热等离子体技术在熔化城市固体废物焚烧飞灰中的应用：模拟与实验

《Waste Management》：Application of thermal plasma technology for melting municipal solid waste incineration fly ash: simulation and experiment

　　

王若楠|朱涛|崇旭阳

山东科技大学安全与环境工程学院，中国青岛市，266590

摘要

热等离子体技术在处理城市固体废物焚烧（MSWI）产生的飞灰方面具有高效性和环保性。然而，其高能耗限制了其大规模工业应用。基于一个处理能力为5吨/天的热等离子体炉，本研究探讨了该热等离子体炉在低能耗条件下的运行情况以及去除有毒污染物的机制。建立了一个三维欧拉-拉格朗日多相模型来优化热等离子体处理MSWI飞灰的运行条件。仿真结果表明，当MSWI飞灰的入口速度为3米/秒、熔融层高度低于200毫米且飞灰粒径约为160微米时，MSWI飞灰的逸出率显著降低，耐火材料的腐蚀程度最小化，同时熔融效率最大化。这些因素共同有助于节省能源并降低运行和处理成本。实验验证表明，数值模拟在监测热等离子体炉中MSWI飞灰的熔融过程方面非常有效。重金属浸出实验和多氯二苯并-p-二噁英及二苯并呋喃（PCDD/Fs）的浓度分布显示，MSWI飞灰中的重金属被固化在惰性熔渣中，导致浸出浓度较低；而PCDD/Fs则被脱氯和分解，去除率超过99%。这些结果为热等离子体技术在处理MSWI飞灰方面的工业应用提供了宝贵的见解，旨在降低能耗、降低成本并提高效率。

引言

近年来，焚烧技术逐渐取代了卫生填埋技术，成为中国处理城市固体废物的主要方法（Nanda和Berruti，2021年）。城市固体废物焚烧（MSWI）不仅可以减少90%的体积和70%的重量，所产生的热量还可以用于发电（Hjelmar，1996年；Huang等人，2022年；Khan等人，2022年）。然而，MSWI会产生大量飞灰，其中含有高浓度的重金属和多氯二苯并-p-二噁英及二苯并呋喃（PCDD/Fs）（Chen等人，2008年；Xiao等人，2023年）。这些有害物质有可能渗入周围环境，对生态系统和人类健康构成威胁（Luo等人，2019年）。因此，MSWI飞灰被归类为危险废物，必须进行适当处理（Lin等人，2022年；Wang等人，2023年）。

热等离子体技术因其对环境的影响最小、废物减量显著以及资源回收潜力而被广泛认为是处理MSWI飞灰的最佳技术（Gomez等人，2009年；Huang等人，2022年；Pei等人，2020年；Sikarwar等人，2020年）。热等离子体产生的强烈辐射和热能将MSWI飞灰加热到足够高的温度，使其熔化并在冷却后形成惰性玻璃熔渣（Ni等人，2012年；Tu等人，2008年）。在热等离子体的高温（>1300°C）下，PCDD/Fs被降解，重金属被固化在玻璃熔渣中，这些熔渣可用作建筑材料等（Jung等人，2004年；Zeng等人，2019年）。据报道，热等离子体技术可将MSWI飞灰的体积和重量分别减少68.7%至82.2%和23.8%至56.7%，熔渣中的重金属浸出浓度低于标准值（Ma等人，2017年）。此外，几乎所有MSWI飞灰中的PCDD/Fs在热等离子体处理后都被分解（Wang等人，2010年）。热等离子体处理MSWI飞灰产生的熔渣也具有很高的利用价值（Cheng等人，2007年；Yang等人，2014年；Yang等人，2010年）。

然而，热等离子体的能耗高于传统的稳定化/固化方法、水泥固化方法或水泥窑协同处理方法（Gomez等人，2009年）。传统方法通常在较低或中等温度下运行，能耗较低，但无法实现完全玻璃化或持久性地破坏PCDD/Fs（Liang等人，2023年；Lin等人，2022年）。尽管热等离子体的单位质量能耗较高，但其无害性、体积减少和资源利用率远优于传统方法，更适合需要严格控制危险废物的场景。

然而，热等离子体处理MSWI飞灰技术存在一些问题，如能耗高、对工艺理解不足、安装和运行成本高以及需要特殊耐火材料，这些因素阻碍了其工业应用（?arnogurská等人，2015年；Sikarwar等人，2020年）。一些学者通过添加SiO₂等添加剂来调整碱度，从而降低MSWI飞灰的熔点，从而减少了热等离子体的能耗（?arnogurská等人，2015年；Kuo等人，2008年；Ma等人，2021年）。此外，一些研究探索了将MSWI飞灰与其他危险废物协同处理以提高熔渣的价值（Huang等人，2014年；Ma等人，2021年；Zeng等人，2019年）。还进行了洗涤预处理，以减少MSWI飞灰中的可溶性盐分，从而减轻熔化过程中重金属的挥发和耐火材料的腐蚀（Chiang和Hu，2010年；Ma等人，2017年；Wang等人，2021年；Zhao等人，2017年）。

随着计算机技术的快速发展，计算流体动力学（CFD）在热等离子体反应器的设计、分析和优化中得到了越来越多的应用。Fiedler等人（Fiedler等人，2004年）对热等离子体反应器内的气相进行了三维CFD建模，以提高医疗废物热处理的转化率和能耗。他们展示了速度、温度和停留时间分布的结果，并与运行过程中的图像进行了定性比较。Zhang等人（Zhang等人，2013年）建立了一个二维欧拉-欧拉多相模型，研究了城市固体废物在等离子体气化熔化反应器中的气化特性，并根据仿真结果提出了空气和蒸汽气化的最佳条件。Hirka等人（Hirka等人，2017年）使用Ansys Fluent开发了一个三维数值模型，研究了不同直径的木颗粒在等离子体反应器中的气化参数，揭示了颗粒直径对气化效率、合成气产生和反应器内温度不均匀性的影响。Yan等人（Yan等人，2022年）使用欧拉-拉格朗日方法对等离子体熔化炉中的气-固两相流动进行了数值模拟，得出结论：为了成功参与熔化反应并有效避免与石墨阴极的碰撞侵蚀，飞灰应被制成颗粒状。显然，CFD可以用于优化热等离子体处理固体废物过程中的各种参数，更深入地理解反应过程，预测和指导实验现象，并节省人力、材料和财务资源。

本研究基于一个热等离子体熔化MSWI飞灰的中试装置，开发了一个三维气-固两相模型。获得了MSWI飞灰在炉内的运动轨迹和加热过程，并优化了热等离子体技术处理MSWI飞灰的运行条件。此外，炉内等离子体与MSWI飞灰的温度场为耐火材料的选择提供了参考，模拟的准确性通过现场数据得到了验证。最后，分析了重金属的浸出特性和PCDD/Fs的分布，并评估了热等离子体炉熔化MSWI飞灰的性能。本研究为降低热等离子体技术在MSWI飞灰处理中的能耗和运行成本提供了新的思路。

章节片段

材料

本研究中使用的MSWI飞灰样本来自山西省太原市某废物焚烧电厂的袋式过滤器，该电厂的焚烧炉类型为循环流化床。该电厂的日处理能力为1000吨城市固体废物（MSW）。输入的MSW中包含50%至60%的食品废物、12%至18%的塑料、10%至15%的纸张和纺织品、3%至5%的木材、竹子、橡胶和皮革，以及5%至10%的其他材料。

MSWI飞灰入口速度的影响

MSWI飞灰的入口速度决定了其到达等离子体炉底部的停留时间和位置，进而影响其与流体的动量传递，进而影响流体速度分布。图2显示了不同入口速度下MSWI飞灰的轨迹，刻度尺表示MSWI飞灰颗粒的温度。可以看出，当入口速度增加时，MSWI飞灰到达等离子体炉底部的距离

结论

本研究通过CFD研究了MSWI飞灰的入口速度、熔融层高度和颗粒大小对热等离子体处理过程中飞灰熔化性能的影响，并提出了最佳运行条件。入口速度对MSWI飞灰的逸出率有显著影响，选择3米/秒的入口速度可以大大降低处理后的成本。熔融层高度的增加会加剧MSWI飞灰的腐蚀

CRediT作者贡献声明

王若楠：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件开发，方法论研究。朱涛：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论研究。崇旭阳：实验研究，数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发项目（项目编号：2023YFC3905503）和山东省博士后科学基金（项目编号：SDCX-ZG-202302024）的支持。