关于城市固体废物焚烧（MSWI）飞灰与煤粉灰高温共熔特性的研究：灰熔点和流动性

市政飞灰与煤飞灰共熔降低熔融温度至1190℃，改善流动性并形成玻璃态结构，热力学模拟显示煤飞灰加入可降低液渣形成温度并提高含量，非桥氧键增强重金属稳定性，残渣浸出毒性达标，实现无害化处置。

　　

何亚辉|陈帅|戴浩然|李月豪|李宇|王银峰|王磊|毕晓涛|朱月照

南京工业大学，中国江苏省南京市211816

摘要

高温熔化可以实现城市固体废物焚烧飞灰（FA）的无害处置和资源化利用。然而，熔化过程的性能需要进一步优化。降低灰熔点和提高流动性是实现熔化过程高效稳定运行的前提条件。本研究考察了FA与煤灰（CFA）混合物的熔化行为、流动特性和热力学特性。结果表明，添加CFA可以降低灰熔点，减少粘度，提高流动性，并促进玻璃化形成。CFA的添加使灰熔点降低了多达218°C，FA5CFA5混合物的性能最佳。FA5CFA5混合物的最适操作温度范围为1199~1390°C。CFA的添加在混合物中引入了硅酸盐骨架（Si-O-Si），使得FA5CFA5和FA3CFA7在1300°C时表现出玻璃态结构。热力学模拟证实，CFA的添加降低了液态渣的形成温度并增加了液态渣的含量。FA5CFA5体系中出现了镁铁矿、霞石和长石，这些成分促进了“熔化-溶解”过程。更重要的是，非桥接氧（NBO）键的形成增强了重金属的稳定性。熔化残渣中重金属的浸出毒性符合相关标准，表明FA与CFA的共处理可以实现无害处置。

引言

快速的城市化和人口增长导致了城市固体废物（MSW）产量的大幅增加。2022年，中国的MSW产量达到了2.44亿吨，年增长率约为10% [1]。城市固体废物焚烧（MSWI）已成为一种具有广阔前景且发展迅速的技术，能够将废物体积减少约90%，同时产生电力和热能 [2]。这种废物处理和能源回收的双重效益使得MSWI成为可持续城市发展的关键 [3]、[4]。截至2022年，中国已有近80%的MSW通过MSWI进行处理，且处理能力持续扩大 [5]、[6]。尽管MSWI可以减少废物的质量和体积，但它会产生MSW底灰（BA）和MSW飞灰（FA） [7]。在格栅炉中，BA和FA分别占总MSW质量的约25%-30%和2%-5% [8]、[9]、[10]。BA的污染相对较低，经过适当稳定处理后广泛用于建筑领域 [11]、[12]、[13]。然而，FA含有重金属（Pb、Cr、Cd、Zn、Cu、Ni）、可溶性氯化物和持久性有机污染物（如二噁英） [14]、[15]、[16]、[17]，因此被大多数国家归类为危险废物，需要采取规范的特殊处置措施。

鉴于FA含有大量有害物质，目前的常见处置方法包括化学稳定化 [18]、水泥固化 [19]、提取分离 [20] 和热化学处理 [21]。在现有的处置方法中，高温熔化是最全面的解决方案，具有显著的应用潜力，可以实现二噁英的完全分解、重金属的有效固定、大幅减量以及高效的资源回收 [22]、[23]。由于烟气控制系统添加了钙基脱硫剂，FA中含有大量钙，这可能导致其灰熔点（AFT）较高。灰熔点包括变形温度（DT）、软化温度（ST）、半球温度（HT）和流动温度（FT），是衡量灰熔性的标准指标。DT标志着熔化开始的时刻，此时灰锥开始变圆；ST表示灰锥熔化成与其宽度相等的球形块的温度；HT是灰形成半球时的温度；FT是灰完全熔化并能够自由流动的温度。这些温度对于预测熔渣行为、确定气化器的适宜操作温度以及确保熔渣顺畅排放以防止堵塞至关重要。高温熔化处理要求处理温度高于原材料的灰熔点，因此消耗大量能源。据统计，高温熔化处理1吨FA需要600-1000千瓦时的能量 [24]。

当前的研究重点是通过共熔化方法降低FA的灰熔点 [25]、[26]、[27]。Gao等人 [26] 添加了B₂O₃ 以降低FA的灰熔点并促进玻璃相的形成。当B₂O₃含量达到15%时，FA的流动温度降至986℃。Wong等人 [21] 开发了一种混合系统，通过研究FA与底渣之间的成分协同作用来降低灰熔点。他们的研究表明，FA与底渣的质量比为1:5时，灰熔点降至1190°C，比纯FA（1448°C）低258°C，比未经改性的底渣（1310°C）低120°C，显示出两种材料之间的显著共晶效应。Lin等人 [28] 发现，污泥中的SiO₂和Al₂O₃浓度较高时，能与FA中的Na₂O、MgO和CaO化合物发生反应，形成低熔点共晶组合物，从而显著降低灰熔点。Yang等人 [29] 研究了三种煤灰对MSWI飞灰熔化特性的影响，发现高Si含量的煤灰显著降低了FA的灰熔点。然而，尚未开展关于流动特性的研究。煤灰富含SiO₂和Al₂O₃，在中国火力发电厂的产量大且价格低，可用作调节FA熔点的合适添加剂 [29]、[30]、[31]。

迄今为止，大多数研究集中在添加剂对FA灰熔点的影响上。然而，灰的流动性也是一个重要的研究课题，因为它直接影响气化器中的熔渣排放。Dai等人 [32] 研究了残余碳对秸秆灰流动性的影响，实验结果表明，灰中残余碳含量的增加降低了熔渣的流动性。Wu等人 [33] 提出了一种新的测量方法，通过将灰加载到25°倾斜的刚玉板上直接观察熔融熔渣的流动情况。因此，FA及其添加添加剂（尤其是CFA）后的流动性对于FA的无害处置至关重要，但该领域的基础研究仍然较少。

本研究利用高温可视化平台，研究了城市固体废物焚烧飞灰（FA）与煤灰（CFA）共熔化的处理特性，建立了流动性与温度之间的关系。通过SEM、XRD、FT-IR和热力学模拟分析了熔化行为，并评估了玻璃化熔渣的浸出特性，以评估环境安全性。本研究为FA的安全处置和优化气化器设计提供了重要见解。

原材料特性

本研究使用的FA来自中国无锡的一家城市固体废物焚烧发电厂，CFA来自中国郑州的一家火力发电厂。样品预处理包括在105°C下研磨和干燥原料24小时以达到恒定重量，然后通过80目标准筛进行筛分，选取小于0.2毫米的颗粒用于实验。原料的灰成分通过相关方法进行了测定。

FA-CFA的灰熔点

灰熔点（DT、ST、HT和FT）是反映灰在加热过程中熔化行为的经验指标，受原材料成分的显著影响。

FA、CFA及其混合物的灰熔点曲线如图3所示。FA的DT~FT范围为1380°C至1408°C，表明FA在经历灰骨架变形后约在10°C开始软化，随后在不到20°C的温差内完成球形化并开始流动。

结论

本研究探讨了城市固体废物焚烧飞灰（FA）和煤灰（CFA）的高温熔融性和流动性，得出以下结论：

(1)

FA的灰熔点较高。添加CFA后，灰熔点最初降低，在FA5CFA5混合物中达到最低值，之后再次上升。FA5CFA5的流动温度（FT）为1190°C，比纯FA低218°C。

(2)

随着CFA添加量的增加，T_CFV先呈现下降趋势，随后

作者贡献声明

王磊：方法学研究。朱月照：资金筹集。毕晓涛：撰写、审稿与编辑、软件操作。李月豪：验证、资源管理。戴浩然：实验研究。陈帅：数据分析、数据整理。何亚辉：初稿撰写、实验研究、概念构建。王银峰：项目监督、行政管理、资金筹集。李宇：软件应用。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢中国江苏省高等教育机构自然科学基金（23KJA480003）的财政支持。