兩種焚燒爐渣的主要成分分析

冉 帆， 吳麗萍， 李慶波， 邵佳婧

(天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室； 天津城建大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院， 天津 300384)

0 引 言

垃圾焚燒法減量化效果顯著，國內(nèi)繼深圳建成第一座垃圾焚燒場以來，現(xiàn)已建成600多座，深圳、上海、北京、天津等城市垃圾焚燒處理率已超過20%[1]。城市生活垃圾焚燒技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不可避免地產(chǎn)生了焚燒爐渣的利用問題。

焚燒爐渣是由垃圾焚燒爐排出的殘?jiān)?，包括爐排渣和從爐排間掉落的顆粒物[2]，約占灰渣總重量的80%，主要由未燃盡物及熔渣、陶瓷碎片、玻璃、金屬等不可燃物組成[3]。在我國，焚燒爐渣屬于一般固體廢棄物[4]。焚燒爐渣中熔渣的主要成分有SiO2、CaCO3、CaO、MgCO3、鈣長石(CaO·A12O3·2SiO2)、重晶石和石膏等無機(jī)化合物，CaO、Al2O3、MgO、ZnO、SiO2等反應(yīng)生成的鈣化合物形成的低熔點(diǎn)共熔物相的存在是灰渣形成的主要原因[5]。研究和工程實(shí)踐表明[6]，焚燒爐渣中硅酸鹽和鋁酸鹽等含量占30%以上，物理化學(xué)和工程性質(zhì)與輕質(zhì)的天然骨料(石英砂、黏土等)相似[7]。張悅等[4]關(guān)于焚燒爐渣的級配、吸水率、表觀密度及主要化學(xué)成分的分析認(rèn)為，與天然粗、細(xì)骨料相比，焚燒爐渣骨料密度低、吸水率大、孔隙率高、壓碎指標(biāo)大，顆粒級配連續(xù)，較適合作為混凝土骨料。因此，較多研究者對焚燒爐渣的骨料和集料性能作了研究[8-10]。焚燒爐渣相對飛灰而言，重金屬浸出濃度遠(yuǎn)低于危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)值，污染程度小[11]，資源化利用是可行的，可作為污水處理的吸附劑及工業(yè)濾料等[12-13]。

基于垃圾種類、焚燒爐型式、焚燒溫度、排渣方式等不同，焚燒爐渣成分亦有所區(qū)別。本試驗(yàn)選取了流化床爐渣和爐排爐爐渣，通過X射線衍射、X射線熒光和燒失量分析，研究兩種焚燒爐渣主要化學(xué)性質(zhì)的差異，為其資源化利用或改性利用提供理論依據(jù)。

1 儀器與工作條件

1.1 X射線衍射分析儀

(1) 試驗(yàn)儀器。Rigaku D/max-2500/PC X射線衍射儀(XRD)，MUI Jade 5.0 X射線衍射數(shù)據(jù)處理軟件。

(2) 儀器工作條件。2θ初始角度5.000°，結(jié)束角度80.000°; 2θ/θ聯(lián)動，采樣間隔0.010°，連續(xù)掃描速度0.500°/ min；廣角；銅轉(zhuǎn)靶( X 射線波長Kα: 0.154 184 1 nm) ，40 kV，40 mA；標(biāo)準(zhǔn)樣品夾，NaI閃爍計(jì)數(shù)X 射線探測器，銅轉(zhuǎn)靶用石墨單色器，入射狹縫1/3°,入射高度限制狹縫2 mm，散射狹縫1/2°，接收狹縫0.6 mm，單色器接收狹縫未使用。

XRD難以檢測含量小于1%的微量相或者非晶相，但微量相對物質(zhì)主相定性和定量分析影響很小，基本上可以滿足常規(guī)礦物相的鑒定[14]。

1.2 X射線熒光分析儀

試驗(yàn)儀器為ZSX Primus Ⅲ型X射線熒光光譜儀，Rigaku制造，儀器工作條件見表1。

2 試驗(yàn)材料與試樣制備

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)爐渣取自天津雙港垃圾焚燒發(fā)電廠和天津青光垃圾焚燒發(fā)電廠，前者采用的是日本田熊SN爐排爐，單臺處理量為400 t/d，排渣形式為濕排渣，所取渣樣簡稱爐排渣(PZ)；后者采用的是清華紫光環(huán)保有限公司設(shè)計(jì)的循環(huán)流化床垃圾焚燒爐，單臺處理量為350 t/d，排渣形式為干排渣，所取渣樣簡稱流化床渣(LZ)。

表1 分析元素的測量條件

2.2 試樣制備

(1) XRD分析用樣品制備。取適量爐排渣、流化床渣樣品，烘干、研磨，過200目篩后，將樣品粉末均勻?yàn)⑷胫茦涌虼翱谥?，將粉末在窗口?nèi)攤勻堆好，然后用小抹刀輕輕壓緊，用保險(xiǎn)刀片把多余凸出的粉末削去，最后，小心地把制樣框從玻璃平面上拿起，保證樣品粉末平面的平整，進(jìn)行X射線衍射掃描，即得到兩種焚燒爐渣的XRD圖譜。

(2) XRF分析用樣品制備。預(yù)處理步驟同XRD分析，將200目篩下樣品放入烘箱中，保持100℃烘3 h，置于干燥器中恒重，在30 MPa壓力下保壓60 s壓制成形，再進(jìn)行X射線熒光光譜儀掃描。

3 結(jié)果與討論

3.1 爐渣物相組成分析

爐排渣和流化床渣的XRD分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種爐渣的XRD圖譜

灰渣中存在的主要物相有：硅酸鹽(長石類、輝石類、鈣硅石)、氧化物(石英、赤鐵礦)以及一些鹽類(氯化物、硫酸鹽)[15-18]。由圖1可以看出，流化床渣含有的主晶相有石英(SiO2)，鈣硅石(Ca2SiO4)和鈉長石(Na(AlSi3O8))。爐排渣含有的主晶相有，石英(SiO2)、鈣硅石(Ca2SiO4)、鈉長石(Na(AlSi3O8)，并含有綠銅鉀石(K2Cu2O(SO4)2)和少量的錐輝石(NaFe(Si2O6))等，其XRD峰形較流化床渣復(fù)雜，與其復(fù)雜成分相關(guān)。由峰值來看，流化床渣中石英及鈣硅石含量高于爐排渣。

3.2 爐渣化學(xué)成分分析

利用X射線熒光分析儀對爐排渣(PZ)和流化床渣(LZ)進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表2。

表2 兩種爐渣的主要化學(xué)成分含量 %

由表2可看出，流化床渣和爐排渣主要成分均為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，含量分別達(dá)75.45%和65.95%，另有少量的Na2O、MgO、K2O、P2O5等，Zn、Ba、Mn、Cu、Pb、Cr等金屬氧化物的含量很低，均低于1%。主成分中SiO2、CaO含量差異性較大，與北京、上海、廣州、深圳等地區(qū)垃圾焚燒爐渣成分分析一致。

表3 部分垃圾焚燒爐渣主成分含量 %

由表3可見，上海浦東御橋、廣州李坑、北京高安屯、深圳南山、杭州錦江垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒爐底渣中主要成分SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，總量分別達(dá)到78.7%、76.9%、86.4%、82.3%、85%，差異性較小，但SiO2、CaO含量差異性較大。

一般而言，爐渣的硅鋁比(SiO2/Al2O3)越低則其熔融溫度越高。由表2、3可知，天津青光流化床渣、雙港爐排渣與廣州李坑、北京高安屯、深圳南山、杭州錦江焚燒爐渣的SiO2/Al2O3比均大于3，上海浦東御橋焚燒爐渣的SiO2/Al2O3比為1.16，即爐渣的熔融特性亦存在差異。

上述分析說明，焚燒爐爐型、燃燒器結(jié)構(gòu)、垃圾成分、鈣基脫硫劑類型、摻煤量等均影響爐渣成分與性質(zhì)。

3.3 燒失量分析

燒失量(Loss on Ignition，LOI)又稱灼減量，是高溫時(shí)結(jié)晶水、揮發(fā)分被排除及碳酸鹽分解CO2、硫酸鹽分解SO2后的質(zhì)量損失，與低價(jià)硫、鐵等元素氧化反應(yīng)后質(zhì)量增加的代數(shù)和[13]。試驗(yàn)采用600℃和950℃兩個(gè)溫度段，600℃下燒失量主要反映爐渣中結(jié)晶水、揮發(fā)分含量;950℃下失重量能反映所含碳酸鹽、硫酸鹽含量。

首先將待測樣品置于烘箱中，105℃下烘干2 h，干燥器中恒重后備用。將空坩堝置于高溫電爐中，經(jīng)600℃高溫灼燒30 min，取出后在干燥器中冷卻20～30 min，稱取質(zhì)量，再在同樣溫度下灼燒30 min，冷卻稱重，直至兩次質(zhì)量相差不超過0.5 mg(即恒定質(zhì)量)，此為灼燒的空坩堝質(zhì)量。稱取1.00～2.00 g預(yù)先烘干處理的樣品于已知質(zhì)量的坩堝中。把坩堝置于高溫電爐中，從低溫開始灼燒，至600℃保持1 h，取出稍冷，放入干燥器20～30 min后稱重，然后再放入高溫電爐中600℃灼燒30 min，冷卻后稱重，直至前后二次質(zhì)最相差不超過0.50 mg，即達(dá)恒定質(zhì)量。重復(fù)上述步驟在950℃下灼燒樣品。最后按下式計(jì)算流化床渣和爐排渣樣品600℃和950℃燒失量L，結(jié)果見表4。

式中：m1為灼燒后空坩堝質(zhì)量，g；m2為灼燒后樣品加坩堝質(zhì)量，g；m3為灼燒前坩堝加烘樣品質(zhì)量，g。

表4 兩種焚燒爐渣的燒失量 %

在水泥和混凝土制備過程中，燒失量一般作為評價(jià)熟料質(zhì)量的重要指標(biāo)。高的燒失量影響熟料的吸水性能，進(jìn)而影響產(chǎn)品的抗凍性、保溫性等，因此《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB 1596-2005)中規(guī)定了粉煤灰的3種燒失量等級，即燒失量不大于5%為Ⅰ級，不大于8%為Ⅱ級，不大于15%為Ⅲ級?；跔t渣的主要化學(xué)成分與粉煤灰相近，本文擬通過燒失量實(shí)驗(yàn)評價(jià)兩種爐渣的集料性能。

由表4可知，流化床渣的燒失量滿足Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，而爐排渣的燒失量等級較低，僅滿足Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)。該結(jié)果顯示，除爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒方式、鍋爐負(fù)荷等因素的影響，循環(huán)流化床焚燒爐在給料粒度控制、爐內(nèi)空氣動力場工況等方面具有一定的優(yōu)勢，其良好的內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)提供了燃燒顆粒足夠長的停留時(shí)間，床內(nèi)強(qiáng)烈的氣固混合為顆粒燃燒提供了良好的空氣動力場[19]。

4 結(jié) 論

(1) XRD分析表明，流化床渣和爐排渣的主要晶相為石英(SiO2)，鈣硅石(Ca2SiO4)和鈉長石(Na(AlSi3O8))，但爐排渣中微量成分的晶相較流化床渣復(fù)雜，這與兩種焚燒爐渣的來源及焚燒工藝等因素有關(guān)。

(2) XRF分析顯示，流化床渣、爐排渣中SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3含量之和分別達(dá)75.45%、65.95%，其中SiO2、CaO含量差異性較大。兩種焚燒爐渣的SiO2/Al2O3比均相近，為低熔點(diǎn)的鈣化物共熔物相。

(3) 流化床渣的燒失量遠(yuǎn)低于爐排渣，具有較好的集料性能；焚燒爐爐型、燃燒器結(jié)構(gòu)、垃圾成分、鈣基脫硫劑類型、摻煤量等均會影響爐渣成分與性質(zhì)。

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