过向东
珠海市城市固体废弃物处理中心 广东省珠海市519000
摘要：生活垃圾处理方式包括垃圾填埋、堆肥和焚烧，其中垃圾焚烧已成为目前最常用的方式。随着我国垃圾分类政策的推广和实施，城市生活垃圾焚烧技术将再次迎来发展。通过焚烧发电，不仅可以将垃圾回收/利用为能源，还可以减容80%以上。综述了我国垃圾焚烧发电技术的现状，重点介绍了飞灰成分定性与定量分析及螯合处置技术选用、污染物排放控制和智能焚烧，并展望了垃圾焚烧飞灰处置发展趋势。
关键词：垃圾焚烧；飞灰固化；螯合剂；传质；中试
引言
炉排炉垃圾焚烧发电技术是目前国内外现有垃圾处理技术中最先进、最有效、最广泛使用的无害化、减量化、资源化处理技术。它不仅能有效利用垃圾焚烧产生的能源，形成可再生的绿色动力，变废为宝，减少二氧化碳和甲烷的排放，减轻温室气体效应，还能节约大量土地和耕地，消除可能发生的渗漏，避免地下水污染事件的发生，防止蚊虫飞散和异味排放，减少传染病的发生，美化和净化环境。无害化、减量化、资源化并不能实现各种污染物的零排放或无排放，而只能通过现有的技术和设备，按现有的标准，对废水、废气、炉渣、飞灰的排放进行调控和限制，将污染物排放降低到一个可以稳定控制、对人类生活环境和自然环境污染影响最小的状态。
1垃圾焚烧发电综述
在工业革命之前，各类废物都是通过自然直接降解的，但随着城市化和工业化的迅速发展，人类产生的各类废物根本无法直接全部消解，在日常生活和生产过程中产生的各类废物对环境产生愈来愈严重的负面影响。人们认识到大量废物给自然造成的巨大负担，因此开始积极寻找各种方式和方法来处理废物。垃圾处理前期是通过填埋方式来实现的，然而随着垃圾填埋场变得饱和，这种处理方法在环境邻避和土地占用等方面往往受到越来越多的制约。我国到2023年要基本实现主要城市原生生活垃圾“零填埋”，满足条件的地区加快发展以焚烧为主的垃圾处理方式。垃圾焚烧发电主要在六七十年代逐步开始发展。国内在八十年代末期深圳引进了日本三菱焚烧炉，九十年代珠海引进美国底特律炉排炉技术并实现了主要设备国产化，在本世纪初期随着城市大幅扩张，垃圾产量急剧增加，到2018年国内垃圾无害化处理量已达到了2.25亿吨，焚烧处理量已过亿吨。垃圾焚烧行业得到了飞跃式的发展。垃圾焚烧发电不仅在占地面积小、处理效率高方面有许多好处，而且在废物处理过程中也能释放大量热量。热能的高效使用（如珠海某焚烧项目吨垃圾发电量最高可达近600kw.h)可以为人们的生活和生产提供更为丰富的电能，因此，垃圾焚烧发电被愈来愈广泛使用，截止2020年末，国内已建成投产的垃圾焚烧发电项目已达58万吨/日产能，累计在运行垃圾焚烧厂已超过500座。
2垃圾焚烧飞灰的处理工艺概述
废物焚烧产生的固废通常包括炉渣和飞灰，后者是从烟气系统收集的0.1um~100um 粒径为主的固体颗粒，而炉渣则是排放到燃烧室底部的固体废物。飞灰和炉渣的比例因废物焚烧工艺不同而异。对于城市生活垃圾，经处理的残留物占废物重量的10%至20 %，其中飞灰约占5 %，炉渣占5 %至15 %。燃烧某些危险废物产生的灰渣差别很大，通常从5%至10 %的飞灰到5%至20 %的炉渣不等。垃圾焚烧产生的飞灰不仅可能导致环境中的灰尘增多和空气质量下降，而且由于飞灰可能含有重金属和二恶英等大量有机污染物（致癌物质），珠海某项目飞灰原灰（2015年1月样品）浸出液中Pb、Cr、Cd、Se等浸出浓度（最高分别为4.27mg/L、4.66mg/L、2.42mg/L、0.16mg/L）不同程度超出危险废物浸出毒性鉴别标准或GB16889-2008填埋场入场限值，因而属于危险废物。重金属无法降解，废物焚烧过程中产生的有害物质在被活性炭、布袋等吸附之前会发生形态变化并附着在飞灰中，其结果是形成剧毒化合物。此外，飞灰也是诸如二恶英等危险有机物质的重要载体，占二恶英总排放量的70%左右，部分原因是飞灰的孔隙率高，其表面易于吸附于二恶英；另一方面，飞灰中所含的重金属已成为合成二恶英的催化剂，从而导致了尾部烟道二恶英的二次合成。
3试验
3.1原料与试剂
垃圾焚烧发电厂的样品来自某生活垃圾焚烧厂。样品是从2020年5月27日至6月2日连续七天的飞灰样品，取样时间间隔为24小时。取样点位于反应塔到布袋除尘器各仓室飞灰落灰口。试验水为净化水，冰醋酸试剂纯度较高，盐酸、硝酸和氢氧化钠均为分析纯，硫化钠、磷酸钠、色胺和磷酸均为工业级。
3.2试验参数及方法
试验时，锅炉给料供应均匀稳定，负荷稳定在设计值附近，最大变化不超过5%，所有环保设备设施运行良好，除尘器及吹灰系统正常，入口温度265℃ ，出口温度135℃。通过沿工艺流程中的所有取样点收集飞灰颗粒，灰样品收集位置如图1所示:反应塔进口、反应塔底部、反应塔出口、布袋除尘器一仓室出灰口、二仓室出灰口，除尘器的出口飞灰颗粒较少，灰样采集不符合测试仪器分析的质量要求，因此不进行分析。飞灰取样采用便携式飞灰取样器，直接从各取样口取样，压缩空气炮在取样过程中停止使用。试验中采用mastersize 2000激光粒径分析仪测试和分析飞灰颗粒直径，利用tsavo EVO18高分辨率电子显微镜观察飞灰样品颗粒的微观结构和形态特征，使用日本Rigaku 智能多功能X射线衍射仪Smartlab用于飞灰颗粒的物相定性与定量分析，Rigaku生产的全自动连续扫描x荧光光谱仪分析飞灰样品的元素含量。
4结果分析
4.1对原灰中重金属含量进行分析有助于选择合适螯合剂以固化金属离子。从图２原灰的Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）分析结果可以看出，原灰中只有钾、钠、钙、硅被检测出以晶体的形式存在。这部分化合物虽然能够稳定存在，但由表１可知，其溶解性较好，在飞灰固化填埋后极易溶出。为了进一步探究原灰中的金属成分，采用Ｘ射线荧光光谱分析（ＸＲＦ）进一步检测元素含量，结果见表２。由表２数据不难看出，原灰中含量最高的元素是Ｃａ、Ｃｌ、Ｏ、Ｎａ、Ｋ、Ｓ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｍｇ和Ｆｅ。其中，Ｃａ、Ｎａ、Ｋ等金属碱性化合物的存在会使得周边土壤碱性化，造成植被生长不良，甚至死亡，而Ｐｂ、Cr、Cd等重金属若溶出，则会对周边居民环境造成严重影响。因此，将飞灰中的重金属固化以保持其稳定性至关重要。
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4.2飞灰化学成分分析
使用仪器测试了不同取样位置飞灰样品的化学成分。按烟气工艺流程方向取样的飞灰化学成分分布:飞灰中主要物质的比例从大到小依次是CaO 、SiO2、Al2O3、K2O、Na2O 、SO3、MgO、Fe2O3、P2O5等，这些物质占总量的比例超过98%，飞灰中Zn、Cu、Ni、Pb等重金属含量较高；飞灰中元素含量随烟气流动而变化， Mg、Al、s、Ca、Fe、p含量随烟气流动而增加，增加范围：0.34%至3.00%，0.66%至4.37%，2.14%至7.53%，2.98%至6.79%，0.16%至0.47%。
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飞灰中的k含量随着烟气流动而呈下降趋势，但烟道飞灰中的K2O含量可能增加，这可能是由于烟气冷却过程中K2O和SO3相互作用引起的吸附作用所致，飞灰中K2O含量增加。飞灰中的Ni、Zn和Cu含量不会随烟气流动而明显变化，而且趋于稳定。此结果与EDS分析的结果一致。
4.3燃烧状态在线监测与诊断
为了稳定锅炉内垃圾的焚烧状态，需要实时监测和调整锅炉内的焚烧过程和状态。提出了人工智能与数字图像处理技术相结合的垃圾焚烧诊断方法，根据燃烧火焰图像特性进行燃烧状态诊断，指导燃烧参数的调整。辐射强度和火焰温度是利用垃圾焚烧炉中火焰的彩色图像获得的，火焰温度根据受监测烟气中NOx、SOx和HCl的浓度状况调整为最佳值，从而实现低排放和减少结焦。
4.4对垃圾焚烧发电项目污染的控制措施
垃圾焚烧发电技术是目前各种垃圾处理工艺中最先进、最有效和最可靠的无害化、减量化和资源利用技术。但是，各种污染物不可能全部消除，但可通过高温焚烧和各种脱酸、脱硝、活性炭吸附和高效布袋除尘等技术手段，将污染物排放降低到最低程度。目前我国焚烧发电技术和配套设备已非常成熟可靠，已达到世界上最先进的水平，污染物排放完全能够符合国家环保标准或更高的欧盟环境排放标准，事实上，包括日本、台湾和欧盟国家的很多垃圾焚烧厂都布置在距政府大楼都非常近的位置，社会和公众也不再对垃圾焚烧谈虎色变。
4.5飞灰高温烧结技术
高温烧结方法是将飞灰与粘土、助熔剂等混合，并在1000 ~ 1400℃高温下进行熔融，使部分灰分熔化，冷却后形成烧结体产品。飞灰中的挥发性重金属、可溶性盐和其他物质通过高温煅烧浓缩，在急冷和冷却过程中熔缩成玻璃固化体，并通过致密结晶结构保证重金属的稳定，在高温煅烧过程中，非挥发性重金属通过硅酸盐反应固化到产品的矿物晶格中，最终降低了烧结体的重金属浸出。高温烧结技术有助于通过煅烧将飞灰转化为陶瓷，减少资源浪费，并使危险废物无害化和资源化。在安全处置飞灰的同时，该工艺产品还可以用来生产下游陶瓷产品，从而减少陶瓷生产原材料的开采。
5结论
１）复合螯合剂（有机+无机）对飞灰中重金属有极好的固化效果，在其浸出液中大部分重金属含量都远小于国标限制，甚至低于仪器检测限。２）在中试放大试验中，由于固态粉状螯合剂传质差，无法与重金属充分接触，影响了复合螯合剂固化效果。在与实验室相同操作条件时，螯合后浸出液中Ｓｅ含量略超标。采取液态鳌合方式，一方面稀释螯合剂，增大螯合过程液固比，强化螯合剂分子的扩散与螯合反应；另一方面通过增大液固比实现飞灰的氯盐高效脱除，最终在５００ｋｇ中试中取得较好的螯合效果，其浸出液中１２种重金属元素含量均小于国标限制。３）利用螯合原理将飞灰中的重金属离子稳定化处理。用有机－无机螯合剂配制成的高效复合飞灰螯合剂，在实验室和中试中均取得显著效果，表明复合螯合剂与液态螯合工艺协同技术是一种垃圾焚烧飞灰固化与脱盐一体化的高效飞灰固化技术。
结束语
随着人们愈来愈认识到保护环境的重要性，以及科学技术的不断进步，今后的飞灰处置应当更加经济高效，同时尽量减少对土地等资源的占用。结合飞灰处置行业的现实情况，飞灰处置发展方向为:①国家大力推动的垃圾分类，能够有效减少飞灰中重金属等有害物质，在源头减少飞灰的危害性；②加强垃圾焚烧炉的技术研发，提高对垃圾焚烧的操作控制水平，以减少飞灰的产量；③利用水洗提盐（FWD)和水泥窑协同处置技术，优化整个工艺，降低飞灰处置成本；④加强飞灰资源利用技术的研究与开发，大力发展应用高温熔融、高温烧结、水泥窑协同处置等经济性较高的技术。
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