熔融法处理垃圾焚烧飞灰过程中重金属分离浓缩的效果研究

烟气进入急冷降温系统后温度被迅速降至200℃，此时大量气态重金属发生凝聚，随颗粒物自然沉降，共同形成浓缩灰，发生第二次重金属浓缩。

在前端系统未沉降的颗粒物则随烟气大量进入除尘效率达99.99%的布袋除尘系统，气固强制分离，被捕集的颗粒物形成浓缩灰，此时重金属浓缩效应最为明显。较好的重金属富集浓缩效果为浓缩灰中重金属回收提供了技术前提。

浓缩灰中重金属来源于原料飞灰中重金属的挥发、冷凝，飞灰中蒸发点低于飞灰处理温度的重金属大量挥发进入烟气，其中蒸发点越高则越容易凝结，浓缩灰中含量随之增高。

有文献表明飞灰中Pb、Cd在1300℃时挥发率能够分别达到84%、81%;严建华等则研究发现，在900~1100℃范围内，飞灰中Pb、Cd挥发率可达到90%以上，Cu的挥发率也达到80%，而Zn的挥发率则不足40%，在加入添加氯化钙之后，Cu、Zn的挥发率都明显增加，最大能够达到90%以上。

但在针对水泥窑共处置飞灰的研究中(飞灰掺量4.62%)重金属元素中Zn、Cu的挥发率不及Pb、Cd元素的1/2。

本研究中，不同元素之间如Zn、Pb、Cu、Cd表现出的由原料飞灰向浓缩灰迁移的特性(富集倍数)无明显差异，可能由于飞灰掺量较大(67%)时能够明显提高高温处理体中的氯含量，使重金属在飞灰中大量以沸点较低的氯化物形态存在，加剧了重金属的挥发，从而更有利于重金属向浓缩灰中分离浓缩。

除此之外，飞灰中的硫、氯及碱金属的存在对重金属在高温下的挥发性也会产生影响，而在实际运行的工业项目中，重金属挥发率除了受上述因素影响，烟气流量、窑炉转动速度等因素也产生影响，本研究结果对于实际工业生产更具指导意义。

2.3产品重金属浸出毒性

原料飞灰经过新型回转窑高温熔融处理后的产品建材基材的重金属浸出浓度见表3。

表3成品重金属浸出浓度

GB5085.3—2007和GB16889—2008中重金属浸出浓度限值见表4。

表4相关标准中重金属浸出浓度mg/L

原料飞灰的浸出毒性低于GB5085.3—2007的限值，但其Pb、Cd超出GB16889—2008限值要求。

相比原料飞灰，产品建材基材的重金属浸出浓度大幅降低。建材基材中Zn、Cd、Pb、Cu、Cr、Ni平均含量分别为：0.0188mg/L、ND、0.0588mg/L、0.0158mg/L、0.0772mg/L、ND(按照GB5085.3—2007规定的方法测定);4.7316、0.0230、0.0626、2.3164、0.0648、0.0202mg/L(按照GB16889—2008规定的方法测定)，相比于GB5085.3—2007限值要求分别降低99.98%、100%、98.82%、99.98%、98.46%、100%;相比于GB16889—2008限值要求分别降低95.27%、84.67%、74.96%、94.21%、98.56%、95.96%。

完全满足上述2项标准限值要求，可在建材等领域实现安全的资源化利用。飞灰在高温处理下，挥发进入烟气的重金属，大部分在浓缩灰中冷凝浓缩，少量随尾气排放，未挥发的部分则被固定在产品建材基材中。

在高温作用下，重金属被包裹在熔体晶格结构内，而且当温度超过1200℃时，固体中出现的液相使矿渣对飞灰中重金属的固化包裹能力显著增强，同时重金属阳离子会部分替换硅酸盐层状结构中的Ca2+、Al3+、Si4+，这种同晶置换作用能够使重金属更加稳定地固定在晶格内部，促进更多的重金属从相对容易浸出的可交换态、碳酸盐结合态向难被浸出的残渣态转化，大幅降低其浸出毒性。

周宇等的研究也表明，飞灰经过熔融处理后，熔渣中除Cr之外的几种重金属浓度相比原灰降低一个数量级以上，而且添加氧化钙和二氧化硅对重金属固化效果有促进作用。

此外，日本学者的研究结果显示，飞灰经过高温熔融处理产生的熔渣在填埋后也不会产生环境风险，即使利用酸液调节浸出液pH，其中的重金属浓度仍能够低于检测限，熔融体的环境友好性具有一定的稳定性。

本研究中建材基材的利用方向为作水泥粉磨站或混凝土搅拌站的骨料或掺和料使用，这与日本利用飞灰熔渣的利用方向相似，参考日本长期应用效果，本研究中的成品建材基材资源化利用也具有较高的环境友好性和长期稳定性。

3结论

1)原料飞灰中11种重金属总含量4525.87~5398.28mg/kg，其中浓度较高的重金属元素主要为Zn、Ba、Pb、Cu，浓缩灰-预除尘、浓缩灰-急冷降温、浓缩灰-布袋除尘重金属总含量依次升高，重金属总含量达到6447.69~15804.75、14204.88~18420.11、32691.79~49035.53mg/kg，分别达到了原料飞灰的1.71、2.89、7.41倍，其中浓度较高的重金属元素依次为Zn、Pb、Cu、Ba。

2)浓缩灰-预除尘、浓缩灰-急冷降温、浓缩灰-布袋除尘3种浓缩灰中的Zn、Pb、Cu、Cd富集浓缩现象明显，含量分别为原料飞灰的：Zn1.37、5.30、15.71倍;Pb1.80、6.80、18.71倍;Cu3.51、6.33、12.97倍;Cd1.64、7.66、20.09倍。

3)原料飞灰经过新型回转窑高温熔融处理后的产品建材基材的重金属浸出浓度大幅降低，远低于GB5085.3—2007和GB16889—2008的限值要求，可在建材等领域实现安全的资源化利用。

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