（热能工程专业论文）垃圾焚烧飞灰熔融初步实验研究.pdf

图书分类号：tk223.2 u.d.c.: 621.184.8 工学硕士学位论文 垃圾焚烧飞灰熔融初步实验研究 硕 士 研 究 生： 裘俊 导师： 别如山教授 申 请 学 位： 工学硕士 学 科 、 专 业： 热能工程 所 在 单 位： 能源科学与工程学院 答 辩 日 期： 2008 年 7 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index：tk223.2 u.d.c.：621.184.8 dissertation for the master degree in engineering the preliminary experimental research of the melting process of fly ash resulting from solid waste incineration candidate： qiu jun supervisor： prof. bie rushan academic degree applied for： master of engineering specialty： thermal engineering affiliation： school of energy sci. and eng. date of defence： july, 2008 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘要摘要 焚烧法处理城市固体废弃物具有显著的减容、减量、无害化以及资源化 等优点，在国外得到广泛应用，然而焚烧法产生的飞灰中含有重金属和二恶 英，垃圾焚烧飞灰的熔融处理技术为废弃物的处理开辟了新的路径。 热化学技术在城市固体废物处理领域日趋重要，然而焚烧等热化学处理 产生的无机灰渣却带来新的环境问题。城市生活垃圾焚烧飞灰中可溶性重金 属和溶解盐含量较高，并含有二恶英等剧毒有机污染物，一般可认为是危险 废物。目前飞灰处置的主要模式是对飞灰进行单独收集，经适当处理后，送 入填埋场进行填埋，固化/稳定化和重金属提取是目前飞灰处理的主要方 法。垃圾焚烧飞灰的熔融处理技术是未来处理固体废弃物的主要发展趋势。 本文采用哈尔滨垃圾焚烧厂的垃圾焚烧炉尾部布袋除尘器中收集的飞灰 和自行购买的煤粉作为实验物料，并对垃圾飞灰和煤粉以不同混合比混合的 混合样进行了灰熔点，tg 和 dtg 实验研究。本文作者针对垃圾焚烧飞灰 熔融自行设计了试验台、燃烧器、给料器等实验装置，并在自行设计的实验 台上，初步研究炉内温度和烟气中的氧气浓度等条件对飞灰和煤粉混合样的 燃烧产物 co 和 no 浓度的影响。 关键词关键词 熔融炉；生活垃圾；垃圾焚烧飞灰；重金属；混烧；熔融温度 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract having the advantages of remarkable volume-reduction, mass-reduction and energy-recovery, disposing of municipal solid waste (msw) by incinerations has been widely used abroad. however the release of toxic substances such as heavy metals and dioxins brings environmental problems. in the fields of treatment of hazardous mswi fly ash, the thermal melting process becomes one of most significant research approach. incineration plays an important role in the disposal and utilization of municipal solid wastes (msw). however, there is a growing concern for the environmental impact of msw incineration fly ashes in proper disposal and utilization. fly ash resulting from municipal solid waste incineration (mswi) is classified as hazardous waste, owing to its heavy metals, in some cases, toxic chlorinated organics. high concentrations of soluble salts are also present. at present, solidification, stabilization and heavy metals extraction are main techniques of mswi fly ash treatment. the thermal melting process is the main developing tendency of the treatment of hazardous mswi fly ash. due to containing pollution composition such as heavy metal, the fly ash from the municipal solid waste must be treated specially. the pollution control and the utilization can be realized at the same time with the anaerobic melting treatment technique. the author has done research on ash fusion point, tg and dtg with different mixing ratio of coal with the fly ash, collected by the bag dust collector of harbin municipal solid waste incineration factory. the author has designed experimental apparatus, feeder and burner, also has done preliminary research of the influence on the concentration of co and no, by the condition in the fly ash melting course including the temperature and the concentration of o2 was studied on the self-designed experimental facility. keywords melting furnace；municipal solid waste；mswi fly ash；heavy metals；co-firing；melting temperature 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - 目录目录 摘要 . i abstract . ii 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题研究背景及实际意义 . 1 1.2 城市固体废物的现状与危害 . 1 1.2.1 城市固体废物的现状 . 1 1.2.2 城市固体废物的危害 . 2 1.3 城市固体废物处理技术概述 . 3 1.3.1 土地填埋法 . 3 1.3.2 堆肥化方法 . 4 1.3.3 热化学处理技术 . 4 1.3.4 垃圾中无机成分的无害化处置方法 . 6 1.4 垃圾焚烧飞灰熔融处理方法及国内外处理现状 . 6 1.4.1 国内外对熔融炉的研究 . 7 1.4.2 国外对熔融过程中二恶英和重金属的特性的研究 . 12 1.4.3 国内在该方向的研究现状 . 13 1.5 研究内容 . 13 第 2 章 实验装置及试验方案 . 14 2.1 实验台 . 14 2.2 给料器 . 16 2.3 燃烧器 . 18 2.4 分析仪器 . 20 2.5 本章小结 . 20 第 3 章 飞灰与煤混合样的灰熔点和热天平试验研究 . 21 3.1 垃圾焚烧飞灰与煤灰混合样灰熔点试验内容和方法 . 21 3.1.1 af-1 型灰熔点测试仪器介绍 . 21 3.1.2 试验仪器试验步骤 . 23 3.1.3 试验物料及试验方法 . 24 3.1.4 灰熔点测试试验结果及分析 . 24 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 3.2 垃圾焚烧飞灰与煤粉混合样 tg，dtg 试验内容和方法 . 26 3.2.1 热分析试验仪器介绍 . 26 3.2.2 试验仪器工作原理 . 26 3.2.3 试验物料及试验方法 . 27 3.2.4 热分析仪测试试验结果及分析 . 27 3.3 本章小结 . 29 第 4 章 垃圾焚烧飞灰高温熔融炉初步燃烧试验 . 30 4.1 熔融炉燃烧试验装置试验内容和操作步骤 . 30 4.1.1 熔融炉燃烧试验装置试验内容 . 30 4.1.2 试验操作步骤 . 30 4.2 试验结果和讨论 . 31 4.2.1 不同混合比的混合样燃烧产物中 co 浓度随氧浓度变化的规律 . 31 4.2.2 不同混合比的混合样燃烧产物中 no 浓度随氧浓度变化的规律 . 36 4.2.3 不同混合比的混合样燃烧产物中 co 浓度随炉膛温度变化的规律 . 40 4.2.4 不同混合比的混合样燃烧产物中 no 浓度随炉膛温度变化的规律 . 44 4.2.5 不同混合比的混合样燃烧对炉内温度的影响 . 46 4.2.6 不同混合比的混合样燃烧对 no 浓度的影响 . 47 4.3 本章小结 . 48 结论 . 49 参考文献 . 50 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 54 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 . 54 致谢 . 55 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第第1章章 绪论绪论 1.1 课题研究背景及实际意义 随着城市生活垃圾热值逐年提高，产量不断增大，我国城市生活垃圾 （msw）的数量以每年 10%左右的速度递增，预计到 2010 年将达到 2.9 亿 吨。我国许多城市采取了焚烧法处理城市生活垃圾。在“非典”后，许多城市 建立了专门的医疗垃圾集中焚烧中心，对医疗垃圾进行单独焚烧处置。垃圾焚 烧后将产生约 30%的底灰和 3%的飞灰，焚烧灰（尤其是飞灰）中含有相当数 量的二恶英、重金属等毒性物质。我国对垃圾焚烧灰的处理有明确规定 （hjt177-2005） ，底灰送卫生填埋场填埋，飞灰按照危险废物送危险废物填埋 场进行安全填埋处置。但我国仅有沈阳、深圳、福州等城市有危险废物填埋 场，远远不能满足填埋处理的需求。因此，最大限度地实现垃圾焚烧灰的安全 有效处理迫在眉睫。国外一般将焚烧灰进行水泥固化、化学药剂稳定、酸提取 和熔融等处理，其中，前三种技术均难以保证重金属的长期安全性。 1.2 城市固体废物的现状与危害 固体废物是指在社会的生产、流通、消费等一系列活动中产生的一般不具 有原使用价值而被丢弃的以固态或泥态赋存的物质。城市固体废物（生活垃 圾）是指在居民生活、商业活动、市政建设、机关办公等过程中产生的固体废 物。城市固体废物在收集、运输和处理处置过程中会对大气、土壤、水体造成 污染，不仅严重影响了城市环境卫生，而且威胁了人民身体健康，成为社会公 害之一，因此这一问题日益受到各国政府的重视1-3。 1.2.1 城市固体废物的现状 据统计，全球每天生产 2700 万吨城市固体废弃物，每年约 100 亿吨4。 近年来，随着我国经济迅猛发展和人民生活水平的提高，城市垃圾造成了日益 严重的生态环境污染。1999 年我国城市人口已达到 3.89 亿，城市人均垃圾产 量超过 1.0kg/d，接近工业发达国家水平，目前全国累计堆存的固体废物量已 达 60 亿吨，占地 5.4 亿平方米，全国三分之二的城市日益被垃圾包围。目前我 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 国政府每年要投入 400 亿元用于城市垃圾处理，其中运行费用约 300 亿元，中 国已成为世界上垃圾包袱最重的国家4- 6。快速增长的城市固体废物实际上已 经成为了严重影响城市建设和工农业可持续发展，以及改进人民生活质量的重 要社会问题，因此对我国城市固体废物的妥善解决迫在眉睫。 表 1-1 部分城市固体废弃物的物理特性和热值 table1-1 municipal solid wastes physical characteristics and calorific value of some cities 城市 低位热值（/kj kg） 比重（ 3 /kg m） 水分（%） 北京 6413 220 58.81 天津 6413 330 60.02 上海 4389 290 58.85 沈阳 5089 450 63.89 大连 6420 323 70.5 杭州 4849 430 57.28 深圳 4605 - 55 广州 4418 250 50.12 鞍山 4440 400 44 重庆 4785 470 53.6 昆明 - 350 43.41 平均 4695 353 55.38 香港 6179 199 39 在城市垃圾产量增长的同时，垃圾热值的不断提高成为另一个主要特点。 由于经济的发展、居民生活消费水平的提高和城市生活能源结构的改善，生活 垃圾的构成发生了较大改变，主要表现为垃圾中高热值可燃物含量明显增加， 使垃圾热值增长很快。据统计，1991 年至 1996 年，我国近百座城市的生活垃 圾中废塑料、废纸、织物及木类等有机成分平均增加 40%。表 1.1 为 1996 年 部分城市固体废弃物的热值。可见大部分城市垃圾热值高于 4000kj/kg，北 京、天津和大连等地的垃圾热值己经超过 6400kj/kg。城市垃圾热值的提高为 选择各种处理方式提供了更大的自由度。 1.2.2 城市固体废物的危害 快速增长的城市生活垃圾的产量和不断变化的垃圾构成，必将加重对城市 生活环境的危害。固体废物的危害主要在于： (1)侵占土地，污染土壤：目前我国垃圾主要处理方式是未经减量化处理 的简单填埋。垃圾产量急剧增多要求更多填埋场。全国垃圾累积占地达 5.4 亿 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 平方米，这些宝贵耕地终将被废弃，这对土地资源相对贫乏的我国无疑是雪上 加霜。3-5 (2)污染水体：垃圾在堆放分解过程中会产生大量酸性和碱性污染物，同时 垃圾中的重金属会溶解到水中，形成有机物、重金属和病原微生物三位一体的 污染源。垃圾产生的渗沥水流入周围的地表水并渗入土壤，造成对地表水和地 下水的严重污染。1.3 (3)污染大气，影响环境卫生：在垃圾堆放场区附近，臭气熏天，老鼠成 灾，有大量的氮、硫化物等污染物向大气释放，仅有机挥发性气体就达 100 多 种，其中含有很多致癌物。 1.3 城市固体废物处理技术概述 城市固体废物来源于成分相当复杂，因而处理十分麻烦，经过长期的研究 和实践形成了多种方法和途径，目前普遍使用的有填埋法、堆肥法以及热化学 （焚烧、热解）处理等技术。 1.3.1 土地填埋法 垃圾的土地填埋（landfill）处置是从传统的垃圾堆肥法发展起来的一项最 终处置技术，是一种涉及多学科领域的综合土工控制技术。填埋处置具有工艺 简单、成本较低，对废物的适应性广、无需对垃圾进行分选等优点。目前，填 埋是固体废物处理的主要方式，填埋在绝大多数国家金额地区都是最主要的处 理方式，而且也是各种处理残渣的最终归宿。我国目前的城市垃圾无机成分较 高，处理利用率低，经费紧张，近年来许多城市都建造了卫生填埋场。广州大 田山卫生填埋场是我国第一个投运的填埋场；杭州天子岭和北京阿苏卫都建造 了卫生填埋场3,7。 填埋需要科学的选址，在涉及和规划的基础上对场地进行防渗等处理，然 后按严格的程序进行填埋操作和封场，要制定全面的管理制度，定期对场地进 行维护和检测。我国在填埋方面还缺乏成套的理论和技术，在高性能防渗和排 水材料开发方面也与国外有较大差距，对填埋场的选址、设计也缺乏足够的知 识和经验，无标准可参考。垃圾填埋处理不仅占有大量土地，还会造成地下 水、土壤和大气等的污染，并且不能综合回收有价值的物质和能源。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 1.3.2 堆肥化方法 堆肥化（composting）是在控制条件下，使来源于生物的有机废物发生生 物稳定作用的过程。它是利用某些微生物的氧化分解有机物的能力来处理可降 解的有机废物的一种方法。 垃圾堆肥处理不仅减少了垃圾造成的环境污染，而且良好的堆肥具有改 土、培肥、促进作物生长的增产的作用。堆肥在解决垃圾出路的同时实现了资 源化目标，其经济和社会效益较好。但是堆肥对废物的种类和性质有一定的要 求。其次，堆肥法处理垃圾周期长、堆肥场建设投资高，处理量小，运输费用 高，再次，堆肥中 n、p、k 含量不高，一般低于 3%，其不同于传统的农家 肥，只能做土壤改良剂，大量施用土壤中可能富含有害元素并易造成土壤板 结。同时堆肥化处理还会对周围环境释放出恶臭和尘土3-6。 1.3.3 热化学处理技术 从物质循环利用角度看，一个环节的废物又可成为另一个环节的资源。若 城市垃圾的低位发热量以 5000kj/kg 计，则每年产生的城市垃圾相当于 2400 万 吨标准煤。研究和开发适宜的城市固体废物处理技术以解决垃圾的环境污染问 题，这在我国乃至世界能源及资源短缺的今天显得尤为重要。从可持续发展战 略角度来讲，固体废物处理应该实现无害化、减量化和资源化目标。 热化学处理(焚烧、热解)就是在高温条件下对废物进行分解，实现快速、 显著地减容，并对废物的有用成分加以充分利用。与生化降解法比较，热化学 处理的优势在于处理周期短、占地面积小、可实现最大程度的减容(80-90%), 而且对废物的适用范围更广泛。 1.3.3.1 焚烧法 在热化学处理技术中，焚烧法应用最早，技术比较成熟。焚烧 法具有减量化程度高、资源利用率较高、占地面积小等优点。近年来由于污染 控制技术的进步，焚烧技术发展较快，并且在固体废物处理技术中一直呈上升 趋势，目前许多国家焚烧处理技术在城市垃圾处理技术中的地位仅次于填埋。 焚烧技术将垃圾中的化学能全部转化为热能，产物的形式包括气相产物烟气和 固态产物灰渣(底渣和飞灰)。 焚烧技术符合垃圾处理的“三化”(资源化、减量化和无害化)原则，焚烧 可使其重量减少 75%，体积减少 90%左右，焚烧产生的热量可以供热或发电， 有效地回收能源，实现资源化。焚烧处理技术特点是处理量大、占地小、减容 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 性好，处理时间短，不受天气影响。其局限性是对垃圾热值有一定要求，一般 不能低于 4127kj/kg，焚烧的废气需要净化，一次投资大，占用资金周期长 等。目前焚烧技术主要有层状燃烧、流化床燃烧、悬浮燃烧、多室燃烧等分 支。 焚烧与填埋和堆肥是垃圾处理领域三种主要处理技术，填埋工艺简单，成 本低，适应性广，然而占用土地、易造成二次污染且浪费垃圾中的有用能量。 堆肥比填埋在资源利用方面明显具有优势，但处理量小、周期长且对废物的适 应性不好。焚烧处理快捷、减量显著、能量利用率高，占地小，但投资与运行 费用相对较高，关于三种技术的地位以及投资与运行费用参见表 1-2，其中投 资费用已经考虑到设备服务年限内处理垃圾总量，分摊到单位质量垃圾后计算 得到。值得注意的是，在包括我国在内的许多国家，焚烧等热处理方式等所占 比重呈上升的趋势却是不争的事实。 表 1-2 各种固体废物处理方式费用估计（元/吨） table1-2 the estimation of the payment of different kind of processing mode of solid waste (yuan/t) 处理方式 投资 运行费用 全部费用 国产 进口 国产 进口 填埋 10-25 15-40 30-70 40-95 45-110 堆肥 7-15 45-65 80-130 87-145 125-195 焚烧 10-30 40-75 100-150 110-180 140-225 1.3.3.2 热解法 尽管人们付出了巨大努力，焚烧的废气排放问题却一直无法得 到根本解决，最近有关二恶英危害人类生活健康的报道使得公众对焚烧的担心 日益沉重。目前国际上普遍观点是，气化和热解作为焚烧的替代技术将成为下 一代热化学处理的主流技术。相对于焚烧而言，气化和热解是在贫氧或缺氧的 还原性气氛下进行的分解反应，产生的 sox, nox, hcl 及重金属等二次污染 排放物质较少。此外，气化和热解将废物中的有用物质转化为气态(燃气)或液 态(焦油)的形式分别利用，而气态和液态燃料比固体废物燃烧效率更高，污染 更低。 热解是在无氧或低氧条件下，将有机废物高温加热、裂解为低分子化合物 (如 ch4、h2、co、焦油、甲醇、焦炭等)的方法。目前，热解工艺主要有以下 几种:回转窑热解、高温熔融热解、双塔式流化床热解和管式快速热分解等。 热解是一种复杂的城市固体废弃物处理技术，成功应用于处理垃圾的技术还比 较有限，而且处理成本比较高，在发展中国家推广有一定困难。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 1.3.4 垃圾中无机成分的无害化处置方法 上面提及的各种热化学处理技术主要针对固体废物中有机成分的转化，但 很少考虑对废物中无机成分的处理与处置。废物中的无机成分是热化学处理的 副产物，但其危害性己逐渐受到世人关注8。 焚烧法目前在热化学处理技术中占有举足轻重的位置。以焚烧为例，垃圾 焚烧后，大部分矿物和有毒元素浓缩于焚烧灰渣中。与原垃圾相比，城市垃圾 焚烧灰渣中有毒元素的含量比一般土壤中大 10-100 倍。另外，垃圾焚烧灰渣 中含有高浓度的二恶英。但是，大多数的灰渣仍是进行简单的土地填埋。一方 面，目前填埋场用地很难寻觅;另一方面，焚烧灰渣采用直接处置方式，其重 金属溶出对人体健康及生活环境的危害性己日渐受到社会的重视 7。因此如何 采取适当的技术处理灰渣，并达到稳定化、资源化和无害化的目标，已成为当 前垃圾处理领域的一个热点。 研究表明，飞灰比底渣含有更多的汞、铅、锅等多种易挥发重金属以及二 恶英等剧毒有机成分。而且垃圾飞灰中的二恶英占总排放量的 90%以上。重金 属具有高浸出特性，填理处理后会溶于地一下水造成二次污染。我国城市固体 废物管理法规规定：城市垃圾焚烧飞灰为危险废物，必需特殊处理。随着焚烧 处理的逐渐推厂，焚烧飞灰的妥善处理己日益迫切。 熔融技术是近年来新兴的飞灰处理技术, 与水泥固化等方法相比, 熔融处 理技术的无害化程度彻底、产品稳定性高、运行费用适中、减量显著, 并可以 将飞灰转变为无毒、稳定的熔渣作为路基和混泥土等建筑材料使用。在上述飞 灰固化处理技术中, 熔融固化处理技术, 是目前国内外研究最多的,也是美 国、德国、日本等发达国家最推崇的处理技术。该技术在减容化、无害化、资 源化利用方面具有明显的优势：在高温下焚烧灰中的有机物得以分解、燃烧,无 机物转变为不定形玻璃熔渣，熔融后，体积减少到原来的 1/31/2，二恶英分 解率达 99%，大部分重金属被固化在熔渣中，且熔渣可作为陶瓷、路基、水泥 等原料9,10。国外结合成熟的冶金工业及玻璃工业的高温熔融技术，对垃圾焚 烧灰熔融进行了大量开发，而我国亟待引进和开发适合我国国情的垃圾焚烧灰 熔融技术和设备。 1.4 垃圾焚烧飞灰熔融处理方法及国内外处理现状 日本从20世纪80年代开始，就由政府主导进行熔融技术开发计划，目前已 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 经成为应用熔融法处理焚烧飞灰最广泛的国家之一。 katsunori和nishida等人采用高于1450的高温熔融工艺处理垃圾焚烧飞灰, 结果表明：超过99.9%的二恶英在高温熔融过程中被分解，熔融后的玻璃态物 质经检测，重金属完全符合日本的标准，熔融物质的机械强度达到日本对同类 材料的要求11。 垃圾焚烧后的无机成分称为灰渣。灰渣一般分为四种：底渣、细渣、受热 面灰和飞灰。通常细渣与底渣并入底渣，受热面积灰并入飞灰一起搜集。熔融 是灰渣(尤其是飞灰)无害化和资源化的一项处理技术。根据热源，分为利用燃 料燃烧热和电热两种方式，在高温(1300以上)状况下，飞灰中有机物发生热 分解、燃烧及气化，而无机物则熔融形成玻璃质熔渣12-15。经过熔融处理，飞 灰中的二恶英等有机污染物受热分解破坏。飞灰中所含的沸点较低的重金属盐 类，少部分发生气化现象，大部分则转移到玻璃态熔渣中，大大降低了浸出可 能性16-19。 1.4.1 国内外对熔融炉的研究 熔融炉按热源分为电热型熔融炉和燃料型熔融炉两类，电热型熔融炉主要 包括电弧熔融炉、等离子体熔融炉、电阻熔融炉等；燃料型熔融炉主要包括反 射面式熔融炉、旋转面式熔融炉、涡流式熔融炉、残余炭式熔融炉等11。 (1)电弧熔融炉 熔渣金属 骤冷 辅助电极 烟气 石墨电极 焚烧灰 进料器 空气 熔渣 金属 图 1-1 电弧熔融炉示意图 fig1-1 the sketch of arc melting furnace 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 电弧熔融炉20在日本应用最为广泛，日本每年生活垃圾焚烧产生 5 106t 底灰，1.2 106t 飞灰，其中约有 1/3 以电弧熔融炉处理。图 1-1 是电弧熔融炉 结构简图。该炉以顶部石墨电极作为阳极，通电后顶电极与底电极间产生 30005000的高温电弧，熔融过程中炉内为还原性气氛，熔渣与金属同时在 13001500时从排渣口流出，排出并以水骤冷形成微粒物质，由于无法绝对 分离,熔渣中包含有部分金属，排放废气则先经过气体冷却，再经过袋虑式集尘 器收集飞灰。此装置系统并不需要预先除去焚烧灰中盐类，也不必添加 cao。 为节省能源并稳定熔融程序，对焚烧灰有一定的要求：水分含量5%，未燃分 3%，金属含量20%。 (2)等离子体熔融炉 进料器 烟气 熔渣 再循环水 金属 焚烧灰 铜合金电极 图 1-2 等离子体熔融炉示意图 fig1-2 the sketch of plasma melting furnace 等离子体熔融炉21如图 1-2 所示，顶部的圆柱型电极为等离子矩，利用电 极中通入的压缩气体来激发等离子体并使两极间的放电效应稳定化，借助高温 气体产生的辐射热、对流传热及电弧产生的焦耳热将炉内的焚烧灰熔融。其 中，电极可以是石墨或铜合金，压缩气体可以是空气或氮气。与电弧炉法相 比，灰经 200010000高温熔融后，熔渣几乎没有盐和挥发性金属，出炉后 迅速被水冷后收集，熔融时金属由于重力差原因沉到炉底，定期从侧面排出直 接回收，烟气经喷淋冷却避免二恶英再生成、布袋除尘器捕捉尘后排出。若用 氮气载等离子气时，容易产生还原气氛富含 co、h2等可燃气体，需配备后燃 烧室。 (3)电阻式熔融炉 图 1-3 为三相交流电阻式灰熔融炉。交流电通入 3 根石墨电极产生焦耳热, 灰进入炉内被电极附近产生的焦耳热加热。熔融前熔融池表面覆盖灰起绝热效 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 果，以降低不必要的辐射热损失。熔化后的灰由于密度大存积于炉底，当熔化 的熔渣超过渣排出口时流出，金属从底部排出回收利用。电阻式熔融炉与前两 种电热型熔融炉相比优点在于：烟气体积小，烟气散热损失小，使得整体热效 率极高，还原气氛下抑制了 hcl 和 nox 的产生，尾气处理简单，不需安装喷 射熟石灰和脱硝设备；低沸点重金属易与渣分离，可获得含金属很少的优质 渣。 金属 熔渣 烟气焚烧灰 石墨电极 图 1-3 电阻体熔融炉示意图 fig 1-3 the sketch of resistance of melting furnace (4)反射面式熔融炉 烟气 熔渣 燃烧器 推灰器 推灰器 焚烧灰 燃空 料气 图 1-4 反射面熔融炉示意图 fig1-4 the sketch of reflecting surface melting furnace 图 1-4 为对称双燃烧器、双进料系统的反射面式熔融炉22。灰由储灰斗下 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 部推灰器送入炉内，在炉底的斜坡上形成一个熔融斜面，燃烧器位于熔融炉顶 部并垂直于熔融斜面，灰受到燃烧器火焰与顶部耐火材料的高温热辐射加热形 成熔渣，并沿斜坡缓缓流进抽渣孔，熔渣伴随排放废气进入骤冷水塔快速冷 却。炉本体外围采用水套降温，内部涂有抗腐蚀的耐火材料，由于抽渣孔极易 腐蚀，在该处装有水冷管冷却金属以形成衬层，延长其使用寿命。系统特点： 移动部位少，机械故障率低；起炉操作及停炉程序简单，只须开关燃烧器，从 开启到正常运行仅需 12h；灵活调整推灰器控制熔融化速度，适合各种特性 的灰;燃料适用范围广，可适用燃油、天然气。 (5)旋转面式熔融炉 外部转筒 骤冷 烟气 熔渣 二次燃烧器 燃料 空气 内部转筒 一次燃烧器 燃料空气焚烧灰 图 1-5 旋转面熔融炉示意图 fig1-5 the sketch of rotary-melting furnace 图 1-5 为双缸旋转面式熔融炉23。熔融炉为同心双圆桶的结构，上层空间 为第一燃烧室，三个燃烧器按 120夹角均匀布置，燃烧室温度可在燃烧器点 火 6h 内达到 1300，并稳定控制在 14001500。焚烧灰从两个圆柱间进 入，上表面接触燃烧器的火焰，外缸与熔炉以 1r/h 的转速旋转，以确保均匀进 料，在圆筒的缓慢旋转下形成圆锥状熔融室。熔融后未燃组分进入二燃室再次 燃烧，熔渣落入水槽。为配合其处理容量，内圆桶可上升及下降，以调整第一 燃烧室体积。燃料通常采用重油、城市煤气等。 (6)涡流式熔融炉 图 1-6 为涡流式熔融炉24。该炉是一个垂直圆柱型，从上到下依次为涡流 熔融、渣分离、渣出口。焚烧灰和一次空气通过涡旋阀从炉顶送进，二次空气 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 从炉侧切线进入，并形成强旋的燃气流，焚烧灰沿炉墙向下运动逐渐升温并熔 化成液态，在熔融炉下部应用旋风除尘器的原理将颗粒物和尾气离心分离。为 取得高的得渣率，可调整一次空气与二次空气的比值来优化流动。过剩空气与 碱基度分别控制在 1.2 以下与 1 附近，温度维持在 1400。炉内衬采用抗腐蚀 的耐火材料，在耐火材料的墙外装有水冷套以延长其使用寿命。 熔融分离单元 涡流熔融单元 二次空气 焚烧灰 一次空气 丁烷 熔渣 烟气 二次燃烧室 图 1-6 涡流式熔融炉示意图 fig1-6 the sketch of vortex melting furnace (7)残余炭式熔融炉 推灰器 焚烧灰 燃烧器 燃烧器 燃烧器 渣池 图 1-7 残余炭式熔融炉示意图 fig1-7 the sketch of residual carbon-melting furnace 图 1-7 为残余炭式熔融炉25。该熔融炉主要是利用焚烧灰中的含炭物质的 燃烧热来减少熔融炉辅助燃料消耗，熔融炉为水平圆柱型，几个辅助油燃烧器 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 12 - 布置在炉的周围，焚烧灰经推灰器送进炉内，灰依靠自身含炭物质自燃放出的 热和燃烧器产生的漩涡气流的对流和辐射加热熔融，熔渣从圆柱型炉底部排 出，排出的气体经二燃室、冷凝、布袋除尘器净化后从烟囱排出。克服了一般 熔融存在的运行成本高(燃料成本)、金属、砖瓦等不能熔融的技术难度大等缺 陷。为节约燃烧器的燃料消耗，熔融前灰中可适当掺煤或焦炭提高灰中可燃 物。 1.4.2 国外对熔融过程中二恶英和重金属的特性的研究 1.4.2.1 熔融过程中二恶英的特性 国外学者对各种城市固体垃圾（msw） 、废 物衍生燃料（rdf）以及污泥焚烧飞灰和底渣进行了研究26,27，构成灰渣的 3 种主要成分分别是 fe2o3、sio2和 cao。垃圾焚烧飞灰中含有二恶英，所谓二 恶英是指由一个或两个氧原子联接两个被氯取代的苯环的一类有机物质，目前 被公认为总体毒性最高，在国际上备受关注，关于它的报道频繁见诸报端，关 于二恶英的形成机理以及控制机理观点尚不统一，但是在熔融温度(约 1400) 及氧化性气氛下二恶英类有机物质会发生分解，最终实现无害化。一些研究成 果表明熔融处理对二恶英的消除是非常行之有效的，分解率可达到 99.93%， 所示日本学者 shin-ichi28实验得到的城市垃圾熔融前后二恶英含量的变化。因 此熔渣中二恶英含量大大降低，不会对环境造成负面影响。 1.4.2.2 熔融过程中重金属的特性 国外学者对重金属在熔融过程中的挥发性和 迁移特性及重金属在熔渣中含量的影响因素作了研究29,30。日本学者 masaki takaoka31对淤泥焚烧底渣熔融做过小规模实验研究（为方便直观比较，下面 所指的重金属含量为熔渣中某种重金属比率占熔融前的飞灰中此种重金属比率 的百分比） 。发现灰熔渣中的重金属因元素的不同而具有不同的特点。cd、 pb、zn 和 cu 不随熔融气氛的变化而变化，熔渣中这 4 种元素的含量随盐基 度的增加而增加，对高盐基度灰，其含量会非常高。如果灰中有充足的 cao， 则这些重金属不会挥发，且在熔渣中含量稳定。ni、cr 和 as 随气氛的变化而 变化。 在 1400的中试熔融试验装置中，挥发性金属例如 cd、pb 和 as 可以在 陶瓷过滤器收集的灰中发现，而 zn、ni、cr 和 mn 通过熔融与熔渣结合在 一起。cd、pb 和 as 相对于烟气冷却塔进口更易在集灰器聚集，集灰器飞灰 中的重金属含量相当于烟气冷却塔进口处的 712 倍。在熔融中试