以天然矿物材料为添加剂进行热等离子体熔融生活垃圾焚烧飞灰玻璃化无害化的实验研究

The accumulation of heavy metals and dioxins in MSWI fly ash signify its regulations as hazardous waste and harmless treatment. In China，the mainstream treatment method using cement solidification implies mass increase and safety landfill. Therefore, the research on an effective treatment to stabilize heavy metals and degrade dioxins is of significance nationwide as it also contributes to waste minimization. Thermal plasma is the technology to fulfill that standard which is also characterized as of high temperature and high energy density. Using self-developed double-anode double-inflow plasma torch, our project was to verify its effectiveness in MSWI fly ash vitrification. Since heavy metals and dioxins are two most important pollutants in MSWI fly ash, our studies were targeted towards their feature changes during vitrification as well as the role of natural mineral materials play as additives. Based on theoretical analysis, various experiments were conducted and focused on the impact of additives on the MSWI fly ash vitrification process, on the heavy metals transfer characteristics and on the dioxins degradation characteristics. The findings of this research showed that our alternative technical route to treat MSWI fly ash is effective, harmless and promising.

生活垃圾焚烧飞灰因富集重金属及二噁英类等毒性污染物被归类为危险废物，必须进行无害化处理。研究一种重金属稳定和二噁英类降解效果好、减量减容显著、无需填埋的飞灰无害化技术至关重要且符合我国危废处置的切实需求。热等离子体因其高温高能量密度特性，是一种极为彻底高效的危废处理方法，本项目利用自主开发的双阳极-双进气热等离子体炬，开展以天然矿物材料为添加剂的热等离子体熔融飞灰玻璃化研究。鉴于重金属和二噁英类的毒性危害及其作为飞灰中主要污染源的因素，研究熔融过程中重金属迁移特性和二噁英类的降解特性，以及合理选择添加剂以减少重金属排放、降低熔渣中重金属浸出并提高二噁英类的降解率，具有重要意义。本项目重点研究天然矿物材料对飞灰玻璃化的影响规律、及对重金属迁移特性和二噁英类降解特性的影响规律，以实现飞灰中二噁英类的高效降解和重金属的高效稳定化为目的，最终为实现飞灰的无害化处理探索出一条高效可行的技术路线。

在我国生活垃圾的处理技术中，焚烧占据越来越重要的地位，焚烧为主填埋为辅将是我国生活垃圾处理未来的趋势。生活垃圾焚烧产生的生活垃圾焚烧飞灰具有多重毒性且颗粒小、灰质蓬松极易飞扬，属于危险废物，成为困扰垃圾焚烧行业发展的难题，垃圾焚烧飞灰的无害化处理及资源化利用研究至关重要。本项目开发建成了处理量50 kg/h的热等离子体熔融实验系统和小型热等离子体熔融实验装置，基于该系统开展了以天然矿物材料为添加剂进行热等离子体熔融生活垃圾焚烧飞灰玻璃化无害化的实验研究，掌握天然矿物材料对飞灰玻璃化的影响规律和机理，认识热等离子体熔融过程中重金属迁移特性和二噁英降解特性，获得适合于飞灰玻璃化的最佳的天然矿物材料配伍机理及最佳配比方案。研究表明本项目所采集的飞灰热等离子体熔融玻璃化的最佳配比方案为添加10%的天然石英砂，飞灰经热等离子体熔融生成以Si-Ca-O（Na）体系为主的玻璃态熔渣，飞灰的减容率约为66% - 76%，飞灰固化率约为70.17% - 85.53%，二噁英降解率在98.71% - 100%之间。玻璃态熔渣的重金属浸出浓度、二噁英含量及Cl含量均满足《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范（试行）》（HJ1134-2020）6.3条中的规定，可根据规范规定进一步进行资源化利用。通过大量的基础研究和中试试验研究，获得了丰富的热等离子体技术熔融处理生活垃圾焚烧飞灰的理论基础和实验经验，实现了二噁英的高效降解和重金属的高效稳定化，验证了利用热等离子体熔融玻璃化生活垃圾焚烧飞灰的可行性，实现了飞灰熔融玻璃化无害化的目的，为生活垃圾焚烧飞灰的处理提供了一条可以实现“无害化、减量化、资源化”的技术路径，从而解决生活垃圾焚烧领域的一大行业痛点，为规模化工业应用推广和大型化危废处置项目运行提供坚实的理论依据与指导。