熔融固化技術

熔融固化(Melting)技術，是利用熱在高溫下把固態污染物(如污染土、城市垃圾、尾礦渣、放射性廢料等)熔化為玻璃狀或玻璃一陶瓷狀物質，藉助玻璃體的緻密結晶結構，確保固化體的永久穩定。污染物經過玻璃化作用後，其中有機污染物將因熱解而被摧毀，或轉化成氣體逸出，而其中的放射性元素和重金屬元素將被牢固的束縛於已固化的玻璃體內。

基本介紹

• 中文名：熔融固化技術
• 外文名：Meltingand solidification technology
• 別稱：玻璃化技術
• 優點：可以得到高質量的建築材料
• 缺點：耗能高
• 定義：固體廢物處理技術

目錄：

1.釋義

2.優缺點

3.分類

4.套用

釋義

熔融固化技術有人也稱之為玻璃化技術。該技術是將待處理的危險廢物與細小的玻璃質，如玻璃屑玻璃粉混合，經混合造粒成型後，在1000～1100℃高溫熔融下形成玻璃固化體，藉助玻璃體的緻密結晶結構，確保固化體的永久穩定。該技術的一種改型方法是將石墨電極埋到廢物之中，並在現場進行玻璃化。熔融固化技術能耗大、成本高，只有處理高劑量放射性廢物或劇毒廢物時，才考慮使用。

優缺點

熔融固化需要將大量物料加溫到熔點以上，無論是採用電力或是其他燃料，需要的能源和費用都是相當高的。但是相對於其他處理技術，熔融固化的最大優點是可以得到高質量的建築材料。因此，在進行廢物的熔融固化處理時，除去必須達到環境指標以外，應充分注意熔融體的強度、耐腐蝕性甚至外觀等對於建築材料的全面要求。同時，對於含特殊污染物的危險廢物(如石棉、含二噁英類等)或浸出毒性要求高的危險廢物(如含特殊重金屬類等)，在傳統的固化/穩定化技術無法達到控制標準的前提下，熔融固化技術也是最有效破壞或固化這些物質的技術手段。鑒於上述原因，熔融固化技術在固體廢物領域的套用越來越廣泛。

分類

根據熔融固化技術處理場所的不同，可把它分為兩類：原位熔融固化技術和異位熔融固化技術。根據使用熱源的不同，異位熔融固化技術又可分為燃料熱源熔融固化技術與點熱源熔融固化技術，在點熱源熔融固化技術中又以高溫電漿熔融固化技術受到廣泛關注和研究。

（1）原位熔融固化技術

原位熔融固化技術(通常也稱原位玻璃化處理技術)通常套用於被有機物污染的土地的原位修復，採用電能來產熱以融化污染土，冷卻後形成化學惰性的、非擴散的堅硬玻璃體技術。

通常情況下，原位熔融固化技術系統(ISV)包括電力系統、揮發氣體收集系統、逸出氣體冷卻系統、逸出氣體處理系統、控制站和石墨電極。把4個排列成方形的石墨電極(直徑4～5cm)插入到污染土中，讓電流(25kW，12.5—13.8kV)流經兩極間的土體，在高溫(通常1600～20000℃)的作用下，兩極間的土被熔化。電極間距一般為10m(最大間距12m)，插入土深最大深度6．6m，電極下端30cm裸露，處理速度一般為4～6t/h，耗電量約為每噸土800～1000kW·h。

操作時一般先把地表土熔化，然後把電極逐步向下移動，由淺到深直到把深部的污染土也熔化為止。在玻璃化過程中，有機污染物首先被蒸發，然後裂解成簡單組分，所產生的氣體逐漸通過黏稠的熔融體而轉移到表面，在此過程中，一部分溶解在熔融體中，另一部分則散於大氣中。而無機物的行為與此相似，一部分與熔融體發生反應，另一部分會被分解，例如硝酸根將被分解為氮氣和氧氣，重金屬則滯留在熔融體中。當污染土完全熔化、關閉電源後，熔化土就將冷卻形成玻璃態物質，外形酷似在自然界的玻璃化過程所產生的黑曜岩玻璃，而所使用的電極也成為了玻璃體的一部分留在其中。經過玻璃化後的污染土壤體積一般會縮小，導致處理場地的地面比原來稍微下陷，容積減少率在25%～50%左右。處理結束時可用乾淨土回填凹陷處。

污染土經過原位玻璃化處理後，其中的絕大部分有機污染物將因焚燒(熱氧化)而消失，但也有些有機物被熱解轉化為低分子量有機氣體逸出，揮發氣體收集系統收集並處理。

利用ISV技術處理受污染土地耗時大多為6個月至2年。時間的長短主要與需要處理的污染土的體積、污染物的含量和分布特徵、土壤含水量和處理標準等因素有關。

（2）異地熔融固化技術

異地玻璃化處理技術與原位玻璃化處理技術相似，其區別僅在於異地玻璃化處理時是把固體廢棄物運移到別處，並放到一個密封的熔爐中進行加熱的。根據其熱源的不同，可將其分為燃料源熔融技術和電熱源熔融技術，根據其使用的爐型又可以分為不同的種類。

①．燃料源熔融固化技術

以燃料作為熱源，將固體廢物投入燃燒器中，表面被加熱至1300～1400℃，有機物熱分解、燃燒、汽化，熔融的無機物轉化為無害的玻璃質熔渣，其中低沸點重金屬類物質轉移到氣體中，殘餘物質則被固定在玻璃質的基體中。熔融開始時，表面上部的熔渣以皮膜狀流動，因此稱表面熔融或薄膜熔融。由於爐內溫度要求高，燃料消耗量大，故應考慮設定熱能回收設施，以獲得較高的經濟效益。低沸點重金屬類以及鹼式鹽類，由於在爐內可揮發成氣體，所以要將其返送到焚燒爐設備的廢氣處理線或設定獨立的收集系統。

②．電熱源熔融固化技術

在玻璃熔爐中利用電極加熱熔融玻璃(1 000～1 300℃)作供熱介質，將廢物及空氣導入到熔融玻璃表面或內部，使廢物在高溫下分解並反應，廢氣流到後處理體系，殘渣被玻璃包裹並移出體系。 玻璃熔爐是一個有耐火材料襯裡的反應器，裝有熔融玻璃池；首先通過輔助加熱熔化玻璃，然後根據玻璃的化學性質用焦耳加熱方式使其保持熔融狀態(927~1 538℃)。用焦耳加熱方式，電流穿過浸入式電極問的熔融物料，由於存在電流和物料的阻力，能量傳給這些物料。根據溫度，電極可選用鉻鎳合金或鉬鐵合金。

套用

（1）熔融固化生產鑄石材料

鑄石是以某些天然岩石或某些工業廢渣為原料，經過配料、熔融、成型結晶和退火等工藝過程所製成的一種新型工業材料，具有很高的耐磨損和耐腐蝕性能。除去天然岩石以外，在國內外早已使用各種工業廢渣作為生產鑄石的原料。例如，每生產1t鐵大約會產生0．6t高爐礦渣。經驗表明，採用酸性高爐礦渣可以作為良好的鑄石原料。對於製備單純要求耐磨、而對於耐化學腐蝕無特殊要求的鑄石，甚至可直接使用熱熔酸性高爐礦渣直接澆注而無須重新配料。，又如在冶煉矽錳合金時產生的矽錳渣，冶煉鉬鐵合金時產生的鉬鐵渣，目前已經成為污染防治重點的鉻渣，以及火力發電廠燃煤所產生的粉煤灰等，均已經被成功地用於鑄石的生產。很明顯，在鑄石生產方面的絕大部分經驗，可以直接移植到工業廢物和危險廢物的穩定化處理當中，並形成可觀的經濟收益。

（2）利用熔融固化技術處理被有機物污染的土壤

在國外已經進行過套用玻璃固化技術來穩定被有機物污染的土壤的研究與中等規模試驗。其過程是用電力將土壤加熱到熔融狀態。當電流通過土壤時，溫度會逐漸達到土壤的熔點，在熔融狀態下，土壤的導電性和熱傳導性提高，從而使得熔融過程加速進行。可以在地表面設定一層玻璃和石墨的混合物以啟動土壤的加熱過程，兩個電極之間的最大距離為5～6m。當電流一旦通過土壤，則熔融區將逐漸向下擴展，其最大深度可達到約30m，熔融體的總量可以達到1 000t左右。熔融體的顆粒外形酷似於在自然界的玻璃化過程所產生的黑曜岩玻璃。在玻璃化過程中，有機污染物首先被蒸發，然後裂解成為簡單組分，所產生的氣體逐漸通過粘稠的熔融體而移動到表面，在此過程中，一部分溶解在熔融體中，另一部分則散失於大氣中。為防止大氣受到污染。應收集所有釋放的氣體，並處理到排放標準。1 600℃— 2000℃的高溫將保證分解所有的有機污染物。對無機物而言其行為與此相似，它們一部分與熔融體發生反應，另一部分會被分解，例如硝酸根將被分解為氮氣和氧氣。

土壤的空隙率可能在一個很大的範圍內變化，通常處於20%～40%之間。在熔融過程中，原有的固體物質轉變為液相，而原有的全部液相和氣相物質均揮發出去，所以在逐步冷卻後總體積有一定的減小。這與大部分穩定化技術所導致的的增容效果是相反的。