浅析德国焚烧炉渣处理技术现状

2019-09-23严陈玲陈洁

再生资源与循环经济 2019年8期

严陈玲，陈洁

（1.北京市城市管理研究院，北京100028；2.生活垃圾检测分析与评价北京市重点实验室，北京100028）

在我国，生活垃圾焚烧炉渣属于一般废弃物，可直接填埋或作二次建材利用。我国现行的生活垃圾填埋场污染控制标准（GB 16889—2008）规定，生活垃圾焚烧炉渣（不包括焚烧飞灰）可以直接进入生活垃圾填埋场填埋处理。炉渣处理方法包括自然风化、水洗、固化处理、化学药剂稳定处理等[1]。

欧盟标准委员会第12 920 条法规规定，城市生活垃圾焚烧炉渣如果不进行稳定化处理，将不能填埋或资源化利用。因为焚烧的垃圾组成复杂，炉渣中可能含有多种重金属、无机盐类物质，有害成分可能会在酸雨等因素作用下浸出而污染环境。

在德国，固体垃圾在分类回收之后，将剩余部分进行焚烧处理是常规做法。据德国联邦统计局2015年的数据称，2013年，德国焚烧的固体垃圾总量为2 480 万t，其中的主要部分是剩余垃圾、商业垃圾和大件垃圾。焚烧后产生的炉渣量为669.6 万t，占固体垃圾总量的27%[2]。在这些炉渣里，几乎包含了固体垃圾里含有的所有金属成分。

1 德国焚烧炉渣中金属成分概况

德国就剩余垃圾中的金属含量问题开展了很多相关研究。例如，汉堡市每年进行一次相关研究，而对商业垃圾和大件垃圾就很少开展类似研究。借助众多的文献检索信息以及汉堡工业大学提供的补充性研究结果，德国获取了三大主要垃圾，即剩余垃圾、商业垃圾和大件垃圾中的金属含量的平均值，情况如下：剩余垃圾中金属含量约为2%，商业垃圾中金属含量约为4.9%，大件垃圾中金属含量约5.4%[3]。大件垃圾中的金属含量很大程度上取决于收集系统（上门收集和回收点回收）以及垃圾在上门收集系统处的滞留时间。

各类文献给出的从炉渣中回收利用的金属比例也非常不同。经常被引用的是Pretz[4]的数据：铁的回收利用率很高，为92.5%，而非铁金属的回收利用率仅为34%，大多数情况下只能达到11%。德国联邦环境总署委托开展的多个最新研究也引用了这些数值。根据《欧盟垃圾焚烧系统设计规范》，铁的回收利用率为55%～60%，非铁金属的回收利用率为50%。Deike[5]的研究结果显示，所选样的三座垃圾焚烧设施中，所有金属的回收利用率为92.7%。

2 2015年德国炉渣处理技术现状

德国对垃圾焚烧设施中产生的炉渣如何开展金属回收再利用进行了大量的文献分析，并借助广泛的问卷调查进行信息汇总。他们把调查问卷派发给垃圾焚烧炉渣处理商和再利用者组成的利益共同体、德国热式垃圾处理设施利益共同体的各个成员，问卷内容涵盖进料量、出料量、炉渣的起始条件、炉渣处理和市场化情况。为了确保竞争者之间不互相透露信息，直接由汉堡工业大学对问卷答案做出分析评价。该答案对德国炉渣处理情况有了约80%的了解。

炉渣产生者和再利用者提供的问卷调查结果显示，德国目前正在以非常高的水平推进炉渣的处理水平。传统意义上来讲，处理炉渣时，首先从湿式除渣器中卸料开始。经过1～12 周的老化时间（平均约为4 周）之后，开始提取金属。根据炉渣中颗粒物的大小粒径，借助磁力分选机将铁分选出来，借助涡流分选机将非铁金属分选出来，详见图1。在磁力分选机中，主要使用超带宽磁铁、滚筒磁铁、磁带线圈以及个别的挖掘机起重磁铁。在一些焚烧设施里，直接在湿式除渣器中卸料时将大颗粒铁屑分离出来。

在对非金属进行分离时，除了使用一般情况下的涡流分选机之外，还会使用传感技术，并根据需要对非金属分离机进行合适的调整。此外，非铁金属在皮带上的分布情况以及材料的湿度也是关键要素。不锈钢也属于非铁金属，通常需要借助手动筛选将其在皮带单独的位置分离出来。

图1 德国焚烧炉渣处理技术

基于调查问卷的结果以及其他的筛分技术和化学研究情况，德国家庭垃圾焚烧炉渣的处理技术及现状可以描述如下。

利用5 台磁力分选机，在除去约2%的杂质成分，也即是废料部分的情况下，可以将所有炉渣中7.7%的铁进行回收利用；平均利用5 台涡流分选机，可以对炉渣中1.3%的非铁金属进行回收利用。在非铁的成分里，共存在30%的废料部分，都不在计算范围内。一般是在焚烧结束后的平均4 周内进行这样的回收利用，处理的炉渣直径最小为2 mm。比这个直径更小的炉渣颗粒也可以予以处理，且处理水平一直在不断提高中。处理之后，89%的矿物部分保留下来。图2 总结性地显示了炉渣处理后的出料情况。

利用目前的技术，固体垃圾中的76%金属得到了回收利用，其中铁的回收利用率平均为82%，非铁金属的回收利用率平均为56%。在大颗粒成分中，铝占主要成分，在直径介于2～5 mm 的小颗粒成分中，铜的份额多达50%。和多数人的意见相左的是，铝可以很好地从炉渣中予以回收后进行再循环利用。氧化损失主要出现在较薄的铝层上。

图2 炉渣处理后的出料情况

需要注意的是，该行业一直在不断完善各项技术，这些数值描述了整个德国的平均情况，且该行业存在很大的差异。例如有些处理设施里，铁的回收利用率为4.8%，而在另外一个设施里，铁的回收利用率可能为10.7%。非铁金属的差异率则达到0.8%～1.7%。

3 焚烧炉渣中的金属质量

抽样对象是3 座不同的设施以及其中一座处于不同季节的设施。炉渣处理设施的建造情况和内部设置情况对金属的质量和数量产生最大的影响。不同的焚烧设施和待处理的固体垃圾的湿度是重要的影响参数。但是，不同季节对金属质量的影响却不能识别出来。

在对抽样的处理设施进行质量和量化总结分析时，对不同的非铁混合金属也进行了抽样调查。他们基本上由铜、黄铜和铝组成，也包含份额不低的杂质成分。继而对粒径分别为2～5 mm，5～18 mm 以及18～45 mm 的3 种非铁成分样品进行抽样调查。使用X 射线荧光手动分析仪对最小粒径成分进行酸洗后，再进行人工筛选。很明显的是，在非铁成分里，作为两大主要成分中的铝的含量约占80%。此外，在5～18 mm 的颗粒成分中，铜的份额比更大颗粒成分中要稍微多一些。在观察2～5 mm 颗粒成分时，铜的含量平均为50%，黄铜的含量较低，铝的含量约为45%。

将炉渣处理设施里回收的非铁成分进行收集后，在进行直接融化之前还需要再一次予以处理。最通用的中间处理方法是漂浮-沉降技术，也会使用排字机和X 射线荧光素方法。

将铝单独作为产物从炉渣中回收后，经常要进行耗时耗力的分选，即动用人员进行手工分选，然后作为不同粒径大小的非铁混合金属出售。

纯黄铜成分价值高，可以直接予以利用，而铝则不是一直这样。一直以来大家都认为，在焚烧过程中，铝会出现损失，也就是说，炉渣中所含的铝在直接焚烧后，除了产生一定的热值之外，不能再回收利用了。大家甚至猜测，铝在发生相应的质量损失之后，如氧化和融化过后，不能实现或者只能有限地进行再回收利用或者再循环利用。

各种早期的研究给出了不同的研究结果。Deike[5]描述，焚烧时，只在铝的周围形成很薄的氧化层，正好对内部的铝形成了保护，避免发生进一步氧化。2015年，西班牙开展的一份研究结果也对此加以了证实，该研究对象是剩余垃圾焚烧中铝的氧化物。在850 ℃时，以及在氧气含量为6%的实验室里，对铝层厚度介于1～122 μm、呈现不同几何形状的铝包装进行焚烧。结果显示，在金属表面形成氧化铝层后，随着铝包装层厚度的下降，氧化铝的厚度则增加。但是总的看来，都没有超过17%的铝被氧化，也就是说，在剩余垃圾处理设施里，焚烧中铝的损失保持低于20%的状态。

米兰也对含不同比例的铝质包装物在焚烧中的残留情况进行了各种研究，这对之前的研究结果进一步做出了补充。该研究是将铝制包装物混合在剩余垃圾里进行焚烧，继而对其可循环利用率和氧化行为进行研究。发生氧化的结果为：铝制罐头9.2%，铝制盆碟17.4%，铝制薄膜58.8%。总的来说，在垃圾焚烧中，对铝进行回收再利用是可以的。铝层越薄，氧化损失越大[6]。