浅谈飞灰熔融使用纯氧燃烧技术的发展前景

北极星环保网讯:根据国内垃圾焚烧飞灰处置现状，分析了各种处置技术的优缺点，结合纯氧燃烧技术的先进性，指出纯氧燃烧技术是先进的熔融技术，能够广泛应用飞灰熔融资源化处置技术，实现高效率、低排放、低能耗的目标，对突破当前飞灰资源化废处置行业技术瓶颈，指出了一条适合我国国情的垃圾飞灰资源化技术发展方向。

关键字：飞灰熔融；纯氧燃烧；节能减排；资源化处置；

1.概述

目前我国城市生活垃圾焚烧厂已达300多家，年焚烧处理能力达到7000万吨，按平均5-8%的比例计算，焚烧飞灰每年有350-560万吨。飞灰中含有大量的重金属和二噁英,被国际定性为危险废物。

国际上比较安全的垃圾飞灰处理方法有三种：（1）熔融处理资源化（2）螯合处理填埋（3）固化处理填埋。发达国家推广飞灰熔融处理后再生利用，将经过高温熔融处理后可作为水泥原料或建筑材料，变废为宝。

通常采用煤粉、焦炭或电热熔融方法熔融处理飞灰，处理成本很高，飞灰吨处理成本不低于1000元，所以在国内难以推广。等离子熔融技术造价昂贵，未有工业化连续应用，风险高，只能望而却步。

我建议发展并推广以垃圾焚烧厂渗滤液产生的沼气为燃料，使用纯氧助燃飞灰熔融炉处理技术。不仅消化了垃圾焚烧厂产生的沼气，实现了同步资源化处置，又大大降低了处理成本，可以一举多得。

2.纯氧燃烧技术

纯氧燃烧是一种氧化反应，即燃料（天然气、液化气、沼气、重油等）与氧气在高温下发生剧烈的氧化反应而发光发热。任何燃烧过程都包括三个要素——燃料、氧气及高温，传统空气燃烧就是利用空气中21%的氧气来进行助燃，但是空气中约79%的氮气在高温下也会部分与氧气发生氧化反应产生大量有害物质NOx，空气燃烧产生的烟气量较大，79%的氮气也会加热至高温，带走部分热量因此空气燃烧的热效率较低，且浪费能源污染大气。

由此可见提高助燃气体中氧气的浓度是提高燃烧效率的关键措施。随着制氧的技术和装备的进步，从空气中分离氧气的技术日渐成熟，不但制得氧气的浓度越来越高，而且制氧的成本也在不断降低，这就为纯氧燃烧创造了有利的基础。使用纯度大于91%的氧气，按照一定的氧/燃比与燃料混合燃烧，产生低动量火焰的纯氧燃烧技术应运而生。相比空气助燃技术，纯氧燃烧技术具有火焰温度高、热量传导快、燃烧效率高、废气排放少等节能环保的优良特点。

2.1.纯氧燃烧的特点

2.1.1热效率高，提高熔化率

纯氧燃烧因氮气含量少，比空气助燃时烟气的黑度大得多，且火焰传播速度快，火焰温度高（焰芯温度可达2800℃），辐射系数大，对熔融物辐射加强，对熔融物的传热量增加，热效率高，熔化率增大。

2.1.2烟气量小，节能减排

纯氧燃烧废气排放量减少60%以上，既减少了氮气进入的动力，又大大减少了废气带出的热量。废气中NOx也下降80%～90%，相应减少了原料挥发，所以SO2和F2排量可下降20%，粉尘含量也可降低50%以上，减少了原料的飞扬，节省了配合料。延长了热交换的时间，提高了热传导的效率，因此纯氧燃烧带来了明显的节能减排的效果。

2.2.氧气的制备

目前工业化制氧技术主要有变压吸附与深冷两种。变压吸附制氧就是空气经除尘后，由鼓风机鼓入盛有多种专用吸附剂（分子筛等）的吸附塔底部，绝大部分CO2、N2、SO2、H2O及少量O2在塔内被吸附剂吸咐，而大部分O2则透过床层从塔顶排出，得到氧含量约93%左右的纯氧。

深冷制氧设备主要由空气压缩机组（包括过滤器、压缩机、供油系统等）、空气冷却系统（空气冷却塔、水冷却塔、氟里昂冷冻机组、水泵、水过滤器等）、分子筛净化系统（净化器、加热器等）、透平膨胀机、分馏塔（上塔、下塔、过冷器等）、换热器等组成，空气经过制氧机组分离后，可获得纯氧（含氧量99%）、纯氮及各种纯净的稀有气体。

从工艺过程来看深冷法比变压吸附法工艺过程长，工艺较复杂，需用设备的种类和台数较多，且需耐受高压或超低温，投资成本高，同时制氧量越低单位耗电量也越高，但装置能力可达到较大规模，所以一般用氧量超过10000Nm3/h时采用深冷法比较合适。变压吸附制氧法具有基建投资小、水电消耗少、经营成本低、安全性能好、操作维修简单、启动供氧特快、自动化程度高、用工少等许多优点，缺点是不能制得氧含量95%以上纯氧，且制氧量不大，一般适用于10000Nm3/h以下规模。

目前，国内已有优秀的变压吸附厂家的装置工艺水平达到了国际先进水平。变压吸附制氧设备，产氧量可达1600Nm3/h，产品纯度91%，100%纯氧电耗保持在0.40kwh/m3左右（含压氧），生产成本可进一步降低。

3、飞灰纯氧环境下燃烧特性分析

垃圾焚烧飞灰的成分复杂，而且各种成分的含量与垃圾的种类、垃圾焚烧前处理工艺、焚烧炉炉型、焚烧工艺参数和烟气处理工艺等很多因素有关。而飞灰的主要成分CaO、SiO2、Al2O3和Cl元素占总重量的90％左右是决定飞灰熔融温度、烧失量及金属固化效果的主要因素。

研究表明，当采用干法或半干法净化焚烧烟气时，喷入烟气中的大量消石灰会富集在飞灰中，成为飞灰中CaO的主要来源。飞灰中的CaO具有固硫作用，固硫产物CaSO4在高温下生成一种难以分解的复合相：硫铝酸钙（3CaO•3Al2O3•CaSO4）。

SiO2和Al2O3均是飞灰中的主要成分，在飞灰的熔融/玻璃化过程中，SiO2和Al2O3几乎全部留在熔融渣中，使得飞灰熔融渣中SiO2、Al2O3以及CaO三者的含量达到90％以上。研究表明，飞灰中的SiO2有利于熔融过程中抑制易挥发性金属的挥发,将其固化在稳定的熔渣中,降低废气的处理费用,同时可以降低飞灰的熔点。

当采用干法或半干法净化焚烧烟气中的酸性气体时，Cl元素主要以CaCl2的形式聚集在飞灰中。Cl元素对飞灰的挥发量影响很大。一般原灰中Cl元素的含量在5～25％之间，而在熔融渣中几乎检测不到Cl元素，并且对熔融炉产生飞灰分析其主要成分是Ca、K、Na和Cl，因此可以认为飞灰中的Cl元素在高温熔融过程中转移到烟气中，在冷却过程中一部分又凝缩或发生化学反应生成盐类物质（如KCl、NaCl）[关于氯元素以何种形式挥发，有两种说法，部分学者认为CaCl2的熔点只有772℃，高于熔点后会挥发；也有学者认为高温下CaCl2会和其它物质发生下列反应而生成低沸点的氯化物而挥发到烟气中，同时造成重金属大量溢出。

MeO＋CaCl2àMeCl2＋CaO（Me代表金属元素）

在高温熔融过程中，这两种情况均可能发生，对Cl元素的挥发有所贡献；可见过多Cl元素，会造成烟气量的增大，增加烟气处理的负荷，同时也不利于将原灰中更多的金属留在玻璃体中。

以上飞灰熔融中担心的问题，在纯氧燃烧中均得到了良好的解决。某大型集团公司年产6-8万吨的玻璃纤维池窑，以采用天然气作为燃料，纯氧助燃连续生产窑炉，经过多年的技术积累和开发，其技术日臻完美，世界领先。熔融温度可达1650℃，正常生产每吨耗天然气约250∽300立方。可作为飞灰熔融的参考样板技术，加以开发成为我国垃圾焚烧产生飞灰熔融资源化的核心技术。

4.结语

当前，城市生活垃圾焚烧发电在我国飞速发展，但飞灰的最终处理远不如人意，成为生活垃圾焚烧发电处理全过程污染控制和风险管理中最为薄弱的环节。随着，国家关于《生活垃圾焚烧污染控制标准》新标准的正式施行，烟气净化标准进一步向国际先进水平看齐，控制生活垃圾焚烧“最后攻坚战”污染的重点应该转向飞灰处理。

我国现有垃圾焚烧厂含有重金属、二噁英等的垃圾焚烧灰，堆存或简单处理极易造成严重的环境污染，应发展适宜中国国情的熔融资源化处置技术。

由于中国的生活垃圾未进行分类收集的，垃圾焚烧灰与国外非常大的区别，不能盲目直接引进外国技术，应结合垃圾焚烧灰的组成、生活垃圾处理规模、能量来源、建设投资费、运行费用、操作复杂性等方面来综合考虑，开发和使用符合中国国情的飞灰资源化处置技术与装备，所以无论从企业经济效益的角度还是从社会责任感的角度来衡量，纯氧燃烧技术都是垃圾焚烧产生飞灰资源化处置最理想的选择，也必将成为今后发展的方向。

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