陽 楊 令狐磊 毛小英 趙 靜 許桂連

（新中天環(huán)保股份有限公司 重慶 401120 國家環(huán)境保護(hù)危險廢物處置工程技術(shù)（重慶）中心 重慶 401120）

引言

玻璃化焚燒技術(shù)，是指通過高溫熔融[1-2]、等離子體[3]或電化學(xué)方法[4]加熱固體廢物至其熔點以上，然后快速冷卻以獲得無定形結(jié)構(gòu)熔融物的過程。

高溫熔渣玻璃化技術(shù)可以固化重金屬、有效減少填埋量，能夠解決傳統(tǒng)固化劑無法處置的部分重金屬危險廢物，因此玻璃化焚燒是處置含重金屬的危險廢物的重要手段，通過玻璃化后的焚燒殘渣，可以作為水泥原料、混合材料等多種用途，實現(xiàn)危險廢物的減量化、無害化、資源化。

本文是依托新中天環(huán)保的危險廢物處置場[5]，結(jié)合國家環(huán)境保護(hù)危險廢物處置工程技術(shù)（重慶）中心所開展的基礎(chǔ)研究上，在處置場開展了關(guān)于玻璃態(tài)焚燒處置的研究工作，并取得了良好效果。

1 實驗方法

玻璃化焚燒主要有以下幾種因素的影響[6]，①焚燒物料的影響，如物料中堿性氧化物的含量、硫氟氯等酸性組分情況、灰熔點等；②添加劑使用情況，如加入量、加入物料的品規(guī)等；③操作方式的影響，如焚燒溫度、淬火方式等，本文就涉及的主要影響因素進(jìn)行研究。

本文主要研究含有重金屬類的物料玻璃化情況，因此在選擇物料時，我們重點考慮含有難揮發(fā)重金屬的物料。根據(jù)處置場2017年全年的物料收運情況，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分類，在固體危廢中，廢漆渣規(guī)模最大，因此，本文選擇漆渣作為研究對象。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 焚燒溫度對玻璃化的影響

不同的焚燒技術(shù)對于各種形態(tài)的危險廢物其適應(yīng)性也不一樣。按照焚燒行業(yè)中對焚燒技術(shù)的劃分來說，根據(jù)焚燒溫度不同分為熔渣（～1000℃），灰渣（～850℃），熱解（～650℃）三種焚燒技術(shù)[7]，其焚燒特性和適應(yīng)性也不一樣，其中熔渣焚燒可以適應(yīng)各種不同形態(tài)的危險廢物，而灰渣和熱解焚燒技術(shù)對于桶裝廢物和熱值變化大時容易出現(xiàn)問題。熔融焚燒相比其他焚燒工藝，最根本的就是焚燒溫度的選擇和控制。在國家規(guī)定限值的重金屬中，大部分的重金屬沸點很高，大多數(shù)殘留于焚燒殘渣中，熔融焚燒爐的熔融殘渣會包容這些殘渣，其毒性浸出效果等同玻璃固化，完全可以不用填埋處理。

實驗中，為了降低溫度對焚燒殘渣影響，我們做了三方面的準(zhǔn)備。一是強(qiáng)化進(jìn)料的配伍，盡可能使得熱值分配均勻；二是對溫度陡升或驟降情況做好應(yīng)急預(yù)案，充分分析溫度變化差異的原因?？赏ㄟ^控制高低熱值的物料來進(jìn)行調(diào)配，另外，還可以噴入惰性氣體或輔助燃料進(jìn)行二次管控。通過研究的結(jié)果，以及實際運行情況，最終認(rèn)為回轉(zhuǎn)窯溫度控制在1000～1100℃，二燃室溫度控制在1150℃左右，可以使得焚燒殘渣具有較好的熱灼減率，焚燒較為徹底。

2.2 焚燒物料對玻璃化的影響

本文借用飛灰的堿度概念[8]，即總堿性氧化物與總酸性氧化物的質(zhì)量比來研究堿性氧化物含量對焚燒的影響。

另外仿照堿度的定義，給出了酸度的概念，即酸性易揮發(fā)組分占不易揮發(fā)組分的比例。

其中，K主要反應(yīng)了熔渣中以Ca、Si氧化物為主的玻璃態(tài)，伴有的倍半氧化物及堿氧化物的差異，由于Al、Na等具有良好的助熔效果，在SiO2足夠的情況下，是形成玻璃態(tài)化合物的重要保證；P主要體現(xiàn)了熔渣產(chǎn)生中氣相和固相的參與度，P值越小，參與固相結(jié)合的機(jī)會越大，直接影響了殘渣的熱灼減率，并且在酸性渣相中，穩(wěn)定化程度也不可控；P值越大，對氣相而言，由于酸性氣體的影響，加大了尾氣脫酸的難度。本項目根據(jù)已有物料情況，仿照正交設(shè)計安排了10組研究方案，具體研究內(nèi)容及結(jié)果如表1。

表1 焚燒物料對玻璃化影響研究結(jié)果

上述K值在0.86～0.96取值，P值在0.85～0.95取值，并添加少量粉煤灰以調(diào)節(jié)K=1，通過補(bǔ)充高硫高氯物料，近似P～1，設(shè)置對照實驗組。實驗情況表明，在物料的金屬氧化物較低時，焚燒物料的黏度會上升；在渣相殘留的陰離子越少時，對熔渣的形成具有一定的促進(jìn)作用。

K值是影響玻璃態(tài)熔渣的重要參數(shù)，堿性物質(zhì)的含量可影響玻璃化產(chǎn)品的品質(zhì)。P值相對影響了玻璃態(tài)熔渣的長期穩(wěn)定性，實驗表明：P值越趨近1越好。其意義在于殘渣中所殘留的硫酸鹽、Cl/F鹽，會在堆存過程中，隨著雨水等含氫物質(zhì)作用，逐步腐蝕、瓦解Ca-Si網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高了金屬的浸出率。

2.3 添加劑對玻璃化的影響

添加劑的作用主要是調(diào)節(jié)合適的K值，當(dāng)堿性氧化物不足時可以補(bǔ)充CaO值，當(dāng)灰熔點過高或無機(jī)灰分過多時，可以添加SiO2值。目的是將K值調(diào)節(jié)到推薦范圍。為了降低熔融焚燒成本，需要根據(jù)基礎(chǔ)研究情況，結(jié)合生產(chǎn)實際，既要考慮加入物料的助熔抑揮發(fā)效果，更要考慮添加成本和殘渣增容量。

考慮到以廢治廢，選擇廢玻璃渣、粉煤灰兩種廢棄物進(jìn)行物料添加。其中廢玻璃渣主要來自于玻璃生產(chǎn)廠的邊角料、生活垃圾等，粉煤灰主要來自于熱電廠。兩種主要廢物的有效成分為SiO2，選擇石英作為對比實驗。為控制成本，物料添加量不易過大，本文選擇在1%～10%。在焚燒物料中選擇高硅物料和低硅物料進(jìn)行對比試驗。采用灰熔點測定儀測定不同組分情況下的物料熔點，試驗情況如圖1所示。

圖1 低硅物料情況（左），高硅物料情況（右）

從試驗情況看，在低硅情況下，三種添加物對熔融溫度均有明顯的效果，而在高硅情況下，添加劑對熔點的影響層非規(guī)律性變化。從上述機(jī)理分析，添加物料中SiO2、金屬氧化物的活性物質(zhì)決定了灰熔點的變化。低硅情況下，SiO2占主要競爭優(yōu)勢。廢玻璃的主要成分為SiO2，其變化趨勢與石英對比試驗相當(dāng)，說明廢玻璃中的其他雜質(zhì)干擾影響不大；粉煤灰中含有較多的堿性物質(zhì)，在添加量過多時，會有較大干擾。高硅情況下，添加石英反而適得其反，降低了焚燒物料的堿度，增大了焚燒渣的粘度，從熔點看，添加過多反而提高了灰熔點，此次，粉煤灰在一定量上體現(xiàn)了助熔效果。

2.4 淬火方式對玻璃化的影響

本文開展了關(guān)于淬火的相關(guān)實驗。在常規(guī)的焚燒后，選擇了三種淬火方式：一是常溫自然冷卻，二是水驟冷；三是階梯式緩慢冷卻。從實驗情況看，自然冷卻時間長，外部冷卻后形成堅硬的外殼，而內(nèi)部卻未能冷卻，甚至還有流動態(tài)。同時，冷卻過程中大量放熱，形成白煙，對環(huán)境造成不良影響。階梯式緩慢冷卻，是通過逐級冷卻的方式，可以獲得延展性好的材料，能夠形成一定顆粒粒度的殘渣料，渣料的各相分界相對均勻。但這種方式需要增加投資，操作復(fù)雜。通過多次實驗?zāi)Ｊ?，選擇了水驟冷方式，熔渣經(jīng)過水淬后變?yōu)?～10mm的類玻璃體顆粒。

2.5 焚燒殘渣玻璃體結(jié)構(gòu)研究

圖2 焚燒殘渣玻璃體的XRD研究

對處置場的樣品進(jìn)行XRD檢測，所得結(jié)果列于圖2中。圖中20-40°出現(xiàn)的彌散峰為樣品中的玻璃相（主要為含硅的玻璃相），30°和36°附件出現(xiàn)的尖銳的衍射峰代表樣品中含有晶相。玻璃體含量是彌散峰面積與總面積之比。從圖中可以看出，樣品的玻璃體含量較高，玻璃化程度較好。

結(jié)語

高溫熔渣玻璃體技術(shù)的關(guān)鍵是形成玻璃體，本文研究了焚燒溫度、焚燒物料、添加劑、淬火方式等對玻璃化的影響，認(rèn)為回轉(zhuǎn)窯溫度控制在1000～1100℃，二燃室溫度控制在1150℃左右，通過加入添加劑調(diào)節(jié)K值控制為0.92～0.96，P值控制在0.94～0.99，熔渣淬火方式為水驟冷淬火，可以使得焚燒殘渣具有較好的熱灼減率，焚燒較為徹底，實現(xiàn)較好的玻璃化固化效果，焚燒殘渣浸出毒性極低。

通過玻璃化焚燒后的殘渣完全可以用于路基等建筑材料，實現(xiàn)資源循環(huán)。同時，極大節(jié)省了常規(guī)焚燒技術(shù)所需配套的灰渣固化填埋場地。