MSW焚烧炉渣性质及其资源化利用的研究进展

2020-10-31田盎然薛国强顾欢达

四川建材 2020年10期

李彬，田盎然，薛国强，顾欢达，唐强

(1.苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州 215011；2.苏州大学轨道交通学院，江苏苏州 215131)

0 前言

如图1所示,国家统计局记录我国每年MSW清运量不断增加，从2001年13 470万t增加到2017年的21 520.9万t，焚烧所占比例从2001年的1%增加到了2017年的39.3%，且增速高达8%～10%。而生活垃圾处理因其环境敏感性、与日常生活的息息相关性，已成为当下社会的热点及焦点问题。在各类垃圾处理方式当中，焚烧处理方式具有占地面积小、大量减少垃圾的体积及质量等优势，并将其中可燃物质与氧气反应，最终得到无机残渣，焚烧热能、产生电能可以再利用以节约资源。

图1 我国2002年至2017年MSW清运量、焚烧量及炉渣产量

为贯彻保护环境和坚持节约资源的基本国策，政府鼓励并推广焚烧处理设施在区域中的共建共享。巨量的MSW焚烧炉渣因此产生，而炉渣若单单进行填埋处理，则会导致土地资源被大量地占用而浪费。因此，本文主要从炉渣的物理化学性质、工程性质以及资源化再应用三个方面对国内外学者关于炉渣的资源化利用的相关研究进行了归纳与总结。

1 MSW焚烧炉渣的组成

1.1 炉渣的物理性质

1)炉渣粒径分布。

Tay等[1]对底渣粒径研究发现，其颗粒大小介于0.074～5 mm，其中71%是沙粒土(0.074～2 mm)，27%为砾粒土(>2 mm)，2%为粉粒土(0.002 mm～0.074 mm)。王学涛等[2]对干燥后的MSW焚烧炉渣进行了筛分试验，分析发现大部分颗粒的粒径处于1.0～19 mm，占比约79.7%，其次占14.2%的是0.25～1.0 mm的颗粒，小于0.25 mm和大于19.0 mm的颗粒各则占3.1%。不同地区生活垃圾种类的差异以及不同的破碎处理过程是导致MSW焚烧炉渣粒径组成差异的主要因素。

2)炉渣的微观形貌。许明磊[3]利用电子显微镜扫描底渣，发现其外表面凹凸不平，呈不规则的角状并且内部有许多孔洞。在更大倍数的电子显微镜扫描图中可以观察到，炉渣中部分晶体呈现为针状、团聚状和粒状，发育良好，但并不均匀，这是由于焚烧过程中温度和空气分布不均，停留时间不同导致的。而Brami等[4]利用扫描电镜发现MSW焚烧炉渣中的熔渣是由数量众多的小球或空心球体的复合而成。与前者研究发现的微观形态有一些差异，这可能与垃圾成分、燃烧状态等因素有关。徐谦等[5]通过电镜对底渣进行了扫描，放大到400倍后观察到许多小粒子团聚成的大颗粒组成了底渣，而颗粒表面形貌布满了孔洞且凹凸不平，孔隙率较高；放大到更大倍数后对底渣表面的微观形貌进行观察，可以发现其晶体发育良好且由粒状、针状和团聚状晶体等多种不规则晶体组成(见图2)。

(a)400倍放大

1.2 炉渣的化学性质

1.2.1 炉渣的元素组成

不同城市中生产的生活垃圾种类也不尽相同，因此，燃烧产生的炉渣化学组分也有一些差别。何品晶等[6]对上海某垃圾焚烧厂生产的炉渣的化学元素进行了测定，发现其主要主要元素包含了O、Si、Fe、Ca、AI、Na、K、C，此外，还含有少量的重金属元素Pb、Cr、Cd、As等；针对武汉地区的垃圾焚烧底渣，徐谦等[5]利用EDS能谱分析，发现其主要化学元素同样有C、O、Ca、Si，此外还含有少量的I、Mg、Fe、Zn、Al、Cl、K等，其中，C的含量高达58.44%，与之相似的是，张建铭[9]发现浙江省某垃圾焚烧厂的炉渣中C的质量比同样很高，达到了65.04%。这可能与焚烧过程中加入煤炭助燃的情况有关[5]。从上述几个地区的炉渣元素组成可以发现，Si、Fe 和AI元素的存在比较普遍，这可能是由于这几种元素的沸点很高从而难以挥发，沉淀在了底渣中。

1.2.2 炉渣的矿物组成

关于炉渣成分中含有的矿物组分问题，国内学者利用XRD即X射线衍射试验对广州、大连和上海市内某垃圾焚烧焚烧厂炉渣的化学组分进行了测定，具体如表1所示[7]。

表1 产自广州、大连和上海的MSW焚烧炉渣的主要矿物组分 %

由表1可知，不同地区的MSW焚烧炉渣的矿物组成类别并不完全相同，即使相同，对应的含量也不一样，这是因为生活垃圾成分十分复杂，且不同城市的经济发展水平、消费的习惯、垃圾分类的落实情况等都会影响生活垃圾以及MSW焚烧炉渣的组成。

1.2.3 炉渣的浸出

由于炉渣中含有重金属成分，而游离态的重金属离子极易通过土壤、地下水等进入食物链，从而危害到人体健康，因此，对于炉渣的重金属释放及浸出特性前期学者们展开了大量的研究。杨媛[8]试验采用了国标硫酸硝酸浸提法对炉渣的淋滤特性进行了测定，试验发现MSW焚烧炉渣浸出液中的重金属浓度都没有达到《危险废物鉴别标准》(GB5085.5-2007)中规定的危险废弃物浸出毒性标准限值。并且《国家危险废物名录》之中并不包含炉渣，因此，MSW焚烧炉渣可以作为一般废弃物被回收再利用。

2 MSW焚烧炉渣的工程特性

2.1 炉渣的击实特性

由于不同地区生活垃圾的种类有差别，MSW焚烧炉渣粒径组成也会有变化，因此，不同地区的焚烧炉渣会具有不同的击实特性。张建铭[9]对焚烧底渣进行了击实试验，测定其最大干密度为1.42 g/cm3，最优含水率为22%。击实曲线如图3所示，曲线平缓表明底渣具有较好的水稳定性，其含水量不会对干密度造成过大的影响，从而说明MSW焚烧炉渣具有良好的击实特性。R.Forteza等[10]通过击实试验测定底渣的最大干密度为1.8 g/cm3，最优含水率为12.3 %。通过上述学者的研究可知，炉渣的最大干密度为1.42～1.8 g/cm3，最优含水率为12.3%～22%。

图3 炉渣的击实曲线

2.2 炉渣的强度特性

2.2.1 炉渣的强度

针对浙江省内某垃圾焚烧厂生产MSW焚烧炉渣，张建铭[9]利用直剪试验测定了炉排型和流化床型两种炉渣在快剪和固结快剪的方式下的抗剪强度指标，如表2所示[9]。

由表2可知，流化床型炉渣试样的粘聚力低于炉排型炉渣试样的粘聚力，而摩擦角则略高于后者。因此，证明了不同焚烧方式生产的炉渣抗剪强度指标也不相同。

表2 两种MSW焚烧炉渣的抗剪强度指标

张晶洁[11]通过直剪试验对产自武汉某垃圾焚烧厂的炉渣及其混合材料的抗剪强度进行了研究。

如表3所示，炉渣加格栅的内摩擦角与纯炉渣的内摩擦角相似，同时前者的粘聚力明显高于纯炉渣，由此可知，炉渣加土工格栅与炉渣加双向格栅的抗剪强度主要是由炉渣和筋的界面粘聚力来提供的。

表3 抗剪强度指标

2.3 焚烧炉渣的综合再生利用

国外对炉渣的资源化利用比较广泛，比如代替碎石作为沥青混合材料的骨料、替换不良地基土作为道路路基填料等。美国在1970年至1980年大约10年间，利用混合灰渣材料至少成功地完成了6项沥青铺装工程项目，涵盖道路结构中的粘结层、耐磨层或者表层和基层[12]。

我国在MSW焚烧炉渣材料的资源化利用方面与国外相比有着较大的局限，主要途径是制作墙砖和地砖等。例如，徐福华等[13]对上海市某垃圾焚烧厂生产的炉渣为研究对象，将其与废玻璃为原材料制备彩色道砖，对检测了其有害物质含量和放射性，实验发现其各项有害物质指标均符合规范标准；曹旗等[14]对产自广州某生活垃圾焚烧厂的炉渣展开了研究，并分析了其作为在混凝土路面砖材料的合理性。