粉煤灰双热源熔炉中的相平衡与液相体积控制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Phase equilibrium and liquid phase volume control in dual heat source melting furnaces for fly ash

　　

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  双热源熔融技术减少了粉煤灰处理中的含盐水废水和能源消耗。
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  相平衡表明，富钙灰位于单氧化物区域，而熔渣位于α-Ca₂SiO₄区域。
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  在1300-1700 °C下，钙熔融；氯、硫和碱金属挥发；重金属固化。
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  在R=1.2时，气相和液相在>1500 °C下仍存在，可实现通用富钙灰熔融。
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  中试试验证实了较低的熔点和工程应用的玻璃质熔渣。

引言

生活垃圾焚烧产生的粉煤灰是典型的危险废物。其年产量巨大，且富含氯化物、重金属和二噁英等有毒有害物质[1], [2]。目前，焚烧粉煤灰管理的主流方法仍然是固化或稳定化后填埋[3], [4], [5]。然而，该方法的占比正在迅速下降。此外，由于重金属在填埋后容易浸出，且二噁英等有害物质无法有效处理，因此这并非粉煤灰管理的可持续方法[6], [7], [8]。此外，水泥窑协同处置、玻璃化和水洗分盐等处理方法也在快速发展[9], [10], [11]。在这些方法中，粉煤灰熔融可以完全分解二噁英，固化金属，并显著减少体积。它被认为是粉煤灰无害化处置和资源回收的首选工艺之一。然而，该行业面临的主要挑战是其高昂的成本[12], [13]。

目前，工业上广泛采用"水洗脱氯后高温熔融"的方法来减轻可溶性氯的不利影响[14], [15], [16]。然而，这种方法会导致高盐水废水的二次污染、处理成本上升以及氯资源的浪费等问题[17], [18], [19]。此外，由于粉煤灰水洗后含水量高，可能导致熔融炉结焦和腐蚀，以及给料不稳定。另外，预清洗、干燥和高温熔融相关的电力消耗也显著增加了工艺能耗[20], [21], [22]。因此，开发了一种双热源粉煤灰熔融技术。结合下游工艺中二次粉煤灰的低温煅烧，该技术可以在长期运行过程中去除累积的残留二噁英，同时固化某些累积的重金属，从而将危险废物转化为一般固体废物[23], [24]。然而，目前对于不同类型粉煤灰的相平衡共性规律和工艺优化方法仍缺乏系统研究。现有研究主要集中于单一粉煤灰体系，利用基础热力学计算来考察碱度和温度等参数对熔融特性的影响[25], [26]。一些研究人员还通过添加各种助熔剂（如SiO₂、CaO和B₂O₃）来降低熔融温度，促进玻璃相的形成并抑制重金属的挥发[27], [28], [29]。JUNYA[30]等人构建了CaO-Al₂O₃-SiO₂三元相图，发现在碱度介于0.9和1.0之间时熔融温度最低。然而，目前的研究普遍缺乏定量的热力学支持，尚未建立起不同体系间相平衡的通用规律。此外，多组分体系中液相含量与熔体粘度的关联机制，以及碱度对熔融温度和流动性的定量调控作用，仍然不够明确。对于宽温度范围（1300°C-1700℃）内元素的热力学转化规律缺乏系统分析，难以直接指导无水洗熔融工艺的参数设计。

本文研究了不同类型的粉煤灰和熔融熔渣，系统地比较了其相平衡特性的差异，并阐明了碱度调控熔融行为的定量机制。研究确定了宽温度范围内元素的热力学转化规律，并在此基础上进行了双热源粉煤灰熔融实验，以验证热力学计算结果的科学有效性。这些发现为设计优化一种无需预水洗的高钙粉煤灰直接熔融工艺提供了全面的理论支持，并为粉煤灰的低成本、低二次污染和环境友好处置提供了科学依据。

章节摘要

工艺介绍

双热源粉煤灰熔融技术的具体工艺流程如图1所示。从垃圾发电厂收集的粉煤灰首先送至粉煤灰储存筒仓，在其中与适量比例的助熔剂充分混合，以确保混合物保持适当的碱度，然后送入粉煤灰熔融炉。熔融炉使用天然气作为燃料，炉内温度维持在约1300°C-1500°C。该

不同类型粉煤灰的相平衡和熔融特性

两种不同组成的粉煤灰和熔融熔渣在多组分相图上表现出一定的差异，这直接影响加热后熔体的行为。同时，它们的相平衡模式和熔融行为也表现出明显的特征，尽管两者都以系统中高含量的CaO为主。不同类型粉煤灰和熔融熔渣样品的多组分相图如图4所示。

基于组成

结论

本研究选取了不同组成的粉煤灰和熔融熔渣，对其相平衡特性的差异进行了对比分析，揭示了碱度对熔融性能的定量调控机制，并阐明了宽温度范围内元素的热力学转化规律。基于这些发现，进行了中试规模的实验，进一步验证了热力学计算的

CRediT作者贡献声明

李清海：监督。 周辉：调查。 别轩：软件。 易志成：写作——审阅与编辑，调查。 沈要宗：写作——初稿。 张彦国：概念化。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由清华大学-丰田联合研究基金（20253930017）资助。

披露声明

作者未报告任何潜在的利益冲突。

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