城市垃圾焚燒爐內(nèi)灰渣的性質(zhì)及結(jié)渣機(jī)理初探

城市垃圾焚燒爐內(nèi)灰渣的性質(zhì)及結(jié)渣機(jī)理初探摘要：介紹了城市垃圾焚燒灰渣基本的物理化學(xué)性質(zhì)，初步探討了垃圾焚燒處理中的積灰、結(jié)渣形成的機(jī)理，為焚燒爐的正常運(yùn)行提供科學(xué)的保證，為灰渣的深度開發(fā)利用及污染防治提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵字：垃圾焚燒殘?jiān)Y(jié)渣機(jī)理再利用1垃圾焚燒殘殘?jiān)幕拘孕再|(zhì)為了正確地地處理、管理理城市垃圾焚焚燒后的灰渣渣，應(yīng)全面了了解這些灰渣渣的物理和化化學(xué)性質(zhì)，如如灰渣的粒徑徑大小分布、表表面積、形態(tài)態(tài)、密度、組組成及化學(xué)性性質(zhì)等。1.1垃圾焚焚燒殘?jiān)幕瘜W(xué)組成垃圾焚燒后后灰燼的基本本化學(xué)組成見見表1。表1垃圾焚燒燒后灰燼的化化學(xué)基本組成成[1]

（％）化學(xué)成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OBaOCr2O3PbOSO3CH2O其他含量43.68.767.2913.117.741.633.920.080.0620.291.891.662.257.11.2城市垃垃圾焚燒殘?jiān)鞘欣俜贌蟮臍堅(jiān)饕w飛灰和底渣。根根據(jù)OntivverosJ

L,ClaappTLanddKosssonDS等人的研究究[2]，將垃垃圾焚燒爐的的飛灰按粒徑徑分為7檔：〈20μm，20～41μm，42～60μm，61～110μm，111～149μm，150～230μm，〉230μm。粒徑大于230μm的，主要是是焦炭的薄片片,焦炭片越少少，顆粒燃燒燒得越完全，它它與第2次供風(fēng)有密密切的關(guān)系。對對顆粒的密度度和表面積進(jìn)進(jìn)行分析，測測量表明：飛飛灰密度的大大小可表明物物料的燃燼性性，密度越大大燃燼性越好好；飛灰的密密度越大則有有更大的表面面積，灰表面面積隨粒徑的的減小而增大大，這種現(xiàn)象象與爐的效率率或裝置的收收集效率有關(guān)關(guān)。通過分析析灰的固體總總揮發(fā)度可考考察各個組成成未燃燼的情情況。城市垃垃圾焚燒飛灰灰最多的顆粒粒主要是黑色色和白色顆粒粒，形狀包括括扁平和園狀狀型的，成渣渣結(jié)塊時也有有球型的，然然而，球型的的粒子不太多多。Tayloor[3]用碎海海綿、卷紙狀狀、畫板狀等等詞語來描述述垃圾焚燒飛飛灰的形狀。通通過電子掃描描圖可見飛灰灰晶型結(jié)構(gòu)的的形成，CahiillanndNewwland[4]等人用用揮發(fā)富集理理論來解釋，鋁鋁和硅的氣化化溫度比焚燒燒溫度高，因因而成為其他他揮發(fā)元素的的晶核。Furuyya[5]等人分分析得到飛灰灰顆粒為CaSO4型。但OntivverosJL,ClapppTLandKKossonnDS[[2]等人對對飛灰樣品的的研究表明，它它們的晶體結(jié)結(jié)構(gòu)除了CaSO4型之外，還還有可能有NaCl或KCl型。底渣主主要是碎玻璃璃、金屬殘片片、石子、灰灰粉和結(jié)塊的的渣。1.3垃圾焚焚燒殘?jiān)c二二次污染控制制技術(shù)廢棄物焚燒燒過程中，不不可避免地產(chǎn)產(chǎn)生HCl、SOx、NOx、CO等無機(jī)污染染物，同時可可能還會產(chǎn)生生苯并芘、苯苯并蒽、二惡惡英等有機(jī)物物和Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Ni等痕量重金金屬污染。因因此，凈化集集塵裝置和凈凈化過濾集塵塵裝置是垃圾圾焚燒過程中中的關(guān)鍵配套套系統(tǒng)。其常常用裝置有機(jī)機(jī)械集塵裝置置，用于從氣氣體中分離出出粒徑約為20～30μm以上的顆粒粒；靜電除塵塵器，用于捕捕集小至0.5μm左右的微細(xì)細(xì)粒子；袋式式過濾器，用用于除去1μm以下的粒子子，同時也對對去除PCDD（）效果最好好。另外，為為了脫氯脫硫硫，在850～1050℃的爐溫范圍圍內(nèi)，通常會會向爐內(nèi)噴入入磨碎的氫氧氧化鈣、氫氧氧化鎂、醋酸酸鈣、醋酸鎂鎂、醋酸鎂鈣鈣、甲酸鈣、丙丙酸鈣或苯甲甲酸鈣等吸收收劑。為了減減少PCDD（）的生成，在在焚燒爐余熱熱鍋爐前噴氨氨，由于氨與與氯的結(jié)合能能力強(qiáng)于前驅(qū)驅(qū)物與氯的結(jié)結(jié)合能力及噴噴氨可以使合合成PCDD（）的催化劑劑失去催化作作用。因此，垃垃圾焚燒所采采取的一系列列控制二次污污染的技術(shù)，都都極大地影響響灰渣的物理理形態(tài)和化學(xué)學(xué)性質(zhì)。1.4垃圾焚焚燒灰中金屬屬的分布及化化學(xué)性質(zhì)了解飛灰中中金屬的粒徑徑分布情況對對其形成機(jī)理理和管理很重重要。Kaufhherr和Lichttman[66]研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)：鋁、鉀、鎂鎂和鐵金屬的的粒徑變化不不大。Hanseen和Fisheer[7]的研究究發(fā)現(xiàn)：鈦、鈉鈉、鉿、釷和和碳飛灰的硅硅鋁母體有聯(lián)聯(lián)系。Cahilll和Newlaand[4]]得出在爐膛膛中高揮發(fā)點(diǎn)點(diǎn)的物質(zhì)作為為核晶的理論論。因此鋁、硅硅和鎂是形成成飛灰的晶核核，沸點(diǎn)低的的物質(zhì)易揮發(fā)發(fā)并濃縮為飛飛灰顆粒。鉛鉛和鈣由于易易揮發(fā)而堆積積在金屬的表表面。對每個個粒徑區(qū)間的的飛灰金屬含含量進(jìn)行分析析，一般來說說它們的金屬屬含量都隨粒粒徑的減小而而增大，大多多數(shù)金屬都有有這種趨勢，只只是鋁、鎂、鋇鋇、鐵、鎳、鉀鉀受粒徑的影影響不太大，因因?yàn)檫@些元素素是灰的晶核核。對每個粒粒徑的灰表面面積進(jìn)行比較較，隨著顆粒粒的減小，增增加的表面積積更有利于富富集。鋁、鎂鎂、鋇、鐵、鎳鎳、鉀、鉻和和鉛這些核元元素的含量并并不隨粒徑變變小而有太大大的變化。但但其它元素的的含量卻隨粒粒徑的減小有有一個顯著的的變化。在大大多數(shù)情況下下，這種變化化是呈線性的的。鉀、鈉、鈣鈣、鎳在飛灰灰上比較在底底渣上更容易易沉積。在相相同的工廠中中，金屬在灰灰中的分布是是不同的，如如鐵在底渣中中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于飛灰中中的含量，鋁鋁、鋇、鉻、銅銅和鉛在飛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陰、陽離離子的種類分分開?？捎梦镂镔|(zhì)和電荷平平衡的原理來來測量它們的的存在形式，結(jié)結(jié)果表明鉀和和鈉主要以氯氯鹽的形式存存在，但也以以硫酸鹽的形形式的存在，鈣鈣主要是以硫硫酸鹽形式存存在。2積灰和結(jié)渣渣對垃圾焚燒燒爐的影響2.1積灰、結(jié)結(jié)渣的形成爐管壁面的的積灰、結(jié)渣渣是一種普遍遍現(xiàn)象，在爐爐膛內(nèi)火焰中中心處的溫度度高，燃料中中的灰分大多多呈熔化狀態(tài)態(tài)，而在爐管管壁附近的煙煙溫則較低，一一般在接觸受受熱面時已凝凝固，沉積在在壁面上成疏疏松狀，就形形成積灰；如如果煙氣中的的灰粒在接觸觸壁面時仍呈呈熔化狀態(tài)或或粘性狀態(tài)，則則粘附在爐管管壁上形成緊緊密的灰渣層層，就形成了了結(jié)渣。結(jié)渣渣主要由煙氣氣中夾帶的熔熔化或部分熔熔化的顆粒碰碰撞在爐墻、水水冷墻或熔融融的沉淀物形形式出現(xiàn)在輻輻射受熱面上上。如水冷壁壁、水排管、過過熱器排管等等。造成鍋爐爐結(jié)渣的主要要原因是灰份份的成份及其其熔點(diǎn)。垃圾圾焚燒形成結(jié)結(jié)渣由于灰層層的形成和惰惰性氣體的比比例增加、氧氧化劑穿透灰灰層進(jìn)入物料料深部與可燃燃物進(jìn)行反應(yīng)應(yīng)也愈困難,整個反應(yīng)減減弱。溫度比比焚燒段有所所下降，這就就是燃盡階段段的到來，直直到整個剩余余可燃質(zhì)燒盡盡。然而，焚焚燒生活垃圾圾在主焚燒階階段，當(dāng)物料料溫度較高時時，在料層底底部會形成大大量的焦塊，其其尺寸大的長長度可達(dá)800～1000mmm，厚度一般般都有200mmm)左右。它使使下部送風(fēng)受受到阻礙，燃燃燒減緩。垃垃圾燃盡后形形成的渣塊尺尺寸松散，小小尺寸(＜100mmm)占全部灰渣渣的比例約為為20％,可能與以下2個因素密切切相關(guān)，一是是因?yàn)槔沙煞种杏写罅苛康牡腿埸c(diǎn)物物質(zhì)，如塑料料、橡膠等各各種高分子化化合物，加上上垃圾中含有有大量的煤渣渣、塵土、碎碎玻璃陶片等等。當(dāng)垃圾進(jìn)進(jìn)入主焚燒階階段時，各種種高分子化合合物就軟化縮縮合，將大量量的灰分粘在在一起，形成成大的塊狀混混合物；二是是這種成團(tuán)的的縮合物，在在燃燒過程中中，供氧不充充分，可能處處于還原或半半還原氣氛中中，這就使無無機(jī)物灰渣溶溶點(diǎn)降低，從從而形成在底底部灰層中的的結(jié)渣[8]]。垃圾鍋爐爐爐膛火中心溫溫度一般可達(dá)達(dá)1000℃，燃料中的的灰份大多呈呈熔化狀態(tài)，而而四周水冷壁壁附近煙溫較較低，如果煙煙氣中攜帶的的灰粒在接觸觸壁面時仍呈呈熔化或粘性性狀態(tài)，則會會逐漸粘附在在管壁上形成成緊密的灰渣渣層。焚燒鍋鍋爐結(jié)焦由許許多復(fù)雜的因因素引起，如如爐內(nèi)空氣動動力場、爐型型、燃燒器布布置方式及結(jié)結(jié)構(gòu)特性，垃垃圾的尺寸等等都將影響爐爐內(nèi)結(jié)焦?fàn)顩r況。保證空氣氣和燃料的良良好混合，避避免在水冷壁壁附近形成還還原性氣氛，合合理而良好的的爐內(nèi)空氣動動力工況是防防止鍋爐內(nèi)結(jié)結(jié)的前提。2.2垃圾焚焚燒爐結(jié)渣機(jī)機(jī)理的探討[[9、10]鍋爐結(jié)渣是是個很復(fù)雜的的物理化學(xué)過過程,它涉及物物料的燃燒、爐爐內(nèi)傳熱、傳傳質(zhì)、物料的的潛在結(jié)渣傾傾向、灰粒子子在爐內(nèi)運(yùn)動動以及灰與管管壁間的粘附附等復(fù)雜過程程,至今還沒沒有能定量描描述結(jié)渣過程程的數(shù)學(xué)模型型。筆者試著從從灰粒輸運(yùn)機(jī)機(jī)理及在爐壁壁、管壁上的的粘接和結(jié)聚聚長大成灰渣渣的機(jī)理探討討結(jié)渣機(jī)理?；翌w粒的輸輸運(yùn)主要有氣氣相擴(kuò)散、熱熱遷移、慣性性遷移。對于于尺寸很小顆顆粒和氣相灰灰分，費(fèi)克擴(kuò)擴(kuò)散、小粒子子的布朗擴(kuò)散散和湍流旋渦渦擴(kuò)散是重要要的輸運(yùn)方式式。對稍大的的顆粒,是以熱遷遷移的方式輸輸運(yùn)。熱遷移移是由于爐內(nèi)內(nèi)溫度梯度的的存在而使小小粒子從高溫溫區(qū)向低溫區(qū)區(qū)運(yùn)動。研究究表明熱遷移移是造成灰分分沉積的重要要因素之一。對對于較大的灰灰粒,慣性力是是造成灰粒向向水冷壁面輸輸運(yùn)的重要因因素。當(dāng)含灰灰氣流轉(zhuǎn)向時時,具有較大慣慣性動量的灰灰粒離開氣流流而撞擊到爐爐的水冷壁面面?；伊Ｗ矒魮羲浔诿娴牡母怕嗜Q于于灰粒的慣性性動量、所受受阻力、在氣氣流中的位置置以及氣流速速度。灰渣在管壁壁上沉積存在在兩個不同的的過程：一個個為初始沉積積層的形成過過程,初始沉積層層為化學(xué)活性性高的薄灰層層,它是由尺寸寸十分小的灰灰顆粒組成。主主要是由揮發(fā)發(fā)性灰組分在在水冷壁上冷冷凝和微小顆顆粒的熱遷移移沉積共同作作用而形成，由由于粘附以及及與管子的化化學(xué)反應(yīng)而生生成的非常牢牢固的覆蓋層層。初始沉積積層中堿金屬屬類和堿土金金屬類硫酸鹽鹽含量較高,這些微小小的顆粒由范范德瓦爾力和和靜電力保持持在管壁上，并并與管壁金屬屬反應(yīng)生成低低熔點(diǎn)化合物物，強(qiáng)化了微微小顆粒與壁壁面的連接。初初始沉積層具具有良好的絕絕熱性能，它它的形成使管管壁外表面溫溫度升高。另另一個沉積過過程為較大灰灰粒在慣性力力作用下沖擊擊到管壁的初初始沉積層上上，當(dāng)初始沉沉積層具有粘粘性時，它捕捕獲慣性力輸輸運(yùn)的的灰顆顆粒，并使渣渣層厚度迅速速增加。由于于初始沉積層層主要是由揮揮發(fā)分灰組分分的冷凝及微微小顆粒的熱熱遷移而引起起，因而從工工程角度考慮慮，很難防止止初始沉積層層的形成。造造成爐內(nèi)結(jié)渣渣迅速增加，并并對鍋爐安全全運(yùn)行構(gòu)成威威脅的主要因因素是慣性沉沉積。由慣性性輸送的灰粒粒在初始沉積積層上的粘接接除與初始層層的性質(zhì)有關(guān)關(guān)外，還與撞撞擊灰粒的溫溫度高底有關(guān)關(guān)，當(dāng)撞擊灰灰粒的溫度很很高，呈溶融融狀液態(tài)時，很很容易發(fā)生粘粘接，使結(jié)渣渣過程加劇?；一以鼘拥暮穸榷韧ǔＪ遣痪鶆虻模c與爐膛的結(jié)構(gòu)構(gòu)、燃燒中心心位置、空氣氣動力特性、爐爐膛溫度特性性及燃料的物物理化學(xué)性質(zhì)質(zhì)有關(guān)。在爐爐膛的不同位位置，灰渣的的厚度和結(jié)構(gòu)構(gòu)將有很大的的差別。垃圾焚燒與與一般燃料(重油、煤、天天然氣)燃燒相比，垃垃圾發(fā)熱值低低而含水量高高，質(zhì)地相當(dāng)當(dāng)?shù)土?；焚燒燒過程極為復(fù)復(fù)雜，氣、液液、固體多項(xiàng)項(xiàng)反應(yīng)混合發(fā)發(fā)展，多孔介介質(zhì)中的傳遞遞、同相和異異相間傳遞交交互發(fā)生，并并受晶界過程程、電化學(xué)過過程和應(yīng)力演演變過程等多多重因素的影影響；另外，由由于垃圾形狀狀不均，質(zhì)量量隨季節(jié)、年年代和地區(qū)而而變化，相應(yīng)應(yīng)的熱值變化化幅度較大，結(jié)結(jié)果焚燒過程程中煙氣溫度度和成分波動動也很大。所所以，垃圾焚焚燒環(huán)境中發(fā)發(fā)生的結(jié)渣比比一般燃料燃燃燒過程中更更復(fù)雜，有待待于進(jìn)一步探探討。2.3結(jié)渣現(xiàn)現(xiàn)象的危害性性結(jié)渣會降低低爐內(nèi)受熱面面的傳熱能力力。一般垃圾圾焚燒處理系系統(tǒng)受到結(jié)渣渣沾污后，水水冷壁、水冷冷管等換熱設(shè)設(shè)備的傳熱能能力降低；并并影響爐內(nèi)火火焰的狀態(tài)，除除爐膛出口煙煙溫相應(yīng)提高高；還可產(chǎn)生生堵塞現(xiàn)象，除除傳熱效率降降低，并提高高排煙溫度，降降低鍋爐運(yùn)行行經(jīng)濟(jì)性。在在傳熱作用減減弱的情況下下，為了維持持同樣的蒸發(fā)發(fā)量，就需要要消耗更多的的燃料，使送送引風(fēng)機(jī)負(fù)荷荷增設(shè)。由于于通風(fēng)設(shè)備容容量有限，加加之結(jié)渣情況況下容易發(fā)生生煙氣通道的的局部堵塞，可可能因引風(fēng)量量不足，燃燒燒室內(nèi)產(chǎn)生正正壓，限制鍋鍋爐出力。另另外，由于飛飛灰易粘結(jié)在在換熱器及其其它設(shè)備上，引引起過熱器沾沾污和腐蝕。由由于總的傳熱熱阻力增大，使使鍋爐可能無無法維持滿負(fù)負(fù)荷運(yùn)行，只只好增加回投投料量，引起起爐膛出口溫溫進(jìn)一步提高高，使灰渣更更容易粘在受受熱面上，形形成惡性循環(huán)環(huán)，導(dǎo)致一系系列鍋爐惡性性事故發(fā)生。在在高溫?zé)煔庾髯饔谜辰Y(jié)在水水冷壁或高溫溫過熱器上的的灰渣會與管管壁發(fā)生復(fù)雜雜的化學(xué)反應(yīng)應(yīng)，形成高溫溫腐蝕。結(jié)渣渣以后，為了了維持鍋爐出出力，增加入入爐燃料量而而通風(fēng)不足，燃燃燒不完全，一一些可燃物可可能被帶到對對流受熱面，在在煙道角落積積起來繼續(xù)，發(fā)發(fā)生煙道再燃燃燒現(xiàn)象，產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重的破破壞性后果。3灰渣的危害害及綜合利用用3.1灰渣對對環(huán)境的危害害在垃圾焚燒燒過程中，垃垃圾中有害元元素除有一部部分以氣相形形式逸出外，大大部分轉(zhuǎn)入飛飛灰和底渣中中。在垃圾灰灰渣處置和利利用過程中，可可能構(gòu)成一種種長期潛在的的環(huán)境污染源源。未能被除除塵器捕獲的的超細(xì)飛灰，是是大氣氣溶膠膠的組成部分分，吸入這些些顆粒將會在在肺中沉積，當(dāng)當(dāng)灰沉積呼吸吸系統(tǒng)中的鼻鼻，咽和支氣氣管通過纖毛毛運(yùn)動到達(dá)胃胃而被溶解。飛飛灰的吸入比比食入的危險險性更大因?yàn)闉槠渲苯舆M(jìn)入入血液而不通通過肝和腸。大大約25%被吸入灰粒粒沉積肺組織織中，這與其其在含灰環(huán)境境中所暴露的的時間是成正正比的。粒徑徑小于微米的的顆粒一般沉沉積在肺的肺肺泡區(qū)，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驅(qū)除，可可能是誘發(fā)癌癌癥的主要原原因。此外，這這部分飛灰在在垃圾廠附近近通過干沉降降或濕沉降落落到地表后，會會污染地表水水體及植被。被被除塵器捕獲獲的飛灰，若若采用濕排，飛飛灰中有害元元素會溶于沖沖灰水中，造造成污染。堆堆放在儲灰池池中的垃圾灰灰灰渣，因雨雨水淋濾，會會污染地表及及地下水。在在渣灰利用過過程中，如生生產(chǎn)建材制品品，仍會對周周圍環(huán)境產(chǎn)生生影響。3.2灰渣的的應(yīng)用前景垃圾焚燒后后，分散于垃垃圾有機(jī)質(zhì)中中的無機(jī)組分分在高溫后急急冷的熱動力力條件下，形形成主要成分分以及主要物物相內(nèi)儲存了了大量化學(xué)內(nèi)內(nèi)能，有大量量游離狀態(tài)的的Al2O3、SiO2及金屬氧化化物(K2O、Na2O、Fe2O3、CaO、MgO)存在；灰顆顆粒微細(xì)，比比表面積大，易易于與其它成成分反應(yīng)形成成新的物相。因因此，這些灰灰渣可作為重重要的無機(jī)非非金屬資源用用于建材、建建工、陶瓷、化化工等領(lǐng)域，廣廣泛用于建筑筑材料的生產(chǎn)產(chǎn)與建設(shè)工程程，今后仍將將是灰渣最主主要的利用途途徑。把焚燒燒垃圾灰再無無害化利用越越來越受到人人們的高度重重視。4結(jié)語城市垃圾焚焚燒后的殘?jiān)休^大的利利用潛力。研研究不同地域域、不同爐型型條件下的垃垃圾焚燒后的的灰渣特性，建建立灰渣的科科學(xué)體系，從從無序中找出出有序的規(guī)律律，為焚燒爐爐的正常運(yùn)行行提供科學(xué)的的保證，為灰灰渣的深度開開發(fā)利用及污污染防治提供供科學(xué)依據(jù)。5參考文獻(xiàn)1楊雄,,孫劍峰.生活垃圾處處理及其焚燒燒產(chǎn)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..

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