xiàn)在輻射受熱面上。如水冷壁、水排管、過(guò)熱器排管等。造成鍋爐結(jié)渣的主要原因是灰份的成份及其熔點(diǎn)。垃圾焚燒形成結(jié)渣由于灰層的形成和惰性氣體的比例增加、氧化劑穿透灰層進(jìn)入物料深部與可燃物進(jìn)行反應(yīng)也愈困難, 整個(gè)反應(yīng)減弱。溫度比焚燒段有所下降，這就是燃盡階段的到來(lái)，直到整個(gè)剩余可燃質(zhì)燒盡。然而，焚燒生活垃圾在主焚燒階段，當(dāng)物料溫度較高時(shí)，在料層底部會(huì)形成大量的焦塊，其尺寸大的長(zhǎng)度可達(dá)800～1000mm，厚度一般都有200mm)左右。它使下部送風(fēng)受到阻礙，燃燒減緩。垃圾燃盡后形成的渣塊尺寸松散，小尺寸(＜100mm)占全部灰渣的比例約為20％,可能與以下2個(gè)因素密切相關(guān)，一是因?yàn)槔煞种杏写罅康牡腿埸c(diǎn)物質(zhì)，如塑料、橡膠等各種高分子化合物，加上垃圾中含有大量的煤渣、塵土、碎玻璃陶片等。當(dāng)垃圾進(jìn)入主焚燒階段時(shí)，各種高分子化合物就軟化縮合，將大量的灰分粘在一起，形成大的塊狀混合物；二是這種成團(tuán)的縮合物，在燃燒過(guò)程中，供氧不充分，可能處于還原或半還原氣氛中，這就使無(wú)機(jī)物灰渣溶點(diǎn)降低，從而形成在底部灰層中的結(jié)渣^[8]?！?/p>

　　垃圾鍋爐爐膛火中心溫度一般可達(dá)1000℃，燃料中的灰份大多呈熔化狀態(tài)，而四周水冷壁附近煙溫較低，如果煙氣中攜帶的灰粒在接觸壁面時(shí)仍呈熔化或粘性狀態(tài)，則會(huì)逐漸粘附在管壁上形成緊密的灰渣層。焚燒鍋爐結(jié)焦由許多復(fù)雜的因素引起，如爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)、爐型、燃燒器布置方式及結(jié)構(gòu)特性，垃圾的尺寸等都將影響爐內(nèi)結(jié)焦?fàn)顩r。保證空氣和燃料的良好混合，避免在水冷壁附近形成還原性氣氛，合理而良好的爐內(nèi)空氣動(dòng)力工況是防止鍋爐內(nèi)結(jié)的前提。

　　2.2 垃圾焚燒爐結(jié)渣機(jī)理的探討^{[ 9、10]}

　　鍋爐結(jié)渣是個(gè)很復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程,　它涉及物料的燃燒、爐內(nèi)傳熱、傳質(zhì)、物料的潛在結(jié)渣傾向、灰粒子在爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)以及灰與管壁間的粘附等復(fù)雜過(guò)程,　至今還沒(méi)有能定量描述結(jié)渣過(guò)程的數(shù)學(xué)模型?！?/p>

　　筆者試著從灰粒輸運(yùn)機(jī)理及在爐壁、管壁上的粘接和結(jié)聚長(zhǎng)大成灰渣的機(jī)理探討結(jié)渣機(jī)理。

　　灰顆粒的輸運(yùn)主要有氣相擴(kuò)散、熱遷移、慣性遷移。對(duì)于尺寸很小顆粒和氣相灰分，費(fèi)克擴(kuò)散、小粒子的布朗擴(kuò)散和湍流旋渦擴(kuò)散是重要的輸運(yùn)方式。對(duì)稍大的顆粒,　是以熱遷移的方式輸運(yùn)。熱遷移是由于爐內(nèi)溫度梯度的存在而使小粒子從高溫區(qū)向低溫區(qū)運(yùn)動(dòng)。研究表明熱遷移是造成灰分沉積的重要因素之一。對(duì)于較大的灰粒,　慣性力是造成灰粒向水冷壁面輸運(yùn)的重要因素。當(dāng)含灰氣流轉(zhuǎn)向時(shí),具有較大慣性動(dòng)量的灰粒離開(kāi)氣流而撞擊到爐的水冷壁面?；伊Ｗ矒羲浔诿娴母怕嗜Q于灰粒的慣性動(dòng)量、所受阻力、在氣流中的位置以及氣流速度。

　　灰渣在管壁上沉積存在兩個(gè)不同的過(guò)程：一個(gè)為初始沉積層的形成過(guò)程, 初始沉積層為化學(xué)活性高的薄灰層, 它是由尺寸十分小的灰顆粒組成。主要是由揮發(fā)性灰組分在水冷壁上冷凝和微小顆粒的熱遷移沉積共同作用而形成，由于粘附以及與管子的化學(xué)反應(yīng)而生成的非常牢固的覆蓋層。初始沉積層中堿金屬類(lèi)和堿土金屬類(lèi)硫酸鹽含量較高,　這些微小的顆粒由范德瓦爾力和靜電力保持在管壁上，并與管壁金屬反應(yīng)生成低熔點(diǎn)化合物，強(qiáng)化了微小顆粒與壁面的連接。初始沉積層具有良好的絕熱性能，它的形成使管壁外表面溫度升高。另一個(gè)沉積過(guò)程為較大灰粒在慣性力作用下沖擊到管壁的初始沉積層上，當(dāng)初始沉積層具有粘性時(shí)，它捕獲慣性力輸運(yùn)的的灰顆粒，并使渣層厚度迅速增加。由于初始沉積層主要是由揮發(fā)分灰組分的冷凝及微小顆粒的熱遷移而引起，因而從工程角度考慮，很難防止初始沉積層的形成。造成爐內(nèi)結(jié)渣迅速增加，并對(duì)鍋爐安全運(yùn)行構(gòu)成威脅的主要因素是慣性沉積。由慣性輸送的灰粒在初始沉積層上的粘接除與初始層的性質(zhì)有關(guān)外，還與撞擊灰粒的溫度高底有關(guān)，當(dāng)撞擊灰粒的溫度很高，呈溶融狀液態(tài)時(shí)，很容易發(fā)生粘接，使結(jié)渣過(guò)程加劇?；以鼘拥暮穸韧ǔＪ遣痪鶆虻模c爐膛的結(jié)構(gòu)、燃燒中心位置、空氣動(dòng)力特性、爐膛溫度特性及燃料的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。在爐膛的不同位置，灰渣的厚度和結(jié)構(gòu)將有很大的差別。

　　垃圾焚燒與一般燃料 (重油、煤、天然氣 )燃燒相比，垃圾發(fā)熱值低而含水量高，質(zhì)地相當(dāng)?shù)土?；焚燒過(guò)程極為復(fù)雜，氣、液、固體多項(xiàng)反應(yīng)混合發(fā)展，多孔介質(zhì)中的傳遞、同相和異相間傳遞交互發(fā)生，并受晶界過(guò)程、電化學(xué)過(guò)程和應(yīng)力演變過(guò)程等多重因素的影響；另外，由于垃圾形狀不均，質(zhì)量隨季節(jié)、年代和地區(qū)而變化，相應(yīng)的熱值變化幅度較大，結(jié)果焚燒過(guò)程中煙氣溫度和成分波動(dòng)也很大。所以，垃圾焚燒環(huán)境中發(fā)生的結(jié)渣比一般燃料燃燒過(guò)程中更復(fù)雜，有待于進(jìn)一步探討。

　　2.3 結(jié)渣現(xiàn)象的危害性

　　結(jié)渣會(huì)降低爐內(nèi)受熱面的傳熱能力。一般垃圾焚燒處理系統(tǒng)受到結(jié)渣沾污后，水冷壁、水冷管等換熱設(shè)備的傳熱能力降低；并影響爐內(nèi)火焰的狀態(tài)，除爐膛出口煙溫相應(yīng)提高；還可產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，除傳熱效率降低，并提高排煙溫度，降低鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。在傳熱作用減弱的情況下，為了維持同樣的蒸發(fā)量，就需要消耗更多的燃料，使送引風(fēng)機(jī)負(fù)荷增設(shè)。由于通風(fēng)設(shè)備容量有限，加之結(jié)渣情況下容易發(fā)生煙氣通道的局部堵塞，可能因引風(fēng)量不足，燃燒室內(nèi)產(chǎn)生正壓，限制鍋爐出力。另外，由于飛灰易粘結(jié)在換熱器及其它設(shè)備上，引起過(guò)熱器沾污和腐蝕。由于總的傳熱阻力增大，使鍋爐可能無(wú)法維持滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，只好增加回投料量，引起爐膛出口溫進(jìn)一步提高，使灰渣更容易粘在受熱面上，形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致一系列鍋爐惡性事故發(fā)生。在高溫?zé)煔庾饔谜辰Y(jié)在水冷壁或高溫過(guò)熱器上的灰渣會(huì)與管壁發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成高溫腐蝕。結(jié)渣以后，為了維持鍋爐出力，增加入爐燃料量而通風(fēng)不足，燃燒不完全，一些可燃物可能被帶到對(duì)流受熱面，在煙道角落積起來(lái)繼續(xù)，發(fā)生煙道再燃燒現(xiàn)象，產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞性后果。

　　3 灰渣的危害及綜合利用

　　3.1 灰渣對(duì)環(huán)境的危害

　　在垃圾焚燒過(guò)程中，垃圾中有害元素除有一部分以氣相形式逸出外，大部分轉(zhuǎn)入飛灰和底渣中。在垃圾灰渣處置和利用過(guò)程中，可能構(gòu)成一種長(zhǎng)期潛在的環(huán)境污染源。未能被除塵器捕獲的超細(xì)飛灰，是大氣氣溶膠的組成部分，吸入這些顆粒將會(huì)在肺中沉積，當(dāng)灰沉積呼吸系統(tǒng)中的鼻，咽和支氣管通過(guò)纖毛運(yùn)動(dòng)到達(dá)胃而被溶解。飛灰的吸入比食入的危險(xiǎn)性更大因?yàn)槠渲苯舆M(jìn)入血液而不通過(guò)肝和腸。大約25%被吸入灰粒沉積肺組織中，這與其在含灰環(huán)境中所暴露的時(shí)間是成正比的。粒徑小于微米的顆粒一般沉積在肺的肺泡區(qū)，50%~80%的微量元素都吸附在那里。因其表面往往富集有害元素，呼吸到肺部后不易驅(qū)除，可能是誘發(fā)癌癥的主要原因。此外，這部分飛灰在垃圾廠附近通過(guò)干沉降或濕沉降落到地表后，會(huì)污染地表水體及植被。被除塵器捕獲的飛灰，若采用濕排，飛灰中有害元素會(huì)溶于沖灰水中，造成污染。堆放在儲(chǔ)灰池中的垃圾灰灰渣，因雨水淋濾，會(huì)污染地表及地下水。在渣灰利用過(guò)程中，如生產(chǎn)建材制品，仍會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生影響。

　　3.2 灰渣的應(yīng)用前景

　　垃圾焚燒后，分散于垃圾有機(jī)質(zhì)中的無(wú)機(jī)組分在高溫后急冷的熱動(dòng)力條件下，形成主要成分以及主要物相內(nèi)儲(chǔ)存了大量化學(xué)內(nèi)能，有大量游離狀態(tài)的Al₂O₃、SiO₂ 及金屬氧化物 (K₂O、Na₂O、Fe₂O₃、CaO、MgO)存在；灰顆粒微細(xì)，比表面積大，易于與其它成分反應(yīng)形成新的物相。因此，這些灰渣可作為重要的無(wú)機(jī)非金屬資源用于建材、建工、陶瓷、化工等領(lǐng)域，廣泛用于建筑材料的生產(chǎn)與建設(shè)工程，今后仍將是灰渣最主要的利用途徑。把焚燒垃圾灰再無(wú)害化利用越來(lái)越受到人們的高度重視。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　城市垃圾焚燒后的殘?jiān)休^大的利用潛力。研究不同地域、不同爐型條件下的垃圾焚燒后的灰渣特性，建立灰渣的科學(xué)體系，從無(wú)序中找出有序的規(guī)律，為焚燒爐的正常運(yùn)行提供科學(xué)的保證，為灰渣的深度開(kāi)發(fā)利用及污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

　　5 參考文獻(xiàn)

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　　國(guó)家教育部重點(diǎn)科技項(xiàng)目資助，廣東省自然科學(xué)基金資助。

　　作者簡(jiǎn)介：祝建中，男，1971年5月生。1999年畢業(yè)于華中師范大學(xué)化學(xué)系，碩士,現(xiàn)為華南理工大學(xué)化工學(xué)院在讀博士生。