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(dú)特的特點(diǎn)，越來(lái)越多的國(guó)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(duì)垃圾變化特性變化適應(yīng)性強(qiáng),為此受到世界各國(guó),特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家的廣泛青睞。目前國(guó)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(guó)外的爐排爐技術(shù)設(shè)備,但運(yùn)行幾年來(lái),實(shí)際情況并不理想,積灰結(jié)渣問(wèn)題十分嚴(yán)重。一些學(xué)者和工程人員對(duì)垃圾在焚燒處理時(shí)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(gè)及其復(fù)雜的理化過(guò)程,迄今為止,對(duì)其形成機(jī)理還沒(méi)有徹底弄清。本文主要對(duì)爐排式垃圾焚燒爐渣樣進(jìn)行物相分析,并通過(guò)平衡計(jì)算與實(shí)際的物相進(jìn)行比較,同時(shí)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(shí)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(chǎng)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(cè)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(duì)垃圾灰渣進(jìn)行成分和物相分析,同時(shí)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(guò)程中,還對(duì)渣樣進(jìn)行了掃描電鏡分析,以了解各層的相貌特點(diǎn)?；以煞莘治鋈绫?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(dòng)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X(jué)RD分析圖譜(壁側(cè)),圖2為大渣塊外表層X(jué)RD分析圖譜(火側(cè)),圖3為大渣塊中間層X(jué)RD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(zhǎng)石、斜灰石、透輝石)、氧化物(石英,赤鐵礦等)以及一些鹽類(lèi)(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(zhǎng)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(zhǎng)石(Ca2MgSi2O7)和鋅黃長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)石和鈣長(zhǎng)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(diǎn)顯著降低。以上說(shuō)明隨著渣層增厚,到中間層,低熔點(diǎn)共熔體(鈣黃長(zhǎng)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(duì)渣塊來(lái)說(shuō),從中間層到外層(火側(cè)),低熔點(diǎn)的形成主要與CaO、Al2O3共熔物呈增加趨勢(shì),雖然石英、赤鐵礦、鈣硅石等物質(zhì)的熔點(diǎn)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(diǎn)共熔物為主,從而造成喉口部位嚴(yán)重結(jié)渣。以上說(shuō)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(diǎn)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(lái)計(jì)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(wú)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(wú)機(jī)成份影響,所以直接用渣樣中的無(wú)機(jī)物成份代替。將渣樣的無(wú)機(jī)成份輸入,在1.01×105Pa,不同溫度下的計(jì)算結(jié)果與渣樣中的物相進(jìn)行比較。取100g灰樣為計(jì)算基準(zhǔn)。初始輸入數(shù)據(jù)如表2所示。計(jì)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(shí),鈣鐵榴石生成量是900℃的1倍,說(shuō)明在低溫情況下,鐵更易于和硅鈣結(jié)合成化合物。800℃時(shí),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(shí),Na基化合物為Na2Ca3Si6O16,當(dāng)反應(yīng)溫度超過(guò)850℃時(shí),Na基化合物以Na2Ca2Si3O9存在。鉀基化合物在800～850℃時(shí),以KAlSiO4鉀霞石存在,900℃以上時(shí),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(jì)算的物相以石榴石類(lèi)物相為主,而實(shí)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(zhǎng)石(Ca2Al2SiO7)、鎂黃長(zhǎng)石(Ca2MgSi2O7)、鋅黃長(zhǎng)石(Ca2ZnSi2O7)和鈣硅石(CaSiO3)以及部分的赤鐵礦(Fe2O3)。爐內(nèi)實(shí)際反應(yīng)時(shí)間和速率的限制,以及溫度和組分梯度的局部條件都會(huì)影響物相的生成。不管是實(shí)際中生成的物相還是平衡計(jì)算的結(jié)果,物相都以硅酸鹽為主。而對(duì)于硅酸鹽系統(tǒng)來(lái)說(shuō),由于一般硅酸鹽物質(zhì)即使在高溫熔融時(shí)粘度也相當(dāng)大,反應(yīng)也相當(dāng)慢,因此實(shí)際上很難達(dá)到平衡狀態(tài),這就是實(shí)際渣樣中黃長(zhǎng)石類(lèi)物相存在的原因,再加之有些物相并未反應(yīng)完全,也會(huì)使SiO2、Fe2O3等存在。研究表明,鈣鋁榴石(Ca3Al2Si3O12)在1080℃分解,變?yōu)殁}長(zhǎng)石和鈣黃長(zhǎng)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(huì)超過(guò)1000℃,從而很容易使熔點(diǎn)較低的石榴石類(lèi)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(kāi)并進(jìn)行拋光處理,沿剖面厚度方向逐點(diǎn)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(duì)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(gè)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(duì)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(shì)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(gè)渣層厚度上,硅含量高于鈣,且整體呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),說(shuō)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(shì),在整個(gè)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(shuō)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(guò)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(huì)形成易熔的共晶體,在受熱時(shí)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(lái)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(duì)樣品總含量的影響Fe形成的化合物通常具有較低的熔點(diǎn),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(shí)會(huì)出現(xiàn)局部的含量增多,到外層含量減少。這說(shuō)明Fe在初始層的形成起著主要作用,同時(shí)有一定的富集。2.3.3初始階段溫度和時(shí)間對(duì)化合物k-ras-pcr的影響Na、K的含量相對(duì)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(duì)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(wú)法測(cè)出。這主要是因?yàn)镃l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(duì)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(jiàn),在針狀物周?chē)?既有熔成球形的大顆粒,也有呈白色的球狀小顆粒,整個(gè)微區(qū)發(fā)生了燒結(jié),說(shuō)明該處溫度較高。由EDS譜圖可知,無(wú)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(duì)渣塊來(lái)說(shuō),從中間層到外層(火側(cè)),低熔點(diǎn)共熔物呈增加趨勢(shì),其中CaO、Al2O3/MgO/ZnO、SiO2等反應(yīng)生成的鈣化合物形成的低熔點(diǎn)共熔物相的存在是灰渣形成的主要原因。(2)由平衡計(jì)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