大型垃圾焚烧炉的垃圾灰渣熔点特性研究

引言

垃圾焚烧发电作为城市固废处理的核心技术之一，其灰渣熔点特性直接影响焚烧炉的运行效率与设备寿命。灰渣熔点过低易导致炉膛结渣、烟道堵塞，熔点过高则增加设备磨损与能耗。本文基于国内外研究成果，系统分析垃圾灰渣的化学组成、熔融机理及环境影响，为焚烧炉设计与运行优化提供理论依据。

一、垃圾灰渣的化学组成与分类

1.1 灰渣的物理形态与成分

垃圾焚烧产生的灰渣主要分为两类：

• 炉渣：由燃烧室底部和炉排间排出的残渣构成，占灰渣总量的80%～90%。其主要成分为SiO₂（15%～25%）、CaO（10%～20%）、Al₂O₃（5%～10%）、Fe₂O₃（5%～8%）及少量MnO、MgO等金属氧化物，同时含有未燃尽有机物、废金属及玻璃陶瓷碎片。

• 飞灰：由烟气净化系统捕集的细颗粒物构成，占比约0.5%～1%。其成分以CaCl₂、KCl、NaCl等氯化物及硫酸盐为主，重金属（如Zn、Pb、Cu）含量高达3%～5%，并吸附有二噁英等剧毒有机物。

1.2 灰渣的熔点特性差异

• 炉渣熔点：受SiO₂/Al₂O₃比值及CaO含量影响显著。当SiO₂含量在15%～25%时，熔点随含量增加而降低；CaO含量在5%～25%时，灰渣熔点随CaO增加而显著下降。

• 飞灰熔点：因含高浓度Cl元素（如NaCl、KCl），熔点较炉渣更低。研究表明，飞灰在1050℃时已发生软化，较煤灰低约200℃，且易在低温下形成粘性沉积物。

二、灰渣熔融特性的影响因素

2.1 酸性氧化物与碱性氧化物的交互作用

• 酸性氧化物（SiO₂、Al₂O₃、TiO₂）：其含量增加通常提高灰渣熔点，但需结合硅铝比（SiO₂/Al₂O₃）综合分析。例如，炉渣中SiO₂/Al₂O₃比值为3.4时，熔点显著低于理论值，因形成Ca₂Al₂SiO₇等低温共熔体。

• 碱性氧化物（CaO、MgO、Fe₂O₃）：CaO含量在5%～25%时，灰渣熔点随其增加而降低；MgO含量在3%～20%时，亦呈现类似趋势。

2.2 氯元素的催化作用

氯元素（Cl）通过促进碱金属迁移至颗粒表面，形成易挥发的氯化物（如KCl、NaCl），显著降低灰渣熔点。实验表明，飞灰中Cl含量与灰渣沉积速率呈正相关，导致焚烧炉“喉口”部位严重结渣。

2.3 硅铝比与碱酸比的影响

• 硅铝比（SiO₂/Al₂O₃）：该比值越低，灰渣熔融温度越高。例如，炉渣SiO₂/Al₂O₃为3.4时，熔点低于飞灰（SiO₂/Al₂O₃=3.1），因炉渣中CaO含量更高，形成更多低温共熔体。

• 碱酸比（B/A）：当B/A接近1时，灰渣熔点最低。炉渣与飞灰的B/A分别为0.8、0.4，前者更易结渣。

三、灰渣熔融过程的矿物学演变

3.1 渣层结构与物相分布

以大渣块为例，其内部物相分布呈现显著梯度：

• 内表层（壁侧）：以高熔点石英（SiO₂）为主，伴生钙黄长石（Ca₂Al₂SiO₇）、钙硅石（CaSiO₃）及赤铁矿（Fe₂O₃）。

• 中间层：Ca₂Al₂SiO₇与斜辉石等低温共熔体增多，石英含量减少。

• 外表层（火侧）：镁黄长石（Ca₂MgSi₂O₇）、锌黄长石（CaV₂ZnSiO₇）及锥辉石（NaFe[SiO₃]₂）成为主导相，熔点进一步降低。

3.2 低温共熔体的形成机制

在SiO₂-Al₂O₃-CaO三元相图中，Ca₂Al₂SiO₇与钙长石等含钙化合物易形成1170℃和1265℃的低温共熔体。此类共熔体在远低于灰渣理论熔点的温度下即可发生局部熔融，导致矿物质颗粒粘连，最终形成大块结渣。

四、灰渣熔点特性对焚烧炉运行的影响

4.1 结渣与积灰的危害

• 炉膛结渣：灰渣熔点过低时，未燃尽颗粒在炉膛高温区熔融，粘附于水冷壁或过热器表面，导致传热效率下降、局部过热甚至爆管。

• 烟道积灰：飞灰中的氯化物在低温换热器表面沉积，形成粘性积灰层，增加烟道阻力，迫使风机能耗上升。

4.2 运行参数的优化策略

• 温度控制：炉膛温度应严格控制在850～950℃，避免飞灰过早软化。

• 气氛调节：通过二次风喷射优化氧量分布，防止局部还原性气氛降低灰渣熔点。

• 添加剂应用：掺入高岭土等Al₂O₃源材料，可提升灰渣硅铝比，抑制低温共熔体形成。

五、灰渣的资源化利用与风险控制

5.1 炉渣的综合利用

• 金属回收：通过破碎-筛分-磁选工艺，可回收炉渣中5%～8%的废金属（如铁、铜、铝）。

• 建材生产：炉渣经预处理后可用于制作免烧砖，替代30%～50%的天然骨料，降低碳排放。

5.2 飞灰的无害化处理

• 水泥固化：将飞灰与水泥混合固化，使重金属稳定化，浸出浓度符合《生活垃圾填埋场污染控制标准》。

• 热处理：通过熔融玻璃化技术，将飞灰转化为玻璃态物质，实现二噁英的彻底分解与重金属的永久固化。

六、结论与展望

大型垃圾焚烧炉的灰渣熔点特性受化学组成、气氛条件及矿物学演变的多重影响。未来研究需聚焦于：

1. 灰渣熔融特性的动态模拟：建立基于机器学习的灰渣熔点预测模型，实现焚烧炉运行参数的实时优化。

2. 新型添加剂的开发：研发兼具助熔与稳定化功能的复合添加剂，同步解决结渣与重金属污染问题。

3. 灰渣资源化技术的创新：探索炉渣在3D打印材料、陶瓷基复合材料等领域的高值化应用路径。

通过多学科交叉研究，可推动垃圾焚烧技术向更高效、更环保的方向发展，助力“无废城市”建设目标的实现。