英文原题：Ultrafast carbothermal process of municipal solid waste incineration fly ash for purification and valuable elements recovery
通讯作者：王昕晔，南京师范大学；蒙海宁，江苏镇江建筑科学研究院集团股份有限公司
作者：Tengfei Zheng, Huizhen Wang, Rencheng Zhou, Xinye Wang, Changqi Liu, Hao Xie, Feifei Zhou and Haining Meng
近日，南京师范大学能源与机械工程学院王昕晔副教授等开发了一种用于城市生活垃圾焚烧飞灰的净化和有价元素回收的超快碳热工艺，可在0.03秒内升温至3600℃，实现飞灰的净化及有价元素的回收。与传统碳热处理相比，能耗仅为1/110，反应器体积仅为1/1920。
垃圾焚烧飞灰中含有重金属和二噁英，危害人体健康和自然环境。热处理可以有效净化飞灰，但由于能耗高和煅烧时间长而未被广泛应用。本文报道了一种超快碳热工艺，可在0.03秒内将飞灰加热至3600°C，实现飞灰的净化及有价元素的回收。经过一次超快碳热，二噁英的去除率达到99.91%，净化后的飞灰符合浸出标准。经过三次超快碳热，重金属去除率分别达到了：锌71%、铅86%、铜71%、砷62%、汞100%、镉93%、镍70%。此外，超快碳热工艺还通过分解飞灰中的CaClOH促进了水洗脱氯的效果。挥发物冷凝物的有价元素含量高于工业矿床的最低品位要求，具有良好的城市矿产资源价值，与传统碳热处理相比，能耗仅为1/110，所需反应器体积仅为1/1920。超快碳热工艺为飞灰净化和有价元素回收提供了一种高效且环境友好的方法。
作者提出了一种垃圾焚烧飞灰无害化处理工艺（图1a）。首先利用超快碳热工艺将飞灰重金属和二噁英去除，并回收富含重金属元素的冷凝物；随后利用水洗工艺去除氯元素，并实现飞灰中钠、钾的回收；最后经过无害化处理的飞灰可进行资源化利用。飞灰超快碳热原理是：使用电容对飞灰与导电炭混合物瞬间放电（图1b&c），电流流经导电样品产生焦耳热，使得飞灰快速升温（图1d），产生的高温将飞灰中的重金属瞬间蒸发，并进入冷凝管中形成冷凝物。
图1. MSWI飞灰超快碳热工艺及试验装置
从重金属去除率、浸出毒性和二噁英去除率三个方面评价了超快碳热工艺的净化效果。首先研究了不同电压下的重金属去除率（图2a），发现120V时效果最好（图2b），但其重金属去除率仍不理想。于是对飞灰进行多次放电加热，随着加热次数增加，重金属去除率逐渐提高，但在第四次加热后不再变化（图2c）。这是因为多次加热导致碳颗粒接触电阻变小，加热温度逐渐降低（图2d）。对残渣进行毒性分析，发现仅需一次加热，即可降低至《危险废物鉴别标准》限值以下，二噁英脱除率为99.91%。
图2. 超快碳热工艺对焚烧飞灰的净化效果
以Zn、Pb、Ti、Cu为目标元素，评价了超快碳热工艺的回收效果。回收到的冷凝物颗粒小于5μm（图3a）。电压为120V时回收率最高（图3c），三次加热后回收率达到最高值（图3d）。三次加热后收集到的冷凝物（图3e）中，有价元素的含量较原灰中得到了大幅提高，且远超工业矿床的最低工业品位要求（图3f），因此具有城市采矿价值。
图3. 超快碳热工艺对飞灰中有价元素的回收效果
结合冷凝物表征和重金属熔沸点，综合分析了超快碳热工艺中重金属的蒸发机制。超快碳热过程中，飞灰中难挥发的Pb和Zn的氧化物被还原转化为低熔沸点的单质，且伴有硫化作用。传统的碳热处理工艺中，Cu虽然可以被还原，但是单质态的熔沸点依然很高，所以难以蒸发。在超快碳热过程中，温度超过了Cu单质的沸点，因此被大量蒸发。Ti 的蒸发机制与Cu类似。
图4. 超快碳热工艺中飞灰重金属的挥发机制
飞灰经过超快碳热工艺净化后，仍需水洗去除残余的Cl才可进行资源化利用。在液固比3:1 mL/g的条件下，原灰水洗后残留Cl为3.4%，而超快碳热处理的飞灰水洗后残留Cl仅为0.5%，低于飞灰资源化利用的氯含量上限。XRD分析表明其原因是瞬间高温将难溶的CaClOH分解为CaO和易溶的CaCl2。
图5. 超快碳热工艺促进飞灰水洗脱氯机制
综上所述，作者提出的一种基于闪蒸焦耳热技术的超快碳热工艺可以有效净化飞灰和回收有价元素。与传统碳热处理飞灰相比，超快碳热工艺首次从飞灰中回收到了有价元素钛，并大幅提高了铜的回收率。超快碳热工艺具有能耗低、反应器体积小的优点，为飞灰的无害化处理和资源化利用提供了一种高效、环保的新途径。
相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，南京师范大学硕士研究生郑腾飞为文章的第一作者，南京师范大学王昕晔副教授和江苏镇江建筑科学研究院蒙海宁博士为共同通讯作者。本项目得到国家自然科学基金项目（52176115）和镇江市重点研发计划项目（SH2023112）的资助。
通讯作者简介：
王昕晔 博士
王昕晔，1988年生，男，工学博士，毕业于东南大学能源与环境学院，现工作于南京师范大学能源与机械工程学院。主要研究方向为生活垃圾、焚烧飞灰、副产石膏、农林固废等的先进热处理技术。
蒙海宁 博士
蒙海宁，1987年生，男，工学博士，毕业于南京工业大学材料科学与工程学院，现工作于江苏镇江建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏省有突出贡献中青年专家。主要研究方向为固体废物建材化利用技术。
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ACS EST Engg. 2024, 4, 11, 2756–2767
Publication Date: October 16, 2024
https://doi.org/10.1021/acsestengg.4c00354
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Wonyong Choi
Korea Institute of Energy Technology
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