爐排式垃圾焚燒爐爐內(nèi)結(jié)渣特性及形成機(jī)理研究

爐排式垃圾焚燒爐爐內(nèi)結(jié)渣特性及形成機(jī)理研究

垃圾焚燒燒燒廠積灰結(jié)渣的研究進(jìn)展由于垃圾焚燒在減少、減少和回收方面具有獨特的特點，越來越多的國家和地區(qū)采用焚燒法處理垃圾。其中,爐排爐由于其處理垃圾量大,對垃圾變化特性變化適應(yīng)性強(qiáng),為此受到世界各國,特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家的廣泛青睞。目前國內(nèi)一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市的垃圾焚燒廠多采用引進(jìn)國外的爐排爐技術(shù)設(shè)備,但運(yùn)行幾年來,實際情況并不理想,積灰結(jié)渣問題十分嚴(yán)重。一些學(xué)者和工程人員對垃圾在焚燒處理時的積灰結(jié)渣進(jìn)行了大量的研究,獲得了許多有意的結(jié)果,但因結(jié)渣是一個及其復(fù)雜的理化過程,迄今為止,對其形成機(jī)理還沒有徹底弄清。本文主要對爐排式垃圾焚燒爐渣樣進(jìn)行物相分析,并通過平衡計算與實際的物相進(jìn)行比較,同時還分析了渣樣各層元素分布及微區(qū)形貌,為減輕垃圾焚燒爐結(jié)渣提供理論參考,并為進(jìn)一步尋找實踐中可行的防結(jié)渣方法奠定基礎(chǔ)。1能譜分析結(jié)果所研究的結(jié)渣渣樣,為南方某廠焚燒爐現(xiàn)場取樣,渣樣取自前后拱處形成的‘喉口’部位。在弱還原性氣氛下測定垃圾灰渣的熔融特性溫度,并利用X射線熒光光譜儀和X射線衍射儀對垃圾灰渣進(jìn)行成分和物相分析,同時沿渣層厚度方向?qū)ζ溥M(jìn)行了能譜分析,掃描間距為3mm,從而獲得各元素的分布情況,此外,在做能譜分析的過程中,還對渣樣進(jìn)行了掃描電鏡分析,以了解各層的相貌特點。灰渣成份分析如表1所示,從表1可以看出,灰渣中主要含Si、Ca、Al、Fe、Na和K等元素,其中渣塊中SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3含量達(dá)85.77%,ZnO、BaO、MnO、CuO、PbO的含量在灰渣中都低于1%。而熔融特征溫度中,DT為1161℃、ST為1165℃、HT為1167℃、FT為1173℃,變形溫度不到1200℃,變形溫度與流動溫度之差小于20℃。2渣特征分析2.1煤灰顆粒主要熱遷移特性焚燒爐“喉口”部位嚴(yán)重結(jié)渣,影響焚燒爐的正常運(yùn)行。半定量XRD物相分析結(jié)果如圖1～圖3所示,圖1為大渣塊內(nèi)表層XRD分析圖譜(壁側(cè)),圖2為大渣塊外表層XRD分析圖譜(火側(cè)),圖3為大渣塊中間層XRD分析圖譜。關(guān)于灰渣中存在的物相,一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)其主要物相有:硅酸鹽(鈣黃長石、斜灰石、透輝石)、氧化物(石英,赤鐵礦等)以及一些鹽類(氯化物和硫酸鹽)。大渣塊的內(nèi)層為灰渣形成的初始階段,非常薄,主要與灰顆粒的熱遷移有關(guān),由圖1～圖3可以看出,大渣塊內(nèi)表層(壁側(cè))含有的主要晶相以石英(SiO2)為主,并出現(xiàn)鈣黃長石(Ca2Al2SiO7)和鈣硅石(Ca2SiO4)以及部分的赤鐵礦(Fe2O3)。大渣塊外層(火側(cè))含有的主要晶相以鎂黃長石(Ca2MgSi2O7)和鋅黃長石(Ca2ZnSiO7)為主,石英(SiO2)較多,并含有鈣硅石(Ca2SiO4)和錐輝石(NaFe[SiO3]2)。大渣塊中間層含有的主要晶相以鈣黃長石(Ca2Al2SiO7)和普通輝石(Ca(Mg,Fe,Al)[(Si,Al)2O6])為主,并含有少量的石英(SiO2)和鈣硅石(Ca2SiO4)。在SiO2-Al2O3-CaO三元相圖上鈣黃長石和鈣長石等含鈣化合物間容易形成1170℃和1265℃的低溫共熔化合物,從而使煤灰熔點顯著降低。以上說明隨著渣層增厚,到中間層,低熔點共熔體(鈣黃長石和斜輝石形成)增多,單晶體減少,灰渣最外層共熔體和單晶體都較多,但以共熔體為主。對渣塊來說,從中間層到外層(火側(cè)),低熔點的形成主要與CaO、Al2O3共熔物呈增加趨勢,雖然石英、赤鐵礦、鈣硅石等物質(zhì)的熔點較高,但在爐內(nèi)高溫環(huán)境下以含鈣化合物形成的低熔點共熔物為主,從而造成喉口部位嚴(yán)重結(jié)渣。以上說明,大渣塊形成與CaO、Al2O3/MgO/ZnO、SiO2等反應(yīng)生成的鈣化合物形成的低熔點共熔物相的存在有關(guān)。2.2堿土石中礦物的平衡采用Factsage中的Equilib模型來計算爐內(nèi)灰渣隨溫度變化其物相生成變化規(guī)律。由于原始垃圾中的有機(jī)及無機(jī)成份難以取得數(shù)據(jù),且有機(jī)成份可以燃燒,結(jié)渣主要受無機(jī)成份影響,所以直接用渣樣中的無機(jī)物成份代替。將渣樣的無機(jī)成份輸入,在1.01×105Pa,不同溫度下的計算結(jié)果與渣樣中的物相進(jìn)行比較。取100g灰樣為計算基準(zhǔn)。初始輸入數(shù)據(jù)如表2所示。計算結(jié)果比較如表3所示,從表中可知,從800～900℃,灰渣物相中主要含有鈣鋁榴石、鈣鐵榴石以及硅鈣與鈉鉀形成的化合物。隨著溫度升高,鈣鋁榴石生成量基本不變,鈣鐵榴石減少,在800℃時,鈣鐵榴石生成量是900℃的1倍,說明在低溫情況下,鐵更易于和硅鈣結(jié)合成化合物。800℃時,灰渣中含有鎂的化合物CaOMgOSiO2和鎂橄欖石,溫度增加,則主要生成透輝石(MgOCaOSi2O4)。800℃時,Na基化合物為Na2Ca3Si6O16,當(dāng)反應(yīng)溫度超過850℃時,Na基化合物以Na2Ca2Si3O9存在。鉀基化合物在800～850℃時,以KAlSiO4鉀霞石存在,900℃以上時,則生成白榴石。反應(yīng)方程式如下:3CaO+Al2O3+3SiO2=Ca3Al2Si3O12(鈣鋁榴石)(800～950℃)3CaO+Fe2O3+3SiO2=Ca3Fe2Si3O12(鈣鐵榴石)(800～950℃)MgO+CaO+2SiO2=MgOCaOSi2O4(透輝石)(>850℃)Na2O+2CaO+3SiO2=Na2Ca2Si3O9(>850℃)CaO+MgO+SiO2=CaOMgOSiO2(800～950℃)KAlO2+SiO2=KAlSiO4(鉀霞石)(800～850℃)KAlO2+2SiO2=KAlSi2O6(白榴石)(900～950℃)由表3可知,平衡計算的物相以石榴石類物相為主,而實際爐渣灰樣中大渣塊含有的主要晶相以石英(SiO2)為主,并出現(xiàn)鈣黃長石(Ca2Al2SiO7)、鎂黃長石(Ca2MgSi2O7)、鋅黃長石(Ca2ZnSi2O7)和鈣硅石(CaSiO3)以及部分的赤鐵礦(Fe2O3)。爐內(nèi)實際反應(yīng)時間和速率的限制,以及溫度和組分梯度的局部條件都會影響物相的生成。不管是實際中生成的物相還是平衡計算的結(jié)果,物相都以硅酸鹽為主。而對于硅酸鹽系統(tǒng)來說,由于一般硅酸鹽物質(zhì)即使在高溫熔融時粘度也相當(dāng)大,反應(yīng)也相當(dāng)慢,因此實際上很難達(dá)到平衡狀態(tài),這就是實際渣樣中黃長石類物相存在的原因,再加之有些物相并未反應(yīng)完全,也會使SiO2、Fe2O3等存在。研究表明,鈣鋁榴石(Ca3Al2Si3O12)在1080℃分解,變?yōu)殁}長石和鈣黃長石,鈣鐵榴石(Ca3Fe2Si3O12)約于1050℃熔解。由于爐膛內(nèi)燃燒的不穩(wěn)定性,在爐膛高溫區(qū),溫度會超過1000℃,從而很容易使熔點較低的石榴石類物相分解或熔融。2.3能譜分析方法在焚燒爐內(nèi)選取代表性渣樣,然后縱向剖開并進(jìn)行拋光處理,沿剖面厚度方向逐點做能譜分析和掃描電鏡分析,掃描間距為3mm,從而獲得各元素的分布情況以及微觀形貌,其中還對渣樣的內(nèi)表面進(jìn)行了能譜分析。表4列出了渣樣內(nèi)表面的元素含量及整個渣層厚度方向各元素的平均含量。2.3.1鋁渣中硅鈣和鋁硅礦等礦物元素組成Si、Al、Ca是垃圾渣中的主要成份,因此對結(jié)渣的影響很大。由圖4可知,渣塊樣品中Si、Ca的分布趨勢幾乎是完全相同的,表明硅鈣元素比Si/Ca基本保持一定值,在整個渣層厚度上,硅含量高于鈣,且整體呈現(xiàn)先增后減的趨勢,說明在灰渣沉積物中存在著由硅鈣或其它元素形成的穩(wěn)定物質(zhì)。Al則呈現(xiàn)先增后降的趨勢,在整個渣層上,硅、鈣含量高于鋁。在約6mm的厚度處鋁平均含量達(dá)到最大,說明除了形成其它的化合物外,還主要形成鋁的硅鈣化合物。前人研究表明,硅的化合物在爐內(nèi)高溫環(huán)境下經(jīng)過一系列變化可能變成極細(xì)的霧狀SiO2,然后沉積與管壁粗糙不平的針狀物之間,形成直徑約0.2μm的微細(xì)顆粒,其外表面往往包有凝結(jié)的堿金屬氧化物,堿金屬化合物與硅、鋁的化合物會形成易熔的共晶體,在受熱時形成有粘性的灰層,促進(jìn)灰層很快增厚,并將繼續(xù)粘合積聚撞擊上來的飛灰顆粒,大大促進(jìn)灰粒的沉積和積灰結(jié)渣得形成。垃圾渣中含有大量的Si、Al、Ca元素,Na含量較少,主要形成硅鋁鈣鹽。2.3.2渣層對樣品總含量的影響Fe形成的化合物通常具有較低的熔點,在結(jié)渣中起著非常重要的作用。在內(nèi)層含量較多,隨著渣層增厚,含量穩(wěn)定,同時會出現(xiàn)局部的含量增多,到外層含量減少。這說明Fe在初始層的形成起著主要作用,同時有一定的富集。2.3.3初始階段溫度和時間對化合物k-ras-pcr的影響Na、K的含量相對較少,但在結(jié)渣中起了不可忽視的作用。Na在內(nèi)層含量較高,中間層較少,到外層又有較多Na出現(xiàn)。K與Na在內(nèi)層與中間層具有相似的分布,在外層K含量增加,高于內(nèi)表面,Na則略有降低。在初始階段,溫度較低Na、K主要形成易于凝結(jié)沉積的化合物NaCl、KCl、Na2SO4等。從內(nèi)層到中間層,Mg、Ti含量較穩(wěn)定,到外層,都有所增加,Mg、Ti對結(jié)渣的影響較小。2.3.4s和cl的分布由于S、Cl在渣樣中的含量很少,加之儀器所限,S、Cl的分布無法測出。這主要是因為Cl形成氯化鈣、氯化鈉、氯化鉀揮發(fā)的結(jié)果,S則是由硫酸鈣分解形成SO3排出的結(jié)果。2.4普遍存在的微區(qū)形貌對樣品各層局部微區(qū)進(jìn)行SEM分析,可發(fā)現(xiàn)表面微區(qū)有各種形貌,或呈團(tuán)狀,或呈條狀,或呈針狀。不同形態(tài)微區(qū)的譜圖及元素分布是有一定差異的。圖5是渣樣普遍存在的微區(qū)形貌。由掃描電鏡照片圖5(a)可見,在針狀物周圍,既有熔成球形的大顆粒,也有呈白色的球狀小顆粒,整個微區(qū)發(fā)生了燒結(jié),說明該處溫度較高。由EDS譜圖可知,無論是團(tuán)狀物還是針狀物,都含有較多的Si、Al、Ca元素,其中針狀物中還有較多的Na、K、Fe沉積。3灰渣沉積成巖物質(zhì)組成(1)對渣塊來說,從中間層到外層(火側(cè)),低熔點共熔物呈增加趨勢,其中CaO、Al2O3/MgO/ZnO、SiO2等反應(yīng)生成的鈣化合物形成的低熔點共熔物相的存在是灰渣形成的主要原因。(2)由平衡計算可知硅鈣與鋁、鐵、鎂、鈉、鉀形成的化合物是沾污結(jié)渣的主要因素,灰渣物相中主要