城市垃圾焚烧炉内灰渣的性质及结渣机理初探

城市垃圾焚烧炉内灰渣的性质及结渣机理初探摘要：介绍了城市垃圾焚烧灰渣基本的物理化学性质，初步探讨了垃圾焚烧处理中的积灰、结渣形成的机理，为焚烧炉的正常运行提供科学的保证，为灰渣的深度开发利用及污染防治提供科学依据。关键字：垃圾焚烧残渣结渣机理再利用1垃圾焚烧残残渣的基本性性质为了正确地地处理、管理理城市垃圾焚焚烧后的灰渣渣，应全面了了解这些灰渣渣的物理和化化学性质，如如灰渣的粒径径大小分布、表表面积、形态态、密度、组组成及化学性性质等。1.1垃圾焚焚烧残渣的化化学组成垃圾焚烧后后灰烬的基本本化学组成见见表1。表1垃圾焚烧烧后灰烬的化化学基本组成成[1]

（％）化学成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OBaOCr2O3PbOSO3CH2O其他含量43.68.767.2913.117.741.633.920.080.0620.291.891.662.257.11.2城市垃垃圾焚烧残渣渣城市垃圾焚焚烧后的残渣渣主要包括飞飞灰和底渣。根根据OntivverosJ

L,ClaappTLanddKosssonDS等人的研究究[2]，将垃垃圾焚烧炉的的飞灰按粒径径分为7档：〈20μm，20～41μm，42～60μm，61～110μm，111～149μm，150～230μm，〉230μm。粒径大于230μm的，主要是是焦炭的薄片片,焦炭片越少少，颗粒燃烧烧得越完全，它它与第2次供风有密密切的关系。对对颗粒的密度度和表面积进进行分析，测测量表明：飞飞灰密度的大大小可表明物物料的燃烬性性，密度越大大燃烬性越好好；飞灰的密密度越大则有有更大的表面面积，灰表面面积随粒径的的减小而增大大，这种现象象与炉的效率率或装置的收收集效率有关关。通过分析析灰的固体总总挥发度可考考察各个组成成未燃烬的情情况。城市垃垃圾焚烧飞灰灰最多的颗粒粒主要是黑色色和白色颗粒粒，形状包括括扁平和园状状型的，成渣渣结块时也有有球型的，然然而，球型的的粒子不太多多。Tayloor[3]用碎海海绵、卷纸状状、画板状等等词语来描述述垃圾焚烧飞飞灰的形状。通通过电子扫描描图可见飞灰灰晶型结构的的形成，CahiillanndNewwland[4]等人用用挥发富集理理论来解释，铝铝和硅的气化化温度比焚烧烧温度高，因因而成为其他他挥发元素的的晶核。Furuyya[5]等人分分析得到飞灰灰颗粒为CaSO4型。但OntivverosJL,ClapppTLandKKossonnDS[[2]等人对对飞灰样品的的研究表明，它它们的晶体结结构除了CaSO4型之外，还还有可能有NaCl或KCl型。底渣主主要是碎玻璃璃、金属残片片、石子、灰灰粉和结块的的渣。1.3垃圾焚焚烧残渣与二二次污染控制制技术废弃物焚烧烧过程中，不不可避免地产产生HCl、SOx、NOx、CO等无机污染染物，同时可可能还会产生生苯并芘、苯苯并蒽、二恶恶英等有机物物和Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Ni等痕量重金金属污染。因因此，净化集集尘装置和净净化过滤集尘尘装置是垃圾圾焚烧过程中中的关键配套套系统。其常常用装置有机机械集尘装置置，用于从气气体中分离出出粒径约为20～30μm以上的颗粒粒；静电除尘尘器，用于捕捕集小至0.5μm左右的微细细粒子；袋式式过滤器，用用于除去1μm以下的粒子子，同时也对对去除PCDD（）效果最好好。另外，为为了脱氯脱硫硫，在850～1050℃的炉温范围围内，通常会会向炉内喷入入磨碎的氢氧氧化钙、氢氧氧化镁、醋酸酸钙、醋酸镁镁、醋酸镁钙钙、甲酸钙、丙丙酸钙或苯甲甲酸钙等吸收收剂。为了减减少PCDD（）的生成，在在焚烧炉余热热锅炉前喷氨氨，由于氨与与氯的结合能能力强于前驱驱物与氯的结结合能力及喷喷氨可以使合合成PCDD（）的催化剂剂失去催化作作用。因此，垃垃圾焚烧所采采取的一系列列控制二次污污染的技术，都都极大地影响响灰渣的物理理形态和化学学性质。1.4垃圾焚焚烧灰中金属属的分布及化化学性质了解飞灰中中金属的粒径径分布情况对对其形成机理理和管理很重重要。Kaufhherr和Lichttman[66]研究发现现：铝、钾、镁镁和铁金属的的粒径变化不不大。Hanseen和Fisheer[7]的研究究发现：钛、钠钠、铪、钍和和碳飞灰的硅硅铝母体有联联系。Cahilll和Newlaand[4]]得出在炉膛膛中高挥发点点的物质作为为核晶的理论论。因此铝、硅硅和镁是形成成飞灰的晶核核，沸点低的的物质易挥发发并浓缩为飞飞灰颗粒。铅铅和钙由于易易挥发而堆积积在金属的表表面。对每个个粒径区间的的飞灰金属含含量进行分析析，一般来说说它们的金属属含量都随粒粒径的减小而而增大，大多多数金属都有有这种趋势，只只是铝、镁、钡钡、铁、镍、钾钾受粒径的影影响不太大，因因为这些元素素是灰的晶核核。对每个粒粒径的灰表面面积进行比较较，随着颗粒粒的减小，增增加的表面积积更有利于富富集。铝、镁镁、钡、铁、镍镍、钾、铬和和铅这些核元元素的含量并并不随粒径变变小而有太大大的变化。但但其它元素的的含量却随粒粒径的减小有有一个显著的的变化。在大大多数情况下下，这种变化化是呈线性的的。钾、钠、钙钙、镍在飞灰灰上比较在底底渣上更容易易沉积。在相相同的工厂中中，金属在灰灰中的分布是是不同的，如如铁在底渣中中的含量远远远高于飞灰中中的含量，铝铝、钡、铬、铜铜和铅在飞灰灰和底渣中的的含量基本上上是均等的。用用水相提取的的方法可把灰灰溶解在水中中的阴、阳离离子的种类分分开。可用物物质和电荷平平衡的原理来来测量它们的的存在形式，结结果表明钾和和钠主要以氯氯盐的形式存存在，但也以以硫酸盐的形形式的存在，钙钙主要是以硫硫酸盐形式存存在。2积灰和结渣渣对垃圾焚烧烧炉的影响2.1积灰、结结渣的形成炉管壁面的的积灰、结渣渣是一种普遍遍现象，在炉炉膛内火焰中中心处的温度度高，燃料中中的灰分大多多呈熔化状态态，而在炉管管壁附近的烟烟温则较低，一一般在接触受受热面时已凝凝固，沉积在在壁面上成疏疏松状，就形形成积灰；如如果烟气中的的灰粒在接触触壁面时仍呈呈熔化状态或或粘性状态，则则粘附在炉管管壁上形成紧紧密的灰渣层层，就形成了了结渣。结渣渣主要由烟气气中夹带的熔熔化或部分熔熔化的颗粒碰碰撞在炉墙、水水冷墙或熔融融的沉淀物形形式出现在辐辐射受热面上上。如水冷壁壁、水排管、过过热器排管等等。造成锅炉炉结渣的主要要原因是灰份份的成份及其其熔点。垃圾圾焚烧形成结结渣由于灰层层的形成和惰惰性气体的比比例增加、氧氧化剂穿透灰灰层进入物料料深部与可燃燃物进行反应应也愈困难,整个反应减减弱。温度比比焚烧段有所所下降，这就就是燃尽阶段段的到来，直直到整个剩余余可燃质烧尽尽。然而，焚焚烧生活垃圾圾在主焚烧阶阶段，当物料料温度较高时时，在料层底底部会形成大大量的焦块，其其尺寸大的长长度可达800～1000mmm，厚度一般般都有200mmm)左右。它使使下部送风受受到阻碍，燃燃烧减缓。垃垃圾燃尽后形形成的渣块尺尺寸松散，小小尺寸(＜100mmm)占全部灰渣渣的比例约为为20％,可能与以下2个因素密切切相关，一是是因为垃圾成成分中有大量量的低熔点物物质，如塑料料、橡胶等各各种高分子化化合物，加上上垃圾中含有有大量的煤渣渣、尘土、碎碎玻璃陶片等等。当垃圾进进入主焚烧阶阶段时，各种种高分子化合合物就软化缩缩合，将大量量的灰分粘在在一起，形成成大的块状混混合物；二是是这种成团的的缩合物，在在燃烧过程中中，供氧不充充分，可能处处于还原或半半还原气氛中中，这就使无无机物灰渣溶溶点降低，从从而形成在底底部灰层中的的结渣[8]]。垃圾锅炉炉炉膛火中心温温度一般可达达1000℃，燃料中的的灰份大多呈呈熔化状态，而而四周水冷壁壁附近烟温较较低，如果烟烟气中携带的的灰粒在接触触壁面时仍呈呈熔化或粘性性状态，则会会逐渐粘附在在管壁上形成成紧密的灰渣渣层。焚烧锅锅炉结焦由许许多复杂的因因素引起，如如炉内空气动动力场、炉型型、燃烧器布布置方式及结结构特性，垃垃圾的尺寸等等都将影响炉炉内结焦状况况。保证空气气和燃料的良良好混合，避避免在水冷壁壁附近形成还还原性气氛，合合理而良好的的炉内空气动动力工况是防防止锅炉内结结的前提。2.2垃圾焚焚烧炉结渣机机理的探讨[[9、10]锅炉结渣是是个很复杂的的物理化学过过程,它涉及物物料的燃烧、炉炉内传热、传传质、物料的的潜在结渣倾倾向、灰粒子子在炉内运动动以及灰与管管壁间的粘附附等复杂过程程,至今还没没有能定量描描述结渣过程程的数学模型型。笔者试着从从灰粒输运机机理及在炉壁壁、管壁上的的粘接和结聚聚长大成灰渣渣的机理探讨讨结渣机理。灰颗粒的输输运主要有气气相扩散、热热迁移、惯性性迁移。对于于尺寸很小颗颗粒和气相灰灰分，费克扩扩散、小粒子子的布朗扩散散和湍流旋涡涡扩散是重要要的输运方式式。对稍大的的颗粒,是以热迁迁移的方式输输运。热迁移移是由于炉内内温度梯度的的存在而使小小粒子从高温温区向低温区区运动。研究究表明热迁移移是造成灰分分沉积的重要要因素之一。对对于较大的灰灰粒,惯性力是是造成灰粒向向水冷壁面输输运的重要因因素。当含灰灰气流转向时时,具有较大惯惯性动量的灰灰粒离开气流流而撞击到炉炉的水冷壁面面。灰粒撞击击水冷壁面的的概率取决于于灰粒的惯性性动量、所受受阻力、在气气流中的位置置以及气流速速度。灰渣在管壁壁上沉积存在在两个不同的的过程：一个个为初始沉积积层的形成过过程,初始沉积层层为化学活性性高的薄灰层层,它是由尺寸寸十分小的灰灰颗粒组成。主主要是由挥发发性灰组分在在水冷壁上冷冷凝和微小颗颗粒的热迁移移沉积共同作作用而形成，由由于粘附以及及与管子的化化学反应而生生成的非常牢牢固的覆盖层层。初始沉积积层中碱金属属类和碱土金金属类硫酸盐盐含量较高,这些微小小的颗粒由范范德瓦尔力和和静电力保持持在管壁上，并并与管壁金属属反应生成低低熔点化合物物，强化了微微小颗粒与壁壁面的连接。初初始沉积层具具有良好的绝绝热性能，它它的形成使管管壁外表面温温度升高。另另一个沉积过过程为较大灰灰粒在惯性力力作用下冲击击到管壁的初初始沉积层上上，当初始沉沉积层具有粘粘性时，它捕捕获惯性力输输运的的灰颗颗粒，并使渣渣层厚度迅速速增加。由于于初始沉积层层主要是由挥挥发分灰组分分的冷凝及微微小颗粒的热热迁移而引起起，因而从工工程角度考虑虑，很难防止止初始沉积层层的形成。造造成炉内结渣渣迅速增加，并并对锅炉安全全运行构成威威胁的主要因因素是惯性沉沉积。由惯性性输送的灰粒粒在初始沉积积层上的粘接接除与初始层层的性质有关关外，还与撞撞击灰粒的温温度高底有关关，当撞击灰灰粒的温度很很高，呈溶融融状液态时，很很容易发生粘粘接，使结渣渣过程加剧。灰灰渣层的厚度度通常是不均均匀的，它与与炉膛的结构构、燃烧中心心位置、空气气动力特性、炉炉膛温度特性性及燃料的物物理化学性质质有关。在炉炉膛的不同位位置，灰渣的的厚度和结构构将有很大的的差别。垃圾焚烧与与一般燃料(重油、煤、天天然气)燃烧相比，垃垃圾发热值低低而含水量高高，质地相当当低劣；焚烧烧过程极为复复杂，气、液液、固体多项项反应混合发发展，多孔介介质中的传递递、同相和异异相间传递交交互发生，并并受晶界过程程、电化学过过程和应力演演变过程等多多重因素的影影响；另外，由由于垃圾形状状不均，质量量随季节、年年代和地区而而变化，相应应的热值变化化幅度较大，结结果焚烧过程程中烟气温度度和成分波动动也很大。所所以，垃圾焚焚烧环境中发发生的结渣比比一般燃料燃燃烧过程中更更复杂，有待待于进一步探探讨。2.3结渣现现象的危害性性结渣会降低低炉内受热面面的传热能力力。一般垃圾圾焚烧处理系系统受到结渣渣沾污后，水水冷壁、水冷冷管等换热设设备的传热能能力降低；并并影响炉内火火焰的状态，除除炉膛出口烟烟温相应提高高；还可产生生堵塞现象，除除传热效率降降低，并提高高排烟温度，降降低锅炉运行行经济性。在在传热作用减减弱的情况下下，为了维持持同样的蒸发发量，就需要要消耗更多的的燃料，使送送引风机负荷荷增设。由于于通风设备容容量有限，加加之结渣情况况下容易发生生烟气通道的的局部堵塞，可可能因引风量量不足，燃烧烧室内产生正正压，限制锅锅炉出力。另另外，由于飞飞灰易粘结在在换热器及其其它设备上，引引起过热器沾沾污和腐蚀。由由于总的传热热阻力增大，使使锅炉可能无无法维持满负负荷运行，只只好增加回投投料量，引起起炉膛出口温温进一步提高高，使灰渣更更容易粘在受受热面上，形形成恶性循环环，导致一系系列锅炉恶性性事故发生。在在高温烟气作作用粘结在水水冷壁或高温温过热器上的的灰渣会与管管壁发生复杂杂的化学反应应，形成高温温腐蚀。结渣渣以后，为了了维持锅炉出出力，增加入入炉燃料量而而通风不足，燃燃烧不完全，一一些可燃物可可能被带到对对流受热面，在在烟道角落积积起来继续，发发生烟道再燃燃烧现象，产产生严重的破破坏性后果。3灰渣的危害害及综合利用用3.1灰渣对对环境的危害害在垃圾焚烧烧过程中，垃垃圾中有害元元素除有一部部分以气相形形式逸出外，大大部分转入飞飞灰和底渣中中。在垃圾灰灰渣处置和利利用过程中，可可能构成一种种长期潜在的的环境污染源源。未能被除除尘器捕获的的超细飞灰，是是大气气溶胶胶的组成部分分，吸入这些些颗粒将会在在肺中沉积，当当灰沉积呼吸吸系统中的鼻鼻，咽和支气气管通过纤毛毛运动到达胃胃而被溶解。飞飞灰的吸入比比食入的危险险性更大因为为其直接进入入血液而不通通过肝和肠。大大约25%被吸入灰粒粒沉积肺组织织中，这与其其在含灰环境境中所暴露的的时间是成正正比的。粒径径小于微米的的颗粒一般沉沉积在肺的肺肺泡区，50%~880%的微量元素素都吸附在那那里。因其表表面往往富集集有害元素，呼呼吸到肺部后后不易驱除，可可能是诱发癌癌症的主要原原因。此外，这这部分飞灰在在垃圾厂附近近通过干沉降降或湿沉降落落到地表后，会会污染地表水水体及植被。被被除尘器捕获获的飞灰，若若采用湿排，飞飞灰中有害元元素会溶于冲冲灰水中，造造成污染。堆堆放在储灰池池中的垃圾灰灰灰渣，因雨雨水淋滤，会会污染地表及及地下水。在在渣灰利用过过程中，如生生产建材制品品，仍会对周周围环境产生生影响。3.2灰渣的的应用前景垃圾焚烧后后，分散于垃垃圾有机质中中的无机组分分在高温后急急冷的热动力力条件下，形形成主要成分分以及主要物物相内储存了了大量化学内内能，有大量量游离状态的的Al2O3、SiO2及金属氧化化物(K2O、Na2O、Fe2O3、CaO、MgO)存在；灰颗颗粒微细，比比表面积大，易易于与其它成成分反应形成成新的物相。因因此，这些灰灰渣可作为重重要的无机非非金属资源用用于建材、建建工、陶瓷、化化工等领域，广广泛用于建筑筑材料的生产产与建设工程程，今后仍将将是灰渣最主主要的利用途途径。把焚烧烧垃圾灰再无无害化利用越越来越受到人人们的高度重重视。4结语城市垃圾焚焚烧后的残渣渣有较大的利利用潜力。研研究不同地域域、不同炉型型条件下的垃垃圾焚烧后的的灰渣特性，建建立灰渣的科科学体系，从从无序中找出出有序的规律律，为焚烧炉炉的正常运行行提供科学的的保证，为灰灰渣的深度开开发利用及污污染防治提供供科学依据。5参考文献1杨雄,,孙剑峰.生活垃圾处处理及其焚烧烧产物玻璃化化[J].陶瓷研究,20000，15（1）.2OnttiveroosL,ClapppTL,,KosssonDS.Phhysicaalproopertiiesanndcheemicallspecciesddistriibutioonswiithinmuniccipalwasteecombbusterrashees.EnnvironnmentaalProogresss,19989,8((3):2222～206.3TayylorDDR,TTompkiinsMA,KiirtonSE,eetal..

Anaalysissoffflyasshprooduceddfrommcombbustioonofrefusse-derrivedfuelandmmixturres.

Envirron.SSci.TTech.,,19822,16(33):1488～154.4CahhillCCA,NNewlanndLWW,AmJ.Trreatmeentoffinciinerattorasshes.Envirron.AAnal.Chen..,19885,11::227～239.5FurruyaKK,MiyyajimaaY,CChibaT,etal.

Recovveryoofuraaniumfromnucleearfuuelsccrap.Envirron.

Sci.Tech..,19887,211(