MSW焚燒爐渣性質(zhì)及其資源化利用的研究進(jìn)展

李 彬，田盎然，薛國強(qiáng)，顧歡達(dá)，唐 強(qiáng)

(1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011；2.蘇州大學(xué) 軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215131)

0 前 言

如圖1所示,國家統(tǒng)計局記錄我國每年MSW清運(yùn)量不斷增加，從2001年13 470萬t增加到2017年的21 520.9萬t，焚燒所占比例從2001年的1%增加到了2017年的39.3%，且增速高達(dá)8%～10%。而生活垃圾處理因其環(huán)境敏感性、與日常生活的息息相關(guān)性，已成為當(dāng)下社會的熱點(diǎn)及焦點(diǎn)問題。在各類垃圾處理方式當(dāng)中，焚燒處理方式具有占地面積小、大量減少垃圾的體積及質(zhì)量等優(yōu)勢，并將其中可燃物質(zhì)與氧氣反應(yīng)，最終得到無機(jī)殘渣，焚燒熱能、產(chǎn)生電能可以再利用以節(jié)約資源。

圖1 我國2002年至2017年MSW清運(yùn)量、焚燒量及爐渣產(chǎn)量

為貫徹保護(hù)環(huán)境和堅持節(jié)約資源的基本國策，政府鼓勵并推廣焚燒處理設(shè)施在區(qū)域中的共建共享。巨量的MSW焚燒爐渣因此產(chǎn)生，而爐渣若單單進(jìn)行填埋處理，則會導(dǎo)致土地資源被大量地占用而浪費(fèi)。因此，本文主要從爐渣的物理化學(xué)性質(zhì)、工程性質(zhì)以及資源化再應(yīng)用三個方面對國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于爐渣的資源化利用的相關(guān)研究進(jìn)行了歸納與總結(jié)。

1 MSW焚燒爐渣的組成

1.1 爐渣的物理性質(zhì)

1)爐渣粒徑分布。

Tay等[1]對底渣粒徑研究發(fā)現(xiàn)，其顆粒大小介于0.074～5 mm，其中71%是沙粒土(0.074～2 mm)，27%為礫粒土(>2 mm)，2%為粉粒土(0.002 mm～0.074 mm)。王學(xué)濤等[2]對干燥后的MSW焚燒爐渣進(jìn)行了篩分試驗，分析發(fā)現(xiàn)大部分顆粒的粒徑處于1.0～19 mm，占比約79.7%，其次占14.2%的是0.25～1.0 mm的顆粒，小于0.25 mm和大于19.0 mm的顆粒各則占3.1%。不同地區(qū)生活垃圾種類的差異以及不同的破碎處理過程是導(dǎo)致MSW焚燒爐渣粒徑組成差異的主要因素。

2)爐渣的微觀形貌。許明磊[3]利用電子顯微鏡掃描底渣，發(fā)現(xiàn)其外表面凹凸不平，呈不規(guī)則的角狀并且內(nèi)部有許多孔洞。在更大倍數(shù)的電子顯微鏡掃描圖中可以觀察到，爐渣中部分晶體呈現(xiàn)為針狀、團(tuán)聚狀和粒狀，發(fā)育良好，但并不均勻，這是由于焚燒過程中溫度和空氣分布不均，停留時間不同導(dǎo)致的。而Brami等[4]利用掃描電鏡發(fā)現(xiàn)MSW焚燒爐渣中的熔渣是由數(shù)量眾多的小球或空心球體的復(fù)合而成。與前者研究發(fā)現(xiàn)的微觀形態(tài)有一些差異，這可能與垃圾成分、燃燒狀態(tài)等因素有關(guān)。徐謙等[5]通過電鏡對底渣進(jìn)行了掃描，放大到400倍后觀察到許多小粒子團(tuán)聚成的大顆粒組成了底渣，而顆粒表面形貌布滿了孔洞且凹凸不平，孔隙率較高；放大到更大倍數(shù)后對底渣表面的微觀形貌進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)其晶體發(fā)育良好且由粒狀、針狀和團(tuán)聚狀晶體等多種不規(guī)則晶體組成(見圖2)。

(a)400倍放大

1.2 爐渣的化學(xué)性質(zhì)

1.2.1 爐渣的元素組成

不同城市中生產(chǎn)的生活垃圾種類也不盡相同，因此，燃燒產(chǎn)生的爐渣化學(xué)組分也有一些差別。何品晶等[6]對上海某垃圾焚燒廠生產(chǎn)的爐渣的化學(xué)元素進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)其主要主要元素包含了O、Si、Fe、Ca、AI、Na、K、C，此外，還含有少量的重金屬元素Pb、Cr、Cd、As等；針對武漢地區(qū)的垃圾焚燒底渣，徐謙等[5]利用EDS能譜分析，發(fā)現(xiàn)其主要化學(xué)元素同樣有C、O、Ca、Si，此外還含有少量的I、Mg、Fe、Zn、Al、Cl、K等，其中，C的含量高達(dá)58.44%，與之相似的是，張建銘[9]發(fā)現(xiàn)浙江省某垃圾焚燒廠的爐渣中C的質(zhì)量比同樣很高，達(dá)到了65.04%。這可能與焚燒過程中加入煤炭助燃的情況有關(guān)[5]。從上述幾個地區(qū)的爐渣元素組成可以發(fā)現(xiàn)，Si、Fe 和AI元素的存在比較普遍，這可能是由于這幾種元素的沸點(diǎn)很高從而難以揮發(fā)，沉淀在了底渣中。

1.2.2 爐渣的礦物組成

關(guān)于爐渣成分中含有的礦物組分問題，國內(nèi)學(xué)者利用XRD即X射線衍射試驗對廣州、大連和上海市內(nèi)某垃圾焚燒焚燒廠爐渣的化學(xué)組分進(jìn)行了測定，具體如表1所示[7]。

表1 產(chǎn)自廣州、大連和上海的MSW焚燒爐渣的主要礦物組分 %

由表1可知，不同地區(qū)的MSW焚燒爐渣的礦物組成類別并不完全相同，即使相同，對應(yīng)的含量也不一樣，這是因為生活垃圾成分十分復(fù)雜，且不同城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、消費(fèi)的習(xí)慣、垃圾分類的落實情況等都會影響生活垃圾以及MSW焚燒爐渣的組成。

1.2.3 爐渣的浸出

由于爐渣中含有重金屬成分，而游離態(tài)的重金屬離子極易通過土壤、地下水等進(jìn)入食物鏈，從而危害到人體健康，因此，對于爐渣的重金屬釋放及浸出特性前期學(xué)者們展開了大量的研究。楊媛[8]試驗采用了國標(biāo)硫酸硝酸浸提法對爐渣的淋濾特性進(jìn)行了測定，試驗發(fā)現(xiàn)MSW焚燒爐渣浸出液中的重金屬濃度都沒有達(dá)到《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)》(GB5085.5-2007)中規(guī)定的危險廢棄物浸出毒性標(biāo)準(zhǔn)限值。并且《國家危險廢物名錄》之中并不包含爐渣，因此，MSW焚燒爐渣可以作為一般廢棄物被回收再利用。

2 MSW焚燒爐渣的工程特性

2.1 爐渣的擊實特性

由于不同地區(qū)生活垃圾的種類有差別，MSW焚燒爐渣粒徑組成也會有變化，因此，不同地區(qū)的焚燒爐渣會具有不同的擊實特性。張建銘[9]對焚燒底渣進(jìn)行了擊實試驗，測定其最大干密度為1.42 g/cm3，最優(yōu)含水率為22%。擊實曲線如圖3所示，曲線平緩表明底渣具有較好的水穩(wěn)定性，其含水量不會對干密度造成過大的影響，從而說明MSW焚燒爐渣具有良好的擊實特性。R.Forteza等[10]通過擊實試驗測定底渣的最大干密度為1.8 g/cm3，最優(yōu)含水率為12.3 %。通過上述學(xué)者的研究可知，爐渣的最大干密度為1.42～1.8 g/cm3，最優(yōu)含水率為12.3%～22%。

圖3 爐渣的擊實曲線

2.2 爐渣的強(qiáng)度特性

2.2.1 爐渣的強(qiáng)度

針對浙江省內(nèi)某垃圾焚燒廠生產(chǎn)MSW焚燒爐渣，張建銘[9]利用直剪試驗測定了爐排型和流化床型兩種爐渣在快剪和固結(jié)快剪的方式下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，如表2所示[9]。

由表2可知，流化床型爐渣試樣的粘聚力低于爐排型爐渣試樣的粘聚力，而摩擦角則略高于后者。因此，證明了不同焚燒方式生產(chǎn)的爐渣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也不相同。

表2 兩種MSW焚燒爐渣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

張晶潔[11]通過直剪試驗對產(chǎn)自武漢某垃圾焚燒廠的爐渣及其混合材料的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究。

如表3所示，爐渣加格柵的內(nèi)摩擦角與純爐渣的內(nèi)摩擦角相似，同時前者的粘聚力明顯高于純爐渣，由此可知，爐渣加土工格柵與爐渣加雙向格柵的抗剪強(qiáng)度主要是由爐渣和筋的界面粘聚力來提供的。

表3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

2.3 焚燒爐渣的綜合再生利用

國外對爐渣的資源化利用比較廣泛，比如代替碎石作為瀝青混合材料的骨料、替換不良地基土作為道路路基填料等。美國在1970年至1980年大約10年間，利用混合灰渣材料至少成功地完成了6項瀝青鋪裝工程項目，涵蓋道路結(jié)構(gòu)中的粘結(jié)層、耐磨層或者表層和基層[12]。

我國在MSW焚燒爐渣材料的資源化利用方面與國外相比有著較大的局限，主要途徑是制作墻磚和地磚等。例如，徐福華等[13]對上海市某垃圾焚燒廠生產(chǎn)的爐渣為研究對象，將其與廢玻璃為原材料制備彩色道磚，對檢測了其有害物質(zhì)含量和放射性，實驗發(fā)現(xiàn)其各項有害物質(zhì)指標(biāo)均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；曹旗等[14]對產(chǎn)自廣州某生活垃圾焚燒廠的爐渣展開了研究，并分析了其作為在混凝土路面磚材料的合理性。

3 MSW焚燒爐渣研究與再利用的總結(jié)與展望

1)由于MSW焚燒爐渣產(chǎn)量的逐年遞增，城市周邊的庫容壓力越來越大，因此對于爐渣研究與再利用十分必要。MSW焚燒爐渣的浸出毒性符合我國固體廢物再次利用的標(biāo)準(zhǔn)《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》(GB-50853-2007)，不屬于危廢且不含放射性物質(zhì)，因此，可以資源化再利用。

2)通過對爐渣及其混合材料工程性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，它具有良好的擊實特性和各類強(qiáng)度，廣泛地適用于各種工程當(dāng)中。

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