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熔融固化技术是目前较为先进的垃圾焚烧飞灰处理方法。在高温熔融过程中，飞灰中的有机物、部分重金属及无机盐受热时，会以气体的形式挥发出去，这就使得尾气处理复杂化，增加了尾气处理的负荷，提高了飞灰熔融固化的处理成本。因此，很多研究者围绕着如何降低残渣熔融温度来抑制重金属和无机盐的挥发做了大量的研究工作。例如Donald等2利用氯酸盐作为助熔剂将灰渣熔融温度降低到1000℃，而且对重金属（Zn，Cd，Pb和Cu）的固化效果较好。陈德珍3研究证实废玻璃，硼砂，CaF2，B2O3，CaCl2都能不同程度地降低飞灰的熔融温度和挥发率。但目前研究较多的添加剂是SiO2，例如Young等4认为飞灰中加入SiO2助熔剂有利于飞灰的熔融渣玻璃体的形成，增加玻璃体的化学稳定性和机械性能；Polettini5等认为在飞灰烧结过程中添加较高比例的SiO2可以增加玻璃体的粘制性，阻碍挥发性物质的挥发。然而，关于飞灰高温熔融处理中添加SiO2对飞灰熔融特性的影响的研究报道不多。
笔者主要研究了在飞灰中添加SiO2对熔融过程的影响，重点考察了SiO2添加量（用w(SiO2)表示）飞灰熔融温度、挥发率以及几种重金属固定率的影响，进而为评价添加SiO2对飞灰熔融的作用提供依据。而添加SiO2对熔融渣中重金属的浸出特性的影响将另文论述。
1材料与方法
1.1实验材料
选用上海某生活垃圾焚烧厂布袋除尘器飞灰，飞灰粒径主要集中在106～250μm之间，灰样呈灰色，pH为12.45，用阿基米德法测定飞灰密度为2.80kg/m3。飞灰的化学组成见表1。飞灰中的Cd，Cr，Cu，Pb和Zn的质量分数分别为98，471，1223，5118和6214mg/kg。
表1飞灰中的化学成分% 
1.2实验及分析检测方法
将SiO2粉末(分析纯)与飞灰按一定比例混匀后，在105℃下干燥8h，达恒重后保存待用。将60g飞灰装入250mL的刚玉坩锅中，实验时，首先将高温炉升温至设定温度，将准备好的2个平行样放入炉膛内，迅速关上炉门，使炉温恒定在设定温度60min，然后打开炉门，取出坩锅，在空气中自然冷却后保存供分析用。收集处理后的熔融渣的重金属含量采用FIinnigan MAT电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）分析测定。
2结果与讨论
2.1添加量对飞灰熔融温度和挥发率的影响
图1为SiO2添加量对飞灰熔融温度和挥发率的影响。由图1可见，随着SiO2添加量的增加，飞灰的挥发率和熔融温度呈下降趋势，w(SiO2)分别为1%和10%的熔融温度相差大约70℃，挥发率相差20.7%；另外，从熔融温度曲线可以看出，随着添加量的增加飞灰的熔融温度几乎呈直线平稳下降，说明SiO2的添加量对飞灰熔融温度的影响较明显；从挥发率曲线可以看出，挥发率从w(SiO2)为1%时的34.7%降低到w(SiO2)为3%时的22%，降低幅度较大，此后挥发率的降低较为平缓。可见，添加SiO2可以降低飞灰的熔融温度，同时减少飞灰的挥发量。 SiO2含量的增加有利于玻璃颗粒中液相的产生，质点的迁移速度更快，从而使熔融加速，同时SiO2能与CaO形成硅灰石（β-CaSiO3），从而降低飞灰的熔融温度。w(SiO2)为3%温度降低明显，可能是由于在这个范围内有大量β-CaSiO3形成的原因；另一方面，飞灰的熔融温度降低，使得挥发性物质的挥发受到抑制，因而也降低了飞灰的挥发率。而且SiO2的加入增加了玻璃体结构对飞灰中挥发性物质尤其是重金属的束缚，降低了飞灰的挥发率。
2.2添加量对挥发率的影响
图2为不同温度下，SiO2添加量对飞灰挥发率的影响。由图2可见，当温度为1250℃，w(SiO2)为1%～3%时挥发率降低明显，当w(SiO2)高于3%后，挥发率降低幅度很小；当温度为1300和1350℃时，随着添加量的增加挥发率的降低较为平缓，这说明在较低的温度下，添加SiO2可以加强挥发性成分的束缚；较高温度时，这些被束缚的物质又将重新分解挥发，因此当处理温度较高时，仅从减少挥发量方面来说，大量添加SiO2不能达到目的。
图2SiO2添加量对飞灰挥发率的影响
2.3添加SiO2对飞灰熔融过程重金属固定率的影响
图3显示了w(SiO2)为5%时飞灰和原灰在熔融过程中重金属Cu，Zn，Pb和Cd固定率的变化规律。由图3可以看出，在飞灰熔融过程中，添加SiO2对各种重金属迁移规律的影响差别较大，总体看来，添加SiO2对Pb的固定率影响较大，1350℃时，可将固定率提高11.8%，而对Cu和Cd的作用效果并不明显。在研究的几种重金属中Zn的固定率最高，这同其他研究的结论相似6，但研究中发现，在高温下飞灰中加入SiO2使得Zn挥发加快，其固定率明显低于无添加剂的灰渣，即添加SiO2减少了重金属Zn的固定率，出现这种情况的原因有待进一步研究。
2.4添加量对固定率的影响
飞灰熔融处理一般在较高的温度下进行，图4为不同添加量对处理温度为1250和1300℃时重金属固定率的影响。实验发现，当w(SiO2)不小于3%时，飞灰的流动温度不低于1250℃，飞灰均已经熔化且流动性较好。从图4可以看到，随着SiO2添加量的增加几种重金属的固定率变化不大；而同一种重金属在不同的处理温度下，固定率差别很大。这说明，高温下，温度是影响重金属的固定率的主要因素，而过多地添加SiO2对重金属的固化无明显效果。
图3不同处理温度下添加5% SiO2对熔融渣中几种重金属固定率的影响
图4SiO2添加量对熔融渣中几种重金属固定率的影响
3结论
在飞灰中添加一定比例的SiO2，可以降低飞灰熔融温度，减少挥发性物质的挥发，从而减少尾气处理负荷；同时，添加一定比例的SiO2对飞灰中的重金属Pb固定率的影响较大，对Cu和Cd的影响较小，反而能加快重金属Zn的挥发，降低了其固定率；在较高的处理温度下，温度是影响重金属固定率的主要因素，大量添加SiO2既不能达到减少飞灰挥发率的目的，也不能增加重金属的固化效果。
参考文献：略
