城市垃圾焚燒飛灰處理技術(shù)及其在水泥生產(chǎn)中資源化利用

　　引言

　　隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，人民生活水平迅速提高，我國城市固體廢物產(chǎn)生量急劇增加。l987年全國城市生活垃圾清運量僅5 398萬t，到l997年猛增至1.2億t，2002年我國城市垃圾已達1．5億t以上，并以每年8％-10％的增長率增加[1]。預(yù)計到2010年，我國城市生活垃圾的年排放量將高達2．1億t。急劇增加的城市垃圾的排放已成為制約經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，對人類的生存環(huán)境也構(gòu)成了威脅，如何經(jīng)濟有效地治理這些垃圾，防止污染，也日益成為全社會關(guān)注的追切需要解決的熱點問題。

　　1城市生活垃圾處理技術(shù)現(xiàn)狀

　　目前對于城市生活垃圾的處理已由過去的簡單清除、野外堆放和露天簡易填埋等初級處理方式漸漸提高到堆肥發(fā)酵、衛(wèi)生填理、焚燒發(fā)電和資源化等高級處理方式。隨著可用垃圾填埋場地的減少、填埋成本的提高，以及堆肥受市場影響且堆肥質(zhì)量不理想，使得垃圾焚燒越來越受到重視。焚燒能減少垃圾90％以上的體積，還可將垃圾中貯存的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚱渌问降哪芰窟M行回收，具有處理速度快、占地面積小、減量化和無害化效率高等優(yōu)點。國外垃圾焚燒發(fā)展較早，目前世界年焚燒處理量達1．3億t。日本、丹麥垃圾焚燒的比例分別高達95％、56％。

　　基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計剃(863)項目(2006AA062363)

　　焚燒法處理固體廢物尤其是城市生活垃圾因其高效快捷、減容顯著、能源利用率高等優(yōu)點在全世界得到廣泛的應(yīng)用，預(yù)計將成為城市垃圾的主要處理方式之一剛。近年來，我國建設(shè)現(xiàn)代化大型生活垃圾焚燒J¨一的發(fā)展速度很快，城市生活垃圾焚燒總?cè)萘恳殉^15 000 t／d?！笆濉逼陂g建設(shè)各類焚燒爐50多座，“十一五”期問規(guī)劃中的焚燒爐有80多座，此外還有相當(dāng)數(shù)量的生活垃圾焚燒發(fā)電廠正在醞釀之中。根據(jù)對我國垃圾成分變化的分析，國家有關(guān)部門已明確，垃圾焚燒將成為城市垃圾的主要處理方式之一。

　　2焚燒飛灰的化學(xué)成分及危害性

　　垃圾焚燒會產(chǎn)生一定量的垃圾焚燒灰渣，其中在熱回收系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)收集的物質(zhì)，即垃圾焚燒飛灰，往往占到被焚燒垃圾量的3％-5％，甚至l0％-15％【4】。表l和表2是上海浦東御橋垃圾焚燒廠的焚燒飛灰的分析結(jié)果。

　　要知，垃圾焚燒飛灰的主要化學(xué)成分是：三Uz、算a?、Al20，和Fm0，，以及大量的C]-S0，和堿要。。竺妻；，可知，垃圾焚燒飛灰還含有較高濃度的能 警水浸出的可溶性Cd、Pb、Cu、Zll Cr等多種有害重 金孽翟質(zhì)。此外，二惡英和呋哺等有機污染物也將在j灰摯體中富集存在，這些有毒有害污染物的存在對竺。F變竺、周圍生態(tài)琢境和人體健康構(gòu)成了潛在的生態(tài)與譬藤風(fēng)險。

　　3焚燒飛灰處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　3•1城市垃圾焚燒飛灰處理的緊迫性

　　隨著越來越多的垃圾焚燒廠的建成與投入使用，我國垃圾焚燒飛灰的排放量也將越來越巨大。《國家 危險廢物名錄》已將垃圾焚燒飛灰規(guī)定為編號為HWl8的危險廢物，國家環(huán)境保護總局在2001年頒布的《危險廢物污染防止技術(shù)政策》也對焚燒飛灰的處置闖題作了相應(yīng)的規(guī)定：不得在產(chǎn)生地長期貯存；不得進行簡易處置及排放。生活垃圾焚燒飛灰在產(chǎn)生地必須進行必要的固化和穩(wěn)定化處理之后方可運輸。 生活垃圾焚燒飛灰須進入安全填埋廠進行安全填埋處置。但垃圾焚燒飛灰的填埋占用土地，且安全填埋處理的費用很高，廠址難尋，目前我國只有深圳、沈陽、上海等幾個城市建設(shè)了符合技術(shù)規(guī)范的危險廢物填埋廠，同時已建危險廢物填埋場的填埋能力和使用期限都十分有限，也不完全排除有造成二次污染的潛在司能性。這些問題已經(jīng)成為影響垃圾焚燒技術(shù)推廣的重要因素。因此，研究開發(fā)適宜的焚燒飛灰處理技術(shù)已成為近年來的熱點之一。
 
　　3．2國際上焚燒飛灰處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
 
　　國際上現(xiàn)有的焚燒飛灰處理技術(shù)主要包括固化／穩(wěn)定化處理、濕式化學(xué)處理與高溫處理三種。 

　　固化／穩(wěn)定化技術(shù)是國際上目前處置重金屬廢物 和其他菲金屬危險廢物的重要手段，其目的是使危險廢物中的所有污染組分呈化學(xué)惰性或被包容起來f5]，以便運輸、利用和處置。水泥固化技術(shù)是一種最常用 的危險廢物固化技術(shù)，其基本原理在于通過固化、包容，減少有害固化廢物的表面積和降低其可滲透性， 達到穩(wěn)定化、無害化的目的，美國環(huán)保局曾將此技術(shù)稱為處理有毒有害廢物的最佳技術(shù)刪。但傳統(tǒng)的水泥固化技術(shù)在處理含水率較高的廢物時，需要使用大量水泥，致使廢物增容比較大，給后續(xù)的運輸與處理帶來困難，也大大提高了處置費用，并需要大量的填埋場地。濕式化學(xué)處理是利用化學(xué)藥劑通過化學(xué)反應(yīng)，使有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿芙庑?、低遷移性及低毒性物質(zhì)的過程。藥劑穩(wěn)定化處理具有處理過程簡單、設(shè)備投資低、最終處理量少的優(yōu)點，但是會產(chǎn)生高濃度無視鹽廢水，需要進一步處理。由于焚燒飛灰組分及重金屬形態(tài)的復(fù)雜性，以及對反應(yīng)機理缺乏起碼的認識，因此很難找到一種普遍適用的化學(xué)穩(wěn)定劑，也是該技術(shù)至今沒有進入規(guī)?；瘧?yīng)用的原因之一f71。高溫處理包括熔融和燒結(jié)兩種方式，高溫可以對焚燒飛灰中的二惡英類有害物質(zhì)進行徹底分解破壞，其分解率可離達99．9％tsJ。熔融可使飛灰中固體顆粒發(fā)生熔融相變，成為液態(tài)熔渣，然后經(jīng)快速冷卻形成致密的玻璃態(tài)熔渣，將重金屬固化在網(wǎng)格中實現(xiàn)穩(wěn)定化目的。

　　目前大約有4％灰渣采用熔融法處理，我國也有很多關(guān)于熔融技術(shù)研究的報道p幽。熔融處理的缺點在于所需能源和費用很高。燒結(jié)是在高溫作用下，固體顆粒獲得擴散能量，將大部分甚至全部氣孔從晶體中排除，在低于熔點溫度下變成致密堅硬的燒結(jié)體并符合材料特性的要求。物料在燒結(jié)過程中可以有效地固化各種重金屬。歐美發(fā)達國家生活垃圾焚燒飛灰中堿金屬氯化物含量較低，常將其作為硅酸鹽水泥的一部分原料入窯煅燒。垃圾焚燒飛灰經(jīng)燒結(jié)后成為陶瓷狀固體，可做混凝土骨料，以及用于路基、堤壩等。

　　目前，許多國家將飛灰與底渣混合收集共同處理處囂，近年來歐美發(fā)達國家在此方面的研究主要集中在飛灰固化作為建筑材料方面。對焚燒飛灰固化德定化的研究主要集中在改進水泥固化工藝和技術(shù)，以及研究高效固化／穩(wěn)定化藥劑和采用穩(wěn)定化技術(shù)代替固化技術(shù)?；瘜W(xué)穩(wěn)定化與其它處理方法相比，具有節(jié)能、效果好而費用適中的優(yōu)點，但是，由于是在常溫下進行，對二惡英沒有分解和破壞效果，因而處理后的飛灰仍應(yīng)填堙。日本和韓國等亞洲國家由于生活垃圾中塑料類物質(zhì)含量較高，焚燒飛灰中氯化物，尤其是堿金屬氯化物含量較高，采用水泥或石灰固化時其固化體的強度與浸水持久性較差，其對重金屬的阻截僅是由于其強堿性作用的緣故。同時對重金屬的長期固定效果差，二惡英很難被消除或穩(wěn)定化。因此，日本和韓國相關(guān)研究主要集中在高溫處理，尤其是熔融玻璃化方面。高溫處理法雖然處理費用較高，但因其穩(wěn)定化程度高，品質(zhì)均勻，可達到無害化、穩(wěn)定化和資源化的目標(biāo)，已受到越來越多的關(guān)注。特別是利用水泥窯獨特的高溫環(huán)境以及完善的污染控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，焚燒灰渣水泥窯處理技術(shù)越來越受推崇。

　　3．3利用水泥窯資源化處理焚燒飛灰技術(shù)的發(fā)展

　　3．3．I  水泥窯處理焚燒飛灰技術(shù)的優(yōu)勢和可行性

　　水泥窯協(xié)同處理危險廢物具有獨特優(yōu)勢：燒成區(qū)煅燒溫度高，物料的煅燒溫度為I 450"C，窯內(nèi)氣體最高溫度達2 000％．遠遠高于焚燒爐的850。C和1 200℃，二惡英可被徹底破壞；物料停留時間長，氣體在超過l 0000C的區(qū)域停留時間長達8s，麗在焚燒爐中則只有2s；水泥窯中的堿性氣氛有利于揮發(fā)分在氣體階段進行吸附，對HF、HCl、S0：有很強的中和作用；l 450％時的熟料反應(yīng)溫度可把重金屬以化學(xué)方式固化到熬料中，而且由于硬化水泥石的致密性，經(jīng)適當(dāng)處理?？梢杂行ё柚癸w灰中有害物質(zhì)的溶出；廢氣的冷卻速度快，避免了二惡英與呋喃的重新合成。

　　而且，焚燒飛灰顆粒微細，比表面積大，除少量有害物質(zhì)和氯、硫、堿含量過高外，主要成分不僅與水泥熟料相近，而且與水泥工業(yè)普遍利用的粉煤灰、礦渣等廢物差別不大，可以作為原料的一部分得到充分利用，徹底實現(xiàn)資源化麗避免進入填埋場。國際公約《巴塞爾公約》、《斯德哥爾摩公約》(中國均是公約國之一)的條文中明確摁定：“水泥生產(chǎn)過程中危險物(含廢物)的協(xié)同處理(系指通過廢物代替一次燃料或原料)方法已被認為是對環(huán)境無害的處理方法”。

　　大量研究表明，焚燒飛灰中的重金屬浸出和高溫揮發(fā)可以通過物理化學(xué)處理和礦物相的包容設(shè)計來進行常溫和高溫下的晶格和化學(xué)穩(wěn)定，實現(xiàn)重金屬的穩(wěn)定安全處理。用水泥窯煅燒不但可以有效固化重金屬，徹底破除二惡英，從而避免純粹采用煅燒或熔融工藝的高能源消耗，降低焚燒飛灰處理費用，同時替代日益短缺的水泥工業(yè)原材料。目前我國的水泥產(chǎn)量已超過lo億t，如果以每噸水泥吸納和處理0．05t(即5％)飛灰計算，則水泥工業(yè)每年可以處理500萬t焚燒飛灰。當(dāng)然不是所有的水泥廠都可以乖j用或有條件處理焚燒飛灰，但只要有10％的水泥廠有條件或可以利用，在目前就可以徹底消除垃圾焚燒飛灰，實現(xiàn)垃圾焚燒飛灰的資源化和無害化安全處置。水泥生產(chǎn)協(xié)同處理焚燒飛灰可以因地制宜，就地處理利用，避免長途運輸?shù)母哳~運輸費用以及可能引起的二次污染，因此這種技術(shù)在我國具有較大優(yōu)勢，是將來我國焚燒飛灰處理技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

　　3．3．2  國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　國際上于20世紀70年代開始研究利用水泥窯處置工業(yè)廢物，首次試驗子l974年在加拿大的Lawrence水泥廠進行[131，隨后美國的Peerless、Lonestar等十多家水泥廠先后進行了試驗，通過試驗證實。水泥窯焚燒廢溶劑、廢油等可燃性廢物不但節(jié)約了麓源，且對環(huán)境、水泥的質(zhì)量無影響。目前，美國大部分水泥廠使用液體的可燃性廢料，而且他們正逐趨向于使用污泥和固體廢料。歐洲聯(lián)合會自1994年開始利用回轉(zhuǎn)窯焚燒危險廢物，1996年，瑞士的HCB Rekingen水泥廠成為世界上第一個具有利用、處置廢物的環(huán)境管理系統(tǒng)的水泥廠。Nordic公司在它的Slite水泥廠采用了廢橡膠、廢塑料為二次燃料，以替代部分煤粉”。l997年日本秩父小野田公司以城市垃圾焚燒飛灰和下水道污泥等為主要原料(原料中城市垃圾焚燒飛灰占20％～30％)生產(chǎn)出了高強度水泥，并建成了世界上第一座生態(tài)水泥廠，2001年日本太平洋水泥株式會社建成了世界上第一條利用垃圾焚燒飛灰生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)線嘲。臺灣“中央大學(xué)”利用垃圾焚燒飛灰制成爐渣，這種爐渣經(jīng)激發(fā)具有火山灰活性，再用爐灰和爐渣生產(chǎn)出生態(tài)水泥。還有一些發(fā)達國家將水泥廠和垃圾處理廠聯(lián)合起來，既能生產(chǎn)水泥，又處理垃圾，回收能源的同時保護了環(huán)境，收到了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　我國在20世紀90年代初也已開展了利用水泥窯處理危險廢物的研究。上海金山水泥廠已連續(xù)多年成功利用水泥窯焚燒危險廢物；上海建材集團和同濟大學(xué)合作已在其下屬幾個水泥廠成功地進行了利用污泥等廢物煅燒水泥熟料的工業(yè)性試驗；北京水泥廠利用水泥窯處理有毒有害廢物也取得了一定成果；北京金隅集霞紅樹林環(huán)保技術(shù)公司正在籌建利用垃圾焚燒飛灰生產(chǎn)水泥項目。

　　發(fā)達國家利用水泥窯焚燒廢物已經(jīng)積累了豐富經(jīng)驗。隨著水泥窯焚燒廢物的理論與實踐的發(fā)展以及各國相關(guān)環(huán)保法規(guī)的建全，該項技術(shù)在經(jīng)濟和環(huán)保兩方面顯示出了巨大優(yōu)勢，已逐漸形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，并在危險廢物處理中發(fā)揮著重要作用。

　　4在水泥生產(chǎn)中資源化利用前景及技術(shù)關(guān)鍵

　　4．1在水泥生產(chǎn)中資源化利用前景

　　由于垃圾焚燒技術(shù)會產(chǎn)生大量的灰渣，并存在二次處理的必要性和二次污染的可能性，因此利用水泥廠協(xié)網(wǎng)處置城市垃圾勢在必行，而且已引起不少有識之士的重視I…。但是，由于我國現(xiàn)階段正在大力發(fā)展垃圾焚燒處理技術(shù)，在今后相當(dāng)長一個時期內(nèi)都會有大量的焚燒飛灰產(chǎn)生。因此，垃圾焚燒飛灰作為一種大量存在的潛在資源，其在水泥生產(chǎn)中的資源化利用一正在引起國內(nèi)外多方人士的重視，具有廣闊的前景。

　　4．2在水泥生產(chǎn)中資源化利用的技術(shù)關(guān)鍵

　　與其他固體廢物一樣，垃圾焚燒飛灰在水泥生產(chǎn)中的資源化利用，一是作為水泥生產(chǎn)原料；二是作為混合材。但是，由于垃圾焚燒飛灰中存在大量有害成分，會帶來一系列的問題，有可能影響水泥生產(chǎn)的正常進行和水泥的質(zhì)量，嚴重時甚至危及設(shè)備和工程安全。因此，我們應(yīng)從工藝、生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備、環(huán)境保護等各方面加強研究，協(xié)力攻關(guān)。目前至少尚有下列關(guān)鍵技術(shù)需要突破：和滲C蜀榭tT

　　1)直接作為水泥原料進入水泥窯時，氯、硫、堿等有可能會造成水泥窯預(yù)熱系統(tǒng)結(jié)皮、堵塞；水泥熟料中這些有害物質(zhì)含量過離，會導(dǎo)致水泥質(zhì)量下降。

　　2)直接利用作為水泥混合材時，工藝簡單，但氯將引起水泥混凝土中鋼筋銹蝕；堿、硫等也會導(dǎo)致水泥混凝土性能的劣化；二惡英和重金屬等的滲出會引起環(huán)境污染等。

　　3)環(huán)境保護方面除技術(shù)上需要解決環(huán)境污染的控制以外，最大聞題是現(xiàn)有危險廢物管理法規(guī)要求的障礙，必須解決重金屬的穩(wěn)定化問題和二惡英的污染控制問題。

　　4)我國垃圾焚燒飛灰在水泥生產(chǎn)中資源化利用時，其氯、硫、堿和重金屬等的處理目前主要是采用水洗和化學(xué)方法消除或穩(wěn)定，必須研究有效的、低成本的前期預(yù)處理技術(shù)。

　　5)二惡英的污染控制最有效的技術(shù)手段還需借助高溫處理，這也是制約垃圾焚燒飛灰直接作為水泥混合材的技術(shù)障礙；直接利用垃圾焚燒飛灰作為原料生產(chǎn)水泥時，雖然水泥窯的高溫煅燒環(huán)境為二惡英的分解無害化提供了技術(shù)可能，但仍須解決高溫下重金屬的揮發(fā)和穩(wěn)定化問題、二惡英的分解與降溫逆生成以及環(huán)境污染控制等闖題。

　　6)微量重金屬會影響水泥熟料的燒成．其進入水泥熟料后又會影響水泥的水化、硬化，而日還存在著從硬化水泥漿體或混凝土中滲出的可能性，必須控制其滲出和確保生產(chǎn)水泥的安全性。

　　7)垃圾焚燒飛灰做水泥原料或混合材，如何優(yōu)化水泥熟料礦物榴和承化產(chǎn)物的合理匹配設(shè)計。

　　8)垃圾焚燒飛灰在無害化、資源化預(yù)處理過程中所產(chǎn)生的二次污染物如何減量化與無害化安全處置：

　　5結(jié)束語

　　目前，垃圾焚燒飛灰在水泥生產(chǎn)中的資源化利用技術(shù)尚處在發(fā)展階段，尤其是在我國，仍尚處于起步階段。除了必須轉(zhuǎn)變觀念，把垃圾焚燒飛灰作為一種潛在資源對待，修改～些阻礙循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的法規(guī)以外，還有很多工藝、技術(shù)、設(shè)備和環(huán)保問題需要研究和解決。

　　垃圾焚燒飛灰由于廢物的來源及垃圾焚燒爐構(gòu)造和工藝等不同而重金屬和二惡英等有害物質(zhì)的類型和含量各異，使其對水泥生產(chǎn)中資源化耬用技術(shù)的求和影響十分復(fù)雜。因此，迫切需要加強投入，進行重點研究，探索多種處置矛fJ用途徑，根據(jù)具體情況研究采用合理的技術(shù)措施，確保利用垃圾焚燒飛灰制備的水泥的安全生產(chǎn)和使用，為在我國大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，建立有自主知識產(chǎn)權(quán)的水泥生產(chǎn)資源化利用垃圾焚燒飛灰技術(shù)奠定理論和實踐基礎(chǔ)，這對我國這樣一個垃圾焚燒飛灰排放量日益劇增且資源短缺的大國具有特別重要的意義。

　　我國城市垃圾處理已經(jīng)作為～項重要目標(biāo)納入國家“十一五”計劃。同樣，垃圾焚燒飛灰在水泥生產(chǎn)中的資源化利用也已引起各級政府的高度重視，同濟大學(xué)關(guān)于《處置利用垃圾焚燒飛灰共研制新型節(jié)能水泥》的研究已經(jīng)得到“十一五”《國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)》資助。相信在近幾年內(nèi)，垃圾焚燒飛灰在水泥生產(chǎn)中的資源化利用必將有飛躍發(fā)展。在全社會倡導(dǎo)節(jié)能、降耗、環(huán)保的新的歷史時期，水泥工業(yè)完全可以為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟作出更大的貢獻。