生活垃圾炉渣资源化利用技术探讨

王朝　杨洋

摘要：生活垃圾卫生填埋日益紧张的情况下，焚烧处理逐渐成为主要方式，而焚烧产生的二次产物日益得到广泛关注。本文重点探讨了生活垃圾炉渣的基本特性及其环境风险，并分析了生活垃圾炉渣资源化的主要利用手段。

关键词：生活垃圾；焚烧炉渣；资源化

中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2016）04-0042-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2016.04.009

Abstract：Nowadays， intense instance of sanitary landfill of municipal solid waste （MSW） increasingly. Combustion has become one of the main MSWtreatment methods in China. However， the secondary products from MSW incinerator were getting concerned. The aim of this paper is to investigate the basic characteristics and environmental risks of MSW combustionash， meanwhile， the main methods for MSW combustionashutilizationare discussed.

Key words：Municipal solid waste； Combustion ash； Recycling

随着我国居民生活水平的提高，城市固体废物的产生量急剧增加。据统计，2014年我国城市生活垃圾的清运量高达1.78亿吨，到2020年，我国生活垃圾年清运量预计将高达2.15亿吨。目前，城市生活垃圾的处理处置方式主要为卫生填埋和焚烧。在日本、瑞士、丹麦等国家，生活垃圾焚烧比例高达70%[1]。而在我国，生活垃圾焚烧所占的比例呈现逐年上升趋势。根据2013年我国统计年鉴显示，浙江省、江苏省垃圾焚烧分别占63%和58%。

焚烧炉渣是生活垃圾焚烧过程中的二次产物，主要包括炉排上残留的焚烧残渣和从炉排间掉落的颗粒物，有时也包括锅炉飞灰[2]。研究表明，焚烧1吨生活垃圾约产生0.2-0.25吨炉渣。目前，青岛市生活垃圾年产量约为200万吨，如全部进行焚烧处理，焚烧炉渣的年产生量约达到40～50万吨。焚烧炉渣作为一般固体废物，若将其进入一般工业或生活垃圾填埋场处置，将明显增加填埋场库容紧张的压力。因此，如何实现生活垃圾焚烧炉渣的合理化、资源化利用是迫切解决的环境问题之一。

本文重点探讨了生活垃圾炉渣的基本特性及其环境风险，主要包括元素组成、盐分和二噁英含量，并分析了生活垃圾炉渣资源化的主要利用手段。

1 炉渣的基本特性

生活垃圾焚烧炉渣一般由玻璃、熔渣、陶瓷和砖石碎片、石头、铁和其他金属等组成，大体呈黑褐色，含水率一般为10.5%～19.0%，热灼减率为1.4%～3.5%[3]。>20mm的焚烧炉渣大颗粒组分主要以陶瓷、砖块和铁为主，而<20mm的小颗粒焚烧炉渣组分则主要以熔渣和玻璃为主。焚烧炉渣中陶瓷、砖块、玻璃和铁主要是从垃圾中带来，其存在会降低垃圾热值，阻碍焚烧炉膛内的传质传热过程，大质量砖块和混凝土在进料时还可能会损坏炉膛等。炉渣中铁的总含量在 5%～8%，主要为铁罐和少量的铁丝、铁钉和瓶盖之类的物质。去除铁后的炉渣主要含熔渣、陶瓷碎片、砖石和玻璃，可燃物的总量小于0.5%，比较适合做材料利用。由于炉渣含铁及有色金属（主要为铝），与酸性液体接触时，会产生氢气，在炉渣资源化利用时可能会造成膨胀等不利影响[1]。

焚烧炉渣形貌呈不规则蜂窝状，表面多为玻璃质[4]。焚烧炉渣颗粒大小在0.074mm～5mm之间，其中大部分（约71%）是砂子大小（0.074mm～2mm）的颗粒，小部分是（约27%）是砾石大小（>2mm）的颗粒，其余是（约2%）煤粉大小（0.002mm～0.074mm）的颗粒。

焚烧炉渣主要由硅和铁元素组成，含量分别占42.5%和24.3%，其次是分别占18.8%和7.4%的铝和钙。相比上述常量而言，炉渣中锌、铅、镍和铬等重金属物质则都以微量形式存在。与焚烧飞灰不同的是，炉渣中的挥发性重金属（镉、汞和铅）含量比较低，其他重金属含量（银、钴和镍）与飞灰相似或高于飞灰（如砷、铜、铬和锰）[2]。此外，对炉渣进行重金属形态分析可知，焚烧炉渣中高毒重金属，如铬、镉、砷、锌、铅等，基本以残渣态形态为主，不稳定形态，如可交换态、弱酸提取态、铁锰氧化物结合态等含量均较低，这与焚烧飞灰相差较大。研究表明，焚烧飞灰中镉、铅、镍等高毒重金属含量较高，且主要以不稳定形态存在，潜在的环境风险较高，因此，焚烧飞灰被国家环保局列为危险废物。

除重金属外，二噁英也是焚烧炉渣中的有毒有害物质。二噁英类物质具有高毒性、致癌性、致突变性，在环境中的衰减时间短。研究表明，2，3，7，8-TCDD类物质再人体内的衰减时间长达5～10年，平均为7年。二噁英在焚烧炉渣中的存在也成为炉渣资源化利用的潜在风险物质，也是近年来研究的热点和难点之一。杨志军等[5]分别采集了3 种生活垃圾焚烧炉的飞灰或炉渣样品。研究结果表明，机械炉排焚烧炉飞灰中二噁英最多，总含量为319ng/g，毒性当量为6.7ngI-TEQ/g；气化熔融焚烧炉的熔融炉渣中二噁英很少，总含量为38.7pg/g，仅为机械炉排焚烧炉飞灰中的万分之一，其毒性当量也较低。从上述研究结果可以看出，焚烧炉渣的二噁英类污染物的含量远远低于飞灰，其毒性较低。焚烧炉渣在后续处理处置和资源化利用过程中二噁英类物质潜在风险较低。

盐分也是焚烧炉渣中潜在的有害物质之一。在焚烧炉渣资源化利用过程中，溶解性盐分含量会有所影响。例如，当炉渣作为混凝土材料时，盐分过高时会影响混凝土的强度。研究表明，生活垃圾焚烧炉渣中溶解性盐分含量较低，仅为总含盐量的0.8%～1.0%。可见，焚烧炉渣资源化利用时因溶解性盐而造成的二次污染行为的风险较低[6]。此外，焚烧炉渣初始pH值在11.5以上，能有效抑制重金属的浸出。

2 炉渣资源化利用的主要途径

2.1 生产水泥

焚烧炉渣可以与硅酸盐熟料、矿渣、石膏等原料一起，混匀后制成水泥。有研究表明，焚烧炉渣用量在15%～50%，硅酸盐熟料为1%～50%，矿渣为5%～50%，石膏为4%～8%时，所制的水泥物理性能均能满足水泥的国家标准（GB/T 3183-2003）要求，同时有害重金属溶出浓度也能满足GB3838-2002地表水V类环境质量标准要求。此外，炉渣用作水泥混合材时，使水泥磨台时产量略有下降，但对生产影响不大水泥的安定性均合格。此外，利用水泥窑炉处置垃圾焚烧炉渣制水泥时，生产过程中产生的烟气中二噁英、铅、镉、汞、二氧化硫、氮氧化物及粉尘浓度等污染物的含量或浓度均低于国家相关标准限值，所生产水泥的物理性质、钢筋的腐蚀性能、干缩性能、破碎溶出、重金属离子溶出等方面也能满足要求，不会对土壤、水和大气环境带来潜在危害[7]。

2.2 制免烧砖

焚烧炉渣可作为主要原料生产免烧砖。由于焚烧炉渣不具备火山灰活性，可选择水泥、石灰、石膏和激发剂等原材料制备免烧砖。焚烧炉渣的主要矿物形态为二氧化硅、氧化钙和三氧化二铝，其中二氧化硅和三氧化二铝能与水泥发生水化作用，与熟石灰发生二次水化反应。石膏属于一种硫酸盐激发剂，用来激发炉渣的活性。石灰的主要作用是能有效氧化钙与硅质材料发生反应，生成含水硅酸盐凝胶及结晶连生体，从而提高早期强度[8，9]。生活垃圾焚烧炉渣免烧墙体砖的制作方法，包括炉渣的预处理、炉渣的球磨、炉渣的筛分、粉料的制备、压制成型和自然养护的过程。

目前，国家大力推广和应用新型墙材，而焚烧炉渣制免烧墙体砖一种环保材料，焚烧垃圾制免烧墙体砖的应用不仅可以将大量生活垃圾焚烧炉渣得到利用，节约资源，能源、节约各项建设费用，考虑将砖厂建在生活垃圾焚烧发电厂附近，运输量减少，从而为建筑工程带来多项节约。因此，该生产线的产品有广阔的应用前景和良好的销售市场。此举也推进了“两会”提出的“节能减排、低碳经济”的策略。

2.3 其他

焚烧炉渣是经过高温烧结的产物，一般具有较高的比表面积，同时含有多种矿物质，如二氧化硅和三氧化二铝等，这些都有利于制备沸石材料[4]。这些沸石材料可被工业应用作为吸附剂，吸附溶液中不同的离子和分子。谭巍等[10]研究了生活垃圾焚烧飞灰用于制沥青路面的适用性。此外，炉渣中含有植物生长所需的磷和钾元素，因此有学者研究用其替代部分肥料投入土壤中，从而促进农作物的生长。研究发现，经灰渣改良过的土壤种植出来的植物比未改良土壤的大1.5～2倍，也比单独用P肥或K肥改良过的要大。除此之外，由于灰渣中氧化钙含量较高，可以利用其高碱度替代石灰投加到酸度较高的土壤中，改良土壤条件。

参考文献

[1]王国安，刘伟，田国华.城市生活垃圾处理技术及焚烧炉渣资源化利用研究进展[J].江苏建筑，2014，6：96-98.

[2]何品晶，宋立群，章骅等.垃圾焚烧炉渣的性质及其利用前景[J].中国环境科学，2003，4：395-398.

[3]王金波.规划环境影响评价指标体系的研究及应用[M].东华大学硕士论文，2007.

[4]宋立杰.生活垃圾焚烧炉渣特性及其在废水处理中的应用研究[D].同济大学博士论文，2006.

[5]杨志军，倪余文，张青等.垃圾焚烧飞灰或炉渣中二噁英的分布特征[J].中国环境科学，2004，5：524-527.

[6]张晓秋.浅谈生活垃圾焚烧发电灰渣处理[J].城市建设理论研究（电子版），2012，12.

[7]谢燕，吴笑梅，樊粤明等.水泥工业协同处置城市生活垃圾焚烧炉渣的工业应用[J].水泥，2010，9：13-18

[8]易伟，沈金健，杨海根等.生活垃圾焚烧炉渣制免烧砖实验研究[J].中国环保产业，2008，6：39-41.

[9]杨媛，吴清仁，曹旗等.利用生活垃圾焚烧发电厂炉渣制备免烧砖的研究[J].新型建筑材料，2010，8：40-43.

[10]谭巍，李菁若，季炜等.城市生活垃圾焚烧飞灰在沥青混合料中的应用[J].中国公路学报，2016，4：14-21.

收稿日期：2016-07-26

作者简介：王朝（1983-），男，工程师，主要从事建筑工程质量检测.