城市垃圾焚燒爐內灰渣的性質及結渣機理初探
摘要 : 介紹了城市垃圾焚燒灰渣基本的物理化學性質，初步探討了垃圾焚燒處理中的積灰、結渣形成的機理，為焚燒爐的正常運行提供科學的保證，為灰渣的深度開發利用及污染防治提供科學依據。
關鍵詞：垃圾焚燒,殘渣結渣機理,再利用
1 垃圾焚燒殘渣的基本性質
為了正確地處理、管理城市垃圾焚燒后的灰渣，應全面了解這些灰渣的物理和化學性質，如灰渣的粒徑大小分布、表面積、形態、密度、組成及化學性質等。
1.1垃圾焚燒殘渣的化學組成
垃圾焚燒后灰燼的基本化學組成見表1。
表1 垃圾焚燒后灰燼的化學基本組成 （％）化學成分
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1.2城市垃圾焚燒殘渣
城市垃圾焚燒后的殘渣主要包括飛灰和底渣。根據Ontiveros J L , Clapp T L and Kosson D S等人的研究，將垃圾焚燒爐的飛灰按粒徑分為7檔：〈 20μm，20～41μm，42～60μm，61～110μm，111～149μm，150～230μm， 〉230μm。粒徑大于230μm的，主要是焦炭的薄片, 焦炭片越少，顆粒燃燒得越完全，它與第2次供風有密切的關系。對顆粒的密度和表面積進行分析，測量表明：飛灰密度的大小可表明物料的燃燼性，密度越大燃燼性越好；飛灰的密度越大則有更大的表面積，灰表面積隨粒徑的減小而增大，這種現象與爐的效率或裝置的收集效率有關。通過分析灰的固體總揮發度可考察各個組成未燃燼的情況。城市垃圾焚燒飛灰最多的顆粒主要是黑色和白色顆粒，形狀包括扁平和園狀型的，成渣結塊時也有球型的，然而，球型的粒子不太多。Taylor用碎海綿、卷紙狀、畫板狀等詞語來描述垃圾焚燒飛灰的形狀。通過電子掃描圖可見飛灰晶型結構的形成， Cahill and Newland 等人用揮發富集理論來解釋，鋁和硅的氣化溫度比焚燒溫度高，因而成為其他揮發元素的晶核。Furuya等人分析得到飛灰顆粒為CaSO4型。但Ontiveros J L, Clapp T L and Kosson D S等人對飛灰樣品的研究表明，它們的晶體結構除了CaSO4型之外，還有可能有NaCl 或KCl型。底渣主要是碎玻璃、金屬殘片、石子、灰粉和結塊的渣。
1.3垃圾焚燒殘渣與二次污染控制技術
廢棄物焚燒過程中，不可避免地產生HCl、SOx、NOx、CO等無機污染物，同時可能還會產生苯并芘、苯并蒽、二惡英等有機物和Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Ni等痕量重金屬污染。因此，凈化集塵裝置和凈化過濾集塵裝置是垃圾焚燒過程中的關鍵配套系統。其常用裝置有機械集塵裝置，用于從氣體中分離出粒徑約為20～30μｍ以上的顆粒；靜電除塵器，用于捕集小至0.5μm左右的微細粒子；袋式過濾器，用于除去1μｍ以下的粒子，同時也對去除 PCDD效果最好。另外，為了脫氯脫硫，在850～1050℃的爐溫范圍內，通常會向爐內噴入磨碎的氫氧化鈣、氫氧化鎂、醋酸鈣、醋酸鎂、醋酸鎂鈣、甲酸鈣、丙酸鈣或苯甲酸鈣等吸收劑。為了減少 PCDD的生成，在焚燒爐余熱鍋爐前噴氨，由于氨與氯的結合能力強于前驅物與氯的結合能力及噴氨可以使合成 PCDD的催化劑失去催化作用。因此，垃圾焚燒所采取的一系列控制二次污染的技術，都極大地影響灰渣的物理形態和化學性質。
1.4垃圾焚燒灰中金屬的分布及化學性質
了解飛灰中金屬的粒徑分布情況對其形成機理和管理很重要。Kaufherr和Lichtman研究發現：鋁、鉀、鎂和鐵金屬的粒徑變化不大。Hansen和Fisher的研究發現：鈦、鈉、鉿、釷和碳飛灰的硅鋁母體有聯系。Cahill和Newland得出在爐膛中高揮發點的物質作為核晶的理論。因此鋁、硅和鎂是形成飛灰的晶核，沸點低的物質易揮發并濃縮為飛灰顆粒。鉛和鈣由于易揮發而堆積在金屬的表面。對每個粒徑區間的飛灰金屬含量進行分析，一般來說它們的金屬含量都隨粒徑的減小而增大，大多數金屬都有這種趨勢，只是鋁、鎂、鋇、鐵、鎳、鉀受粒徑的影響不太大，因為這些元素是灰的晶核。對每個粒徑的灰表面積進行比較，隨著顆粒的減小，增加的表面積更有利于富集。鋁、鎂、鋇、鐵、鎳、鉀、鉻和鉛這些核元素的含量并不隨粒徑變小而有太大的變化。但其它元素的含量卻隨粒徑的減小有一個顯著的變化。在大多數情況下，這種變化是呈線性的。鉀、鈉、鈣、鎳在飛灰上比較在底渣上更容易沉積。在相同的工廠中，金屬在灰中的分布是不同的，如鐵在底渣中的含量遠遠高于飛灰中的含量，鋁、鋇、鉻、銅和鉛在飛灰和底渣中的含量基本上是均等的。用水相提取的方法可把灰溶解在水中的陰、陽離子的種類分開。可用物質和電荷平衡的原理來測量它們的存在形式，結果表明鉀和鈉主要以氯鹽的形式存在，但也以硫酸鹽的形式的存在，鈣主要是以硫酸鹽形式存在。
2積灰和結渣對垃圾焚燒爐的影響
2.1積灰、結渣的形成
爐管壁面的積灰、結渣是一種普遍現象，在爐膛內火焰中心處的溫度高，燃料中的灰分大多呈熔化狀態，而在爐管壁附近的煙溫則較低，一般在接觸受熱面時已凝固，沉積在壁面上成疏松狀，就形成積灰；如果煙氣中的灰粒在接觸壁面時仍呈熔化狀態或粘性狀態，則粘附在爐管壁上形成緊密的灰渣層，就形成了結渣。結渣主要由煙氣中夾帶的熔化或部分熔化的顆粒碰撞在爐墻、水冷墻或熔融的沉淀物形式出現在輻射受熱面上。如水冷壁、水排管、過熱器排管等。造成鍋爐結渣的主要原因是灰份的成份及其熔點。垃圾焚燒形成結渣由于灰層的形成和惰性氣體的比例增加、氧化劑穿透灰層進入物料深部與可燃物進行反應也愈困難, 整個反應減弱。溫度比焚燒段有所下降，這就是燃盡階段的到來，直到整個剩余可燃質燒盡。然而，焚燒生活垃圾在主焚燒階段，當物料溫度較高時，在料層底部會形成大量的焦塊，其尺寸大的長度可達800～1000mm，厚度一般都有200mm)左右。它使下部送風受到阻礙，燃燒減緩。垃圾燃盡后形成的渣塊尺寸松散，小尺寸(＜100mm)占全部灰渣的比例約為20％,可能與以下2個因素密切相關，一是因為垃圾成分中有大量的低熔點物質，如塑料、橡膠等各種高分子化合物，加上垃圾中含有大量的煤渣、塵土、碎玻璃陶片等。當垃圾進入主焚燒階段時，各種高分子化合物就軟化縮合，將大量的灰分粘在一起，形成大的塊狀混合物；二是這種成團的縮合物，在燃燒過程中，供氧不充分，可能處于還原或半還原氣氛中，這就使無機物灰渣溶點降低，從而形成在底部灰層中的結渣。
垃圾鍋爐爐膛火中心溫度一般可達1000℃，燃料中的灰份大多呈熔化狀態，而四周水冷壁附近煙溫較低，如果煙氣中攜帶的灰粒在接觸壁面時仍呈熔化或粘性狀態，則會逐漸粘附在管壁上形成緊密的灰渣層。焚燒鍋爐結焦由許多復雜的因素引起，如爐內空氣動力場、爐型、燃燒器布置方式及結構特性，垃圾的尺寸等都將影響爐內結焦狀況。保證空氣和燃料的良好混合，避免在水冷壁附近形成還原性氣氛，合理而良好的爐內空氣動力工況是防止鍋爐內結的前提。
2.2垃圾焚燒爐結渣機理的探討
鍋爐結渣是個很復雜的物理化學過程,它涉及物料的燃燒、爐內傳熱、傳質、物料的潛在結渣傾向、灰粒子在爐內運動以及灰與管壁間的粘附等復雜過程,至今還沒有能定量描述結渣過程的數學模型。
筆者試著從灰粒輸運機理及在爐壁、管壁上的粘接和結聚長大成灰渣的機理探討結渣機理。
灰顆粒的輸運主要有氣相擴散、熱遷移、慣性遷移。對于尺寸很小顆粒和氣相灰分，費克擴散、小粒子的布朗擴散和湍流旋渦擴散是重要的輸運方式。對稍大的顆粒,是以熱遷移的方式輸運。熱遷移是由于爐內溫度梯度的存在而使小粒子從高溫區向低溫區運動。研究表明熱遷移是造成灰分沉積的重要因素之一。對于較大的灰粒,慣性力是造成灰粒向水冷壁面輸運的重要因素。當含灰氣流轉向時,具有較大慣性動量的灰粒離開氣流而撞擊到爐的水冷壁面。灰粒撞擊水冷壁面的概率取決于灰粒的慣性動量、所受阻力、在氣流中的位置以及氣流速度。
灰渣在管壁上沉積存在兩個不同的過程：一個為初始沉積層的形成過程, 初始沉積層為化學活性高的薄灰層, 它是由尺寸十分小的灰顆粒組成。主要是由揮發性灰組分在水冷壁上冷凝和微小顆粒的熱遷移沉積共同作用而形成，由于粘附以及與管子的化學反應而生成的非常牢固的覆蓋層。初始沉積層中堿金屬類和堿土金屬類硫酸鹽含量較高,這些微小的顆粒由范德瓦爾力和靜電力保持在管壁上，并與管壁金屬反應生成低熔點化合物，強化了微小顆粒與壁面的連接。初始沉積層具有良好的絕熱性能，它的形成使管壁外表面溫度升高。另一個沉積過程為較大灰粒在慣性力作用下沖擊到管壁的初始沉積層上，當初始沉積層具有粘性時，它捕獲慣性力輸運的的灰顆粒，并使渣層厚度迅速增加。由于初始沉積層主要是由揮發分灰組分的冷凝及微小顆粒的熱遷移而引起，因而從工程角度考慮，很難防止初始沉積層的形成。造成爐內結渣迅速增加，并對鍋爐安全運行構成威脅的主要因素是慣性沉積。由慣性輸送的灰粒在初始沉積層上的粘接除與初始層的性質有關外，還與撞擊灰粒的溫度高底有關，當撞擊灰粒的溫度很高，呈溶融狀液態時，很容易發生粘接，使結渣過程加劇。灰渣層的厚度通常是不均勻的，它與爐膛的結構、燃燒中心位置、空氣動力特性、爐膛溫度特性及燃料的物理化學性質有關。在爐膛的不同位置，灰渣的厚度和結構將有很大的差別。
垃圾焚燒與一般燃料 (重油、煤、天然氣 )燃燒相比，垃圾發熱值低而含水量高，質地相當低劣；焚燒過程極為復雜，氣、液、固體多項反應混合發展，多孔介質中的傳遞、同相和異相間傳遞交互發生，并受晶界過程、電化學過程和應力演變過程等多重因素的影響；另外，由于垃圾形狀不均，質量隨季節、年代和地區而變化，相應的熱值變化幅度較大，結果焚燒過程中煙氣溫度和成分波動也很大。所以，垃圾焚燒環境中發生的結渣比一般燃料燃燒過程中更復雜，有待于進一步探討。
2.3結渣現象的危害性
結渣會降低爐內受熱面的傳熱能力。一般垃圾焚燒處理系統受到結渣沾污后，水冷壁、水冷管等換熱設備的傳熱能力降低；并影響爐內火焰的狀態，除爐膛出口煙溫相應提高；還可產生堵塞現象，除傳熱效率降低，并提高排煙溫度，降低鍋爐運行經濟性。在傳熱作用減弱的情況下，為了維持同樣的蒸發量，就需要消耗更多的燃料，使送引風機負荷增設。由于通風設備容量有限，加之結渣情況下容易發生煙氣通道的局部堵塞，可能因引風量不足，燃燒室內產生正壓，限制鍋爐出力。另外，由于飛灰易粘結在換熱器及其它設備上，引起過熱器沾污和腐蝕。由于總的傳熱阻力增大，使鍋爐可能無法維持滿負荷運行，只好增加回投料量，引起爐膛出口溫進一步提高，使灰渣更容易粘在受熱面上，形成惡性循環，導致一系列鍋爐惡性事故發生。在高溫煙氣作用粘結在水冷壁或高溫過熱器上的灰渣會與管壁發生復雜的化學反應，形成高溫腐蝕。結渣以后，為了維持鍋爐出力，增加入爐燃料量而通風不足，燃燒不完全，一些可燃物可能被帶到對流受熱面，在煙道角落積起來繼續，發生煙道再燃燒現象，產生嚴重的破壞性后果。
3灰渣的危害及綜合利用
3.1灰渣對環境的危害
在垃圾焚燒過程中，垃圾中有害元素除有一部分以氣相形式逸出外，大部分轉入飛灰和底渣中。在垃圾灰渣處置和利用過程中，可能構成一種長期潛在的環境污染源。未能被除塵器捕獲的超細飛灰，是大氣氣溶膠的組成部分，吸入這些顆粒將會在肺中沉積，當灰沉積呼吸系統中的鼻，咽和支氣管通過纖毛運動到達胃而被溶解。飛灰的吸入比食入的危險性更大因為其直接進入血液而不通過肝和腸。大約25%被吸入灰粒沉積肺組織中，這與其在含灰環境中所暴露的時間是成正比的。粒徑小于微米的顆粒一般沉積在肺的肺泡區，50%~80%的微量元素都吸附在那里。因其表面往往富集有害元素，呼吸到肺部后不易驅除，可能是誘發癌癥的主要原因。此外，這部分飛灰在垃圾廠附近通過干沉降或濕沉降落到地表后，會污染地表水體及植被。被除塵器捕獲的飛灰，若采用濕排，飛灰中有害元素會溶于沖灰水中，造成污染。堆放在儲灰池中的垃圾灰灰渣，因雨水淋濾，會污染地表及地下水。在渣灰利用過程中，如生產建材制品，仍會對周圍環境產生影響。
3.2灰渣的應用前景
垃圾焚燒后，分散于垃圾有機質中的無機組分在高溫后急冷的熱動力條件下，形成主要成分以及主要物相內儲存了大量化學內能，有大量游離狀態的Al2O3、SiO2 及金屬氧化物 (K2O、Na2O、Fe2O3、CaO、MgO)存在；灰顆粒微細，比表面積大，易于與其它成分反應形成新的物相。因此，這些灰渣可作為重要的無機非金屬資源用于建材、建工、陶瓷、化工等領域，廣泛用于建筑材料的生產與建設工程，今后仍將是灰渣最主要的利用途徑。把焚燒垃圾灰再無害化利用越來越受到人們的高度重視。
4 結語
城市垃圾焚燒后的殘渣有較大的利用潛力。研究不同地域、不同爐型條件下的垃圾焚燒后的灰渣特性，建立灰渣的科學體系，從無序中找出有序的規律，為焚燒爐的正常運行提供科學的保證，為灰渣的深度開發利用及污染防治提供科學依據。
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