危废飞灰玻璃化熔融技术分类
飞灰熔融固化处理技术成为近年来固体废物处理领域新的研究热点，熔融使飞灰减容和减量2/3左右,得到的熔渣可以作为路基材料、微晶玻璃的基础玻璃、混凝土骨料等,达到资源再利用的目的。
飞灰熔融处理的原理为用燃油燃煤火焰或电力加热至飞灰熔融温度1200~1500℃以上,使飞灰中的有机物热解气化及燃烧,而无机物则形成熔渣。熔融时飞灰中低沸点的重金属和碱金属盐类将挥发逃逸,须配备二次集尘系统进行污染防控,而铁、镍、铜等金属则可熔成金属熔液,可通过分离回收实现资源再利用,另外,一部分的重金属则残留于玻璃熔渣中,被禁锢于无定形Si-O网状构造中,从而改善重金属的浸出特性。
Sakaia等人对垃圾焚烧飞灰熔融炉进行了系统的分类,根据飞灰熔融的能量来源,可大致将飞灰熔融炉分为燃料式熔融炉和电热式熔融炉两大类。
一、燃料式熔融炉
1、表面熔融炉
表面熔融炉又称为薄膜式熔融炉,是以重油或天然气燃烧器直接在被熔融物表面加热,使其表面形成薄膜状的熔融,而炉面设计有一定的斜度,使熔液可在重力的作用下自然流下。按照熔融炉结构不同又可将表面熔融炉分为三类,见图:a)固定式表面熔融炉,其熔融炉内设有两套燃烧器、两个飞灰进口、两个飞灰推进器,为对称式结构;b)回旋式表面熔融炉,由固定不动的内熔炉和旋转的外熔炉组成;c)固定式表面熔融炉,其熔融炉内设有一套高温燃烧器,并且在出渣口设有一个再熔燃烧器,以确保飞灰熔融完全。
表面熔融炉的特性可概述如下：1）处理飞灰的耗油量约为200~250公升/每吨,也可通过混入高热值的固体废弃物（如废轮胎、木屑、废塑料等）以达到节约能源和提高废弃物处理率的目的；2）可根据需要随时启动或停止，操作工艺简单；3）生成的熔渣体积约为焚烧飞灰的30%~40%左右，达到良好的减容目的；4）由于飞灰是从表面开始逐渐熔融，而且熔液的热传导性差，导致所得熔渣的均一性也较差，可作为路基材料实现；5）熔融温度在1200~1500℃之间，操作时可根据需要添加适量的SiO2、CaO、硼酸等添加剂以促进熔融。
2、内部熔融炉
内部熔融炉不需额外的热源,通常设置在位于垃圾焚烧炉后的燃烧段之后,其操作特性是当垃圾经过燃烧段后,焚烧残渣进入熔融炉,此时灰渣含有约8~15%的残留碳,将约500℃的预热空气由设于熔融炉处的进气喷嘴吹入,使残留碳得以继续燃烧,并设置电加热器同时提供辅助热源使温度提升至约1200~1300℃,以实现灰渣熔融,但由于灰渣的残碳含量会有一定范围的变动,给维持运行的稳定带来难度。
3、焦炭床熔融炉
焦炭床熔融炉适用于灰渣的熔融处理。将燃料焦炭、灰渣和石灰添加剂按一定的比例混合后投入熔融炉中,并吹入含氧高的预热空气,使灰渣在由焦炭燃烧所得的高温环境下在焦炭床上发生熔融,同时将部分的焦炭填充在熔融炉的边缘以确保烟气的顺利排出,以保证灰渣熔浆的稳定流动排出。熔融温度在1700~1800℃的范围内,炉内气氛为还原性气氛,出渣温度约为1450℃,灰渣熔桨流出后落入水槽以急速冷却,同时可实现玻璃渣和金属渣的分离。
4、旋流式熔融炉
旋流式熔融炉是针对飞灰为熔融处理对象研发的,熔融炉本体为一独立的圆筒式结构,由其上方的旋回熔融装置、熔渣分离装置及熔渣排出装置构成。飞灰与一次进气混合进入熔融炉内,使飞灰在炉内均匀分布,再将二次进气吹入炉内形成旋回气流,再以燃油燃烧器加热熔融飞灰,熔液在熔融炉底部形成,熔液从炉底部流入水淬槽中形成熔渣。
二、电热熔融炉
1、电弧熔融炉
电弧熔融炉通常为类似炼钢用的电弧炉,运行时在电极上施加高电压后产生电弧,由电弧产生的高温则可熔融飞灰,玻璃熔渣与金属熔渣同时连续排出。由于该熔融炉耗电量大,设置时必须考虑电力供应的问题。典型的电弧熔融炉结构如下图所示,该炉主要是以电极与炉床的金属基体间产生的高温电弧约3000℃促使飞灰熔融。炉内温度可维持在1300~1500℃的高温范围内,熔融气氛为氧化性气氛,飞灰由炉膛顶部连续投入,并在炉内不断熔融成熔液,飞灰中的无机物质熔融成玻璃体,且由于玻璃熔渣的比重低使其浮于金属熔液的上方,熔液连续或间歇流出,再进行水冷或气冷。
2、电阻熔融炉
电阻熔融炉采用在电极间通电流的方式,以飞灰的电阻产生的热能使熔融进行。焚烧底灰和飞灰在通常情况下并不导电,但在熔融状态下则形成流态导体,通常此种炉型是从炉盖中心插入电极到飞灰中,电极的前端表面浸渍于熔液中,飞灰中的金属因比重较重而沉积在熔融炉底部,使其得以与玻璃质熔渣分离,炉底的熔液由出渣口排出,落入水冷槽急速冷却,炉内反应温度在1300~1500℃之间，炉内气氛为还原性气氛。
3、感应式熔融炉
感应式熔融炉以感应线圈环绕熔融炉体而构成,分高频感应和低频感应熔融炉两种。利用线圈通电产生的电磁感应熔融灰渣,操作温度范围为1200~1450℃,反应气氛为还原性气氛,感应式熔融炉不设置电极,而且由于电磁的搅拌作用,熔液可混合均匀,炉体下方为出渣口,炉体结构简单。
4、等离子体熔融炉
离子体熔融炉的系统主要由直流电源组、给气系统、冷却水系统、灰渣进料装置、熔融炉体和等离子体喷枪等部分构成,其结构如下图所示。等离子体喷枪是等离子体熔融系统最关键的装置,操作时安装于熔融炉顶部,并插入到炉内一定深度。炉床底部则放置金属基底。等离子体发生器的电极间由高电压产生电弧,此时由电极周围通入载气产生等离子体,形成的等离子体电弧温度高达2000℃以上,可使灰渣中的金属也一并熔融。其特性与电弧熔融炉较为相似,主要的差异在于等离子体炉的电压变动较电弧炉小。
内容摘自王勤《利用热等离子体熔融垃圾焚烧飞灰制备微晶玻璃的实验研究》