淺談飛灰熔融使用純氧燃燒技術(shù)的發(fā)展前景

1.概述

　　目前我國城市生活垃圾焚燒廠已達300多家，年焚燒處理能力達到7000萬噸，按平均5-8%的比例計算，焚燒飛灰每年有350-560萬噸。飛灰中含有大量的重金屬和二噁英。被國際定性為危險廢物。

　　國際上比較安全的垃圾飛灰處理方法有三種：（1）熔融處理資源化（2）螯合處理填埋（3）固化處理填埋。發(fā)達國家推廣飛灰熔融處理后再生利用，將經(jīng)過高溫熔融處理后可作為水泥原料或建筑材料，變廢為寶。

　　通常采用煤粉、焦炭或電熱熔融方法熔融處理飛灰，處理成本很高，飛灰噸處理成本不低于1000元，所以在國內(nèi)難以推廣。等離子熔融技術(shù)造價昂貴，未有工業(yè)化連續(xù)應(yīng)用，風(fēng)險高，只能望而卻步。

　　我建議發(fā)展并推廣以垃圾焚燒廠滲濾液產(chǎn)生的沼氣為燃料，使用純氧助燃飛灰熔融爐處理技術(shù)。不僅消化了垃圾焚燒廠產(chǎn)生的沼氣，實現(xiàn)了同步資源化處置，又大大降低了處理成本，可以一舉多得。

2.純氧燃燒技術(shù)

　　純氧燃燒是一種氧化反應(yīng)，即燃料（天然氣、液化氣、沼氣、重油等）與氧氣在高溫下發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)而發(fā)光發(fā)熱。任何燃燒過程都包括三個要素——燃料、氧氣及高溫，傳統(tǒng)空氣燃燒就是利用空氣中21%的氧氣來進行助燃，但是空氣中約79%的氮氣在高溫下也會部分與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量有害物質(zhì)NOx，空氣燃燒產(chǎn)生的煙氣量較大，79%的氮氣也會加熱至高溫，帶走部分熱量因此空氣燃燒的熱效率較低，且浪費能源污染大氣。由此可見提高助燃氣體中氧氣的濃度是提高燃燒效率的關(guān)鍵措施。隨著制氧的技術(shù)和裝備的進步，從空氣中分離氧氣的技術(shù)日漸成熟，不但制得氧氣的濃度越來越高，而且制氧的成本也在不斷降低，這就為純氧燃燒創(chuàng)造了有利的基礎(chǔ)。使用純度大于91%的氧氣，按照一定的氧/燃比與燃料混合燃燒，產(chǎn)生低動量火焰的純氧燃燒技術(shù)應(yīng)運而生。相比空氣助燃技術(shù)，純氧燃燒技術(shù)具有火焰溫度高、熱量傳導(dǎo)快、燃燒效率高、廢氣排放少等節(jié)能環(huán)保的優(yōu)良特點。

　　2.1.純氧燃燒的特點

　　2.1.1熱效率高，提高熔化率

　　純氧燃燒因氮氣含量少，比空氣助燃時煙氣的黑度大得多，且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤鹧鏈囟雀撸ㄑ嫘緶囟瓤蛇_2800℃），輻射系數(shù)大，對玻璃液輻射加強，對玻璃液的傳熱量增加，熱效率高，熔化率增大。

　　2.1.2煙氣量小，節(jié)能減排

　　純氧燃燒廢氣排放量減少60%以上，既減少了氮氣進入的動力，又大大減少了廢氣帶出的熱量。廢氣中NOx也下降80%～90%，相應(yīng)減少了原料揮發(fā)，所以SO2和F2排量可下降20%，粉塵含量也可降低50%以上，減少了原料的飛揚，節(jié)省了配合料。延長了熱交換的時間，提高了熱傳導(dǎo)的效率，因此純氧燃燒帶來了明顯的節(jié)能減排的效果。

　　2.3.氧氣的制備

　　目前工業(yè)化制氧技術(shù)主要有變壓吸附與深冷兩種。變壓吸附制氧就是空氣經(jīng)除塵后，由鼓風(fēng)機鼓入盛有多種專用吸附劑（分子篩等）的吸附塔底部，絕大部分CO2、N2、SO2、H2O及少量O2在塔內(nèi)被吸附劑吸咐，而大部分O2則透過床層從塔頂排出，得到氧含量約93%左右的純氧。深冷制氧設(shè)備主要由空氣壓縮機組（包括過濾器、壓縮機、供油系統(tǒng)等）、空氣冷卻系統(tǒng)（空氣冷卻塔、水冷卻塔、氟里昂冷凍機組、水泵、水過濾器等）、分子篩凈化系統(tǒng)（凈化器、加熱器等）、透平膨脹機、分餾塔（上塔、下塔、過冷器等）、換熱器等組成，空氣經(jīng)過制氧機組分離后，可獲得純氧（含氧量99%）、純氮及各種純凈的稀有氣體。

　　從工藝過程來看深冷法比變壓吸附法工藝過程長，工藝較復(fù)雜，需用設(shè)備的種類和臺數(shù)較多，且需耐受高壓或超低溫，投資成本高，同時制氧量越低單位耗電量也越高，但裝置能力可達到較大規(guī)模，所以一般用氧量超過10000Nm3/h時采用深冷法比較合適。變壓吸附制氧法具有基建投資小、水電消耗少、經(jīng)營成本低、安全性能好、操作維修簡單、啟動供氧特快、自動化程度高、用工少等許多優(yōu)點，缺點是不能制得氧含量95%以上純氧，且制氧量不大，一般適用于10000Nm3/h以下規(guī)模。

　　目前，國內(nèi)已有優(yōu)秀的變壓吸附廠家的裝置工藝水平達到了國際先進水平。變壓吸附制氧設(shè)備，產(chǎn)氧量可達1600Nm3/h，產(chǎn)品純度91%，100%純氧電耗保持在0.40kwh/m3左右（含壓氧），生產(chǎn)成本可進一步降低。

4、飛灰純氧環(huán)境下燃燒特性分析

　　垃圾焚燒飛灰的成分復(fù)雜，而且各種成分的含量與垃圾的種類、垃圾焚燒前處理工藝、焚燒爐爐型、焚燒工藝參數(shù)和煙氣處理工藝等很多因素有關(guān)。而飛灰的主要成分CaO、SiO2、Al2O3和Cl元素占總重量的90％左右是決定飛灰熔融溫度、燒失量及金屬固化效果的主要因素。

　　研究表明，當(dāng)采用干法或半干法凈化焚燒煙氣時，噴入煙氣中的大量消石灰會富集在飛灰中，成為飛灰中CaO的主要來源。飛灰中的CaO具有固硫作用，固硫產(chǎn)物CaSO4在高溫下生成一種難以分解的復(fù)合相：硫鋁酸鈣（3CaO?3Al2O3?CaSO4）。SiO2和Al2O3均是飛灰中的主要成分，在飛灰的熔融/玻璃化過程中，SiO2和Al2O3幾乎全部留在熔融渣中，使得飛灰熔融渣中SiO2、Al2O3以及CaO三者的含量達到90％以上。研究表明，飛灰中的SiO2有利于熔融過程中抑制易揮發(fā)性金屬的揮發(fā)，將其固化在穩(wěn)定的熔渣中，降低廢氣的處理費用，同時可以降低飛灰的熔點。

　　當(dāng)采用干法或半干法凈化焚燒煙氣中的酸性氣體時，Cl元素主要以CaCl2的形式聚集在飛灰中。Cl元素對飛灰的揮發(fā)量影響很大。一般原灰中Cl元素的含量在5～25％之間，而在熔融渣中幾乎檢測不到Cl元素，并且對熔融爐產(chǎn)生飛灰分析其主要成分是Ca、K、Na和Cl，因此可以認為飛灰中的Cl元素在高溫熔融過程中轉(zhuǎn)移到煙氣中，在冷卻過程中一部分又凝縮或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鹽類物質(zhì)（如KCl、NaCl）[關(guān)于氯元素以何種形式揮發(fā)，有兩種說法，部分學(xué)者認為CaCl2的熔點只有772℃，高于熔點后會揮發(fā)；也有學(xué)者認為高溫下CaCl2會和其它物質(zhì)發(fā)生下列反應(yīng)而生成低沸點的氯化物而揮發(fā)到煙氣中，同時造成重金屬大量溢出。

　　MeO＋CaCl2àMeCl2＋CaO（Me代表金屬元素）

　　在高溫熔融過程中，這兩種情況均可能發(fā)生，對Cl元素的揮發(fā)有所貢獻；可見過多Cl元素，會造成煙氣量的增大，增加煙氣處理的負荷，同時也不利于將原灰中更多的金屬留在玻璃體中。

　　以上飛灰熔融中擔(dān)心的問題，在純氧燃燒中均得到了良好的解決。某大型集團公司年產(chǎn)6-8萬噸的玻璃纖維池窯，以采用天然氣作為燃料，純氧助燃連續(xù)生產(chǎn)窯爐，經(jīng)過多年的技術(shù)積累和開發(fā)，其技術(shù)日臻完美，世界領(lǐng)先。熔融溫度可達1650℃，正常生產(chǎn)每噸耗天然氣約25∽300立方。可作為飛灰熔融的參考樣板技術(shù)，加以開發(fā)成為我國垃圾焚燒產(chǎn)生飛灰熔融資源化的核心技術(shù)。

5.結(jié)語

　　當(dāng)前，城市生活垃圾焚燒發(fā)電在我國飛速發(fā)展，但飛灰的最終處理遠不如人意，成為生活垃圾焚燒發(fā)電處理全過程污染控制和風(fēng)險管理中最為薄弱的環(huán)節(jié)。隨著，國家關(guān)于《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》新標(biāo)準(zhǔn)的正式施行，煙氣凈化標(biāo)準(zhǔn)進一步向國際先進水平看齊，控制生活垃圾焚燒“最后攻堅戰(zhàn)”污染的重點應(yīng)該轉(zhuǎn)向飛灰處理。

　　我國現(xiàn)有垃圾焚燒廠含有重金屬、二噁英等的垃圾焚燒灰，堆存或簡單處理極易造成嚴重的環(huán)境污染，應(yīng)發(fā)展適宜中國國情的熔融資源化處置技術(shù)。由于中國的生活垃圾未進行分類收集的，垃圾焚燒灰與國外非常大的區(qū)別，不能盲目直接引進外國技術(shù)，應(yīng)結(jié)合垃圾焚燒灰的組成、生活垃圾處理規(guī)模、能量來源、建設(shè)投資費、運行費用、操作復(fù)雜性等方面來綜合考慮，開發(fā)和使用符合中國國情的飛灰資源化處置技術(shù)與裝備，所以無論從企業(yè)經(jīng)濟效益的角度還是從社會責(zé)任感的角度來衡量，純氧燃燒技術(shù)都是垃圾焚燒產(chǎn)生飛灰資源化處置最理想的選擇，也必將成為今后發(fā)展的方向。

　　（作者單位：中國光大國際環(huán)保能源濰坊有限公司）