城市垃圾焚烧飞灰资源化利用前景分析李建新

第24卷第1期电站系统工程Vol.24No.12008年1月PowerSystemEngineering9文章编号：1005-006X(2008)01-0009-03城市垃圾焚烧飞灰资源化利用前景分析*李建新1王永川1严建华2（1.浙江大学宁波理工学院，2.浙江大学能源清洁利用与环境工程重点实验室）摘要：垃圾焚烧飞灰是垃圾焚烧处理过程中主要的副产品，随着垃圾焚烧事业在国内的推广，垃圾飞灰的处理及资源化利用问题越来越受到普遍关注。对国内两种不同类型的垃圾焚烧炉产生飞灰的理化特性进行了分析对比，同时介绍了垃圾飞灰可能的资源化利用途径，为提高垃圾焚烧处理过程中资源化利用的程度提供了参考。关键词：垃圾飞灰；焚烧；资源化中图分类号：X511文献标识码：AAnalysisoftheReuseofMunicipalSolidWasteFlyAshLIJian-xin,WANGYong-chuan,YANJian-huaAbstract:FlyashisthemainbyproductduringMSW(municipalsolidwaste)incineration.AstheprevalentapplicationofMSWincinerationinChina,treatmentandreuseofflyashfromMSWincinerationplantstobegenerallypaidcloseattentionto.ThephysicalandchemicalcharacteristicsofflyashesfromtwodifferentkindsofMSWincinerationplantsinChinawerestudied.ThepossibleapplicationofMSWflyashwasintroduced.Keywords:MSWflyash;incineration;reuse随着中国经济的持续高速增长，人民生活水平迅速提高，城市化进程也在不断加快。但同时也面临着日趋严重的环境问题，特别是城市垃圾的处理。城市生活垃圾问题已经成为中国昀严重的公害之一。及时清理和处理城市垃圾，是建设优美、整洁、文明的现代化城市不可缺少的条件。如何解决垃圾问题，已引起全社会的高度重视。垃圾的处理主要有填埋、堆肥、焚烧等方式。卫生填埋是从传统的废物堆填发展起来的昀终处置技术，是应用昀早昀广泛的一项技术。填埋处理需占用大量的土地资源，这对于部分城市尤其是沿海地区，已无法找到可供填埋的土地，而且垃圾产生的渗滤液容易对地下水源造成污染。欧盟立法规定，有机碳含量高于3%的生活垃圾禁止填埋；堆肥就是把生活垃圾中可生物降解的有机物在控制条件下进行生物分解，并使之稳定化、无害化，用作土地改良剂。相对于填埋而言，堆肥实现了垃圾资源化利用，其经济和社会效益较好。但是也存在不足之处，首先堆肥对废物的种类和性质有一定要求，堆肥处理往往又受到产品销路的影响。而近些年来，我国城市生活垃圾的构成有了明显的变化，垃圾中有机质及可燃垃圾成分逐年增加，垃圾热值有明显提高，且垃圾焚烧处理具备处理速度快、垃圾储存周期短、余热可回收利用、占地面积小等特点，垃圾焚烧处理在国内得到了迅速发展，自1988年深圳投运的国内第一座垃圾焚烧电厂后，北京、上海、天津、杭州、珠海等多数城市都建设了垃圾焚烧电厂，尤其是经济发达、土地资源少的沿海地区。1垃圾焚烧飞灰的主要组成分析收稿日期:2007-07-29李建新(1967-)，女，博士，副教授。宁波，315100*宁波市科技局工业攻关合作项目(2005B100029)随着垃圾焚烧事业在国内的迅速发展，垃圾飞灰的产量也呈明显增加的趋势。生活垃圾焚烧处理后产生的固体残渣大约占垃圾重量的30%～35%，其中底渣占25%～30%，其余是飞灰，占5%左右[2]，而流化床焚烧炉产生的灰渣量高得多。垃圾焚烧产生的底渣一般被认为是没有毒害的。由于垃圾组分比较复杂，垃圾中所含有的重金属污染物在焚烧过程中发生迁移和转化，使飞灰中富集了较高浓度的重金属等污染物。若将飞灰直接进行填埋或处理不当，在自然环境下由于酸雨等因素的作用，酸性环境下重金属将逐渐渗滤出来，重新进入环境，污染地下水源而危害人类，因此被视为危险废弃物，必须进行适当处理后再资源化利用。从垃圾飞灰的构成来看，两种焚烧炉型在飞灰基本构成和有毒污染物含量上存在一定的差异，即流化床飞灰中Si、Al、Fe氧化物的含量都较高，这主要是由于掺煤混烧时煤中此类元素含量高造成的，而Ca在两种飞灰中的含量都很高，这是由于为减少酸性气体排放在尾部烟道喷钙造成的。飞灰中二恶英和重金属含量表明，流化床飞灰中二恶英与重金属的含量明显低于炉排炉飞灰，其飞灰的毒性远较炉排炉飞灰低，这与焚烧方式有主要的关系。表1中给出国内两种典型的垃圾焚烧炉产生飞灰的构成及污染物含量情况。表1不同类型焚烧炉飞灰特性飞灰主要构成/％样品SiAlCaFeNaKOClMgFA14.030.2823.22.052.82.4726.815.081.35FA210.278.212.452.741.079.521.321.521.17飞灰中重金属含量/ng·g-1飞灰中二恶英含量/ng·g-1样品PbCdCuZnHgNiPCDDsPCDFsPCDD/FsFA12462.572.191144.48015.824.53885.72494.772.86167.56FA2465.197.26578.352207.791.73871.6342.077.259.32另外两种飞灰样品中二恶英、呋喃总量含量情况表明，10电站系统工程2008年第24卷采用流化床焚烧方式飞灰中二恶英的含量明显低于炉排式焚烧炉飞灰。2垃圾的无害化处理及资源化利用分析2.1作为路基或建筑材料垃圾飞灰与燃煤飞灰在组成上极为相近，与水混合后自身存在一定的凝硬特性，垃圾飞灰与水泥混合，不仅产生一定的硬度满足路基材料的需求，同时水泥的水化产物及碱性环境还可以抑制重金属的渗滤，满足环保的要求，因此可以用垃圾飞灰作为路基、堤坝、建筑材料及沥青细骨料。实验中分别采用炉排炉和流化床两种垃圾焚烧炉飞灰并与水泥、水在一定比例下充分混合均匀，制成试件在一定条件下养护4周，测试试件的强度，并利用TCLP1311测试其重金属的渗滤特性。实验分，试验结果见表2。表2飞灰固化物渗滤特性（mg/L）飞灰样品飞灰加入比例pHPbCdNiCuZnCrHg强度/MPa0-0.47760.1290.2572.3122.8740.58--5%11.2---nd0.00450.1455-9.810%10.9---0.02650.00560.1430-8.520%10.50.004--0.03690.06440.1377-7流化床30%9.40.007-0.0090.03760.05790.1362-5.90-21.0594.060.59498.0452.20.1599--5%11--0.0250.0240.5730.1531-910%10.7--0.0360.0860.8460.1672-720%9.50.03650.00160.0390.1381.2360.1736-5.5炉排炉30%8.30.07340.00220.0420.1591.8440.1867-4规定值-30.3505010100.05-由试验看出，水泥对重金属的固化效果是很明显的，尤其是对Pb、Zn、Cu。水泥固定的机理是：在水泥的水化过程中，金属可以通过吸附、化学吸收、沉降、离子交换、钝化等多种方式与水泥发生反应，昀终以氢氧化物或络合物的形式，停留在水泥水化形成的水化硅酸盐胶体C-S-H表面上，同时水泥的加入也为重金属提供了碱性环境，抑制了重金属的渗滤。据了解，国外垃圾焚烧底渣资源化利用的比例较高[13]，而垃圾飞灰利用比例较小，此项内容还在进一步研究中。2.2水泥制作材料水泥是CaCO3与黏土混合物与其它材料混合经高温煅烧成水泥块，再研磨成粉末而成。垃圾飞灰组成中含有一定量的水泥制作材料，如Ca、Si、Al（对于Si、Al流化床飞灰较炉排炉飞灰中高），因此，若利用垃圾飞灰取代部分水泥制作时所需的CaCO3，不仅可以减少由于CaCO3煅烧时所消耗的能量，同时还可以减少CaCO3分解而释放的CO2。试验中对垃圾飞灰热处理时重金属的蒸发特性进行了分析，结果发现飞灰热处理时，重金属的蒸发率较高，尤其在900℃以上，而试验研究同样发现1000℃以上，飞灰中二恶英的分解率在90%以上。由此看来，利用垃圾飞灰制作水泥其毒性大大减小，但应做好对蒸发物的回收，减小热处理过程中的二次污染，同时回收物可以进一步提存再利用。evaporationcharacteristicofPbinflyash0102030405060708090100306090120150180timeminevaporation％evaporationcharacteristicofCdinflyash0102030405060708090100306090120150180timeminevaporation％evaporationcharacteristicofCuinflyash0102030405060708090306090120150180timeminevaporation％evaporationcharacteristicofZninflyash051015202530354045306090120150180timeminevaporation％600℃700℃800℃900℃1000℃1100℃图飞灰中重金属的蒸发特性2.3吸附剂G.Marruzzo[16]研究指出，可以利用垃圾飞灰制作人造沸石，作为离子交换剂制作纯净水，但由于垃圾飞灰成分复杂，制作的费用很高，目前处理研究阶段。另外，Matsuda等人指出燃煤飞灰经Ca(OH)2溶液处理后可作为脱硫剂脱除烟气中产生的SO2及其它酸性气体。第1期李建新等：城市垃圾焚烧飞灰资源化利用前景分析11而垃圾飞灰与燃煤飞灰有极相似的物理化学组成，垃圾焚烧飞灰与燃煤飞灰类似，都具有颗粒小（主要集中在40～300μm）、比表面积大的特点，这些为垃圾飞灰作为吸附及烟气脱硫剂提供了必要的物理条件，而国内垃圾焚烧过程中为稳定燃烧掺入一定的煤进行混烧，这样使飞灰中硅、铝等氧化物的含量增加，更有利于产品品质的提高。垃圾焚烧飞灰与Ca(OH)2溶液混合后，飞灰中含有的SiO2迅速溶出并与Ca离子反应生成水化硅酸钙（CSH），生成的CSH在飞灰及Ca(OH)2表面沉积，使昀终形成的飞灰颗粒表面积增加，颗粒内部空隙率加大，因CSH对SO2有很好的吸附作用，飞灰比表面积的增加使其吸附效果进一步增强。Ca(OH)2溶解：Ca(OH)2→Ca2++2OH-飞灰溶解：−−−+→++51x22X2)OH(Si)SiO(OHO2H)SiO(CSH生成反应：CSHSi(OH)Ca5→+−++另有文献指出，由于垃圾飞灰中含有农作物生长所必需的K、P、Cu等元素，可以利用少量飞灰替代化肥来改善土壤。3结束语为了合理地处置日益增加的焚烧残余物，减轻填埋场场地紧张的压力或省去昂贵的填埋费用，美国、日本和欧洲的许多国家在几十年前就开始从资源利用和环境影响两方面考虑，研究残余物的资源化利用的可行性，力求在经济成本与环境要求中找到昀佳平衡点。目前在欧洲一些国家（如英国、德国、荷兰等）和加拿大以及日本大多数垃圾焚烧厂，其底灰和飞灰都是分别收集和处理，我国也要求分别收集。由于底灰的物理和工程性质与轻质的天然骨料相似，并且容易进行粒径分配，易制成商业化应用的产品，因此使之成为一种适宜的建筑填料，而飞灰的资源化利用率很低。大多数国家处理飞灰仍然采用填埋的处理方法，但是由于可用的填埋场地越来越少，并且利用填埋法处理飞灰会给环境带来较大的危害，因此，目前很多国家开始研究飞灰的资源化利用途径。由于我国垃圾焚烧处理技术起步较晚，因此对于垃圾焚烧残余物的处理一直还未引起重视。我国大部分垃圾焚烧厂对于残余物