利用焚烧飞灰作为混合材生产水泥的方法

摘要

本发明为一种利用焚烧飞灰作为混合材生产混合水泥的方法，对于焚烧飞灰采用不同pH值的溶液进行浸泡洗涤，脱除其中绝大多数重金属及有害离子。将处理的焚烧飞灰作为水泥混合材，生产出来的混合水泥各项性能指标符合国家标准。本发明把焚烧飞灰变成了一种有用的建设资源，一方面彻底解决了焚烧飞灰的出路和二次污染问题，另一方面又减少了水泥用量，是对焚烧飞灰等废弃物处理利用的突破，具有显著的社会效益、经济效益，有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属垃圾焚烧飞灰处理利用与建筑材料技术领域，具体涉及一种垃圾焚烧飞灰无害化、资源化处理方法，以及将其作为混合材生产水泥的技术。

背景技术

随着城市建设的飞速发展，我国城市废弃物的排放也急剧增加，已成为制约经济发展的重要因素。如何经济有效地治理这些垃圾，防止污染，这是一个跨世纪的环保热点问题。废弃物的有效处理或再生利用，不仅技术要求较高，且投资及处理费用亦大。城市废弃物的处理方法有直接填埋、堆肥和焚烧等，我国大部分城市都采用直接填埋。随着可用填埋场地的减少和填埋成本的提高，堆肥因市场原因受到大规模限制且堆肥质量不理想，垃圾焚烧法越来越受到重视。垃圾焚烧技术由于可以有效地破坏有机毒性物质，大大降低垃圾的体积，而且可以回收能源，将会成为我国垃圾资源化、无害化和减容化处理技术的重要研究和发展方向。

但是垃圾焚烧后总会产生一定数量的焚烧灰渣。根据垃圾组成和焚烧温度，焚烧时间的不同，残渣的量约占垃圾焚烧前总重量的5-30％。同时，焚烧也必然会浓集某些化学成分，如重金属物质等。按有关标准，垃圾焚烧产生的飞灰因其含有较高浸出浓度的铅和镉等重金属而属于重金属危险废物，在对其进行最终处置之前必须先经过固化/稳定化处理。目前我国城市垃圾的焚烧技术还处于摸索和经验积累阶段，焚烧炉的灰渣和烟气除尘器的飞灰(统称为焚烧灰渣)的处置还未得到足够的重视，几乎全部采取填埋或固化处理，有关焚烧灰渣的处置利用研究更是几近空白。传统的水泥固化技术在处理重金属废物时存在下列问题：(1)需要使用大量水泥，致使废物增容比较大，使固化的费用急剧增加而失去价廉的优势，同时也给后续的运输与处理带来困难；(2)水泥固化基质体的高孔隙率和高渗透性；(3)固化体的强度非常低(28d的强度仅0.35-0.70MPa)，而一些重金属(如Cu、Pb、Zn等)的加入会延缓水泥的凝结和硬化，固化体中的重金属在环境介质的侵蚀下将面临转移到环境中的潜在危险，对环境可能造成二次污染，以及固化体难以再生利用等问题。因此如何安全有效地处置利用焚烧飞灰已成为急需解决的环境和社会问题。与此同时，我们注意到焚烧飞灰中的主要化学成分与目前常用的高炉矿渣，粉煤灰等水泥混合材料非常接近，均属CaO-SiO₂-Al₂O₃(Fe₂O₃)体系，焚烧飞灰既有污染性，又有资源利用性。国内外以前对焚烧飞灰的处置均着重于无害化处理，而对其所具有的资源性却未能充分利用，尤其是焚烧飞灰的胶凝活性尚无人关注。国内外公开发表的文献中对焚烧飞灰的研究大多是关于如何将其稳定固化后填埋。

为解决城市生活垃圾的污染问题，仅上海市目前就已建成两大两小四个生活垃圾焚烧厂。日处理量达3000t/d。如果按焚烧1t垃圾由20％灰渣生成，则四厂每天会有600t的焚烧灰渣生成。如此大量的灰渣产生，若未对其进行适当的处理和利用而直接堆置和倾倒，不仅会浪费资源，更严重地将会污染环境，对人民的生产和生活造成很大危害。如何将焚烧灰渣安全而有效地处置利用，是当前人们关注的一个重点课题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种利用垃圾焚烧飞灰作为混合材生产水泥的方法。

本发明提出的利用垃圾焚烧飞灰作为混合材生产水泥的方法，由焚烧飞灰、硅酸盐水泥熟料和石膏混合、粉磨而成，各组份的重量配比如下：

焚烧飞灰∶水泥熟料∶石膏＝(1-5)∶(15-20)∶1。

上述方法中，对于重金属和有害离子含量高的垃圾焚烧飞灰先采用不同pH值的溶液对其进行浸泡洗涤，脱除其中的大部分重金属和有害离子，以保证焚烧飞灰的安全利用。

具体步骤如下：先用水溶液浸泡，液固重量比为20-200，浸泡时间4-8小时，过滤；对过滤物再用pH值为4-6的酸液浸泡，液固重量比为20-200，浸泡时间4-8小时，过滤，烘干，即得处理后的焚烧飞灰固体物。

上述浸泡洗涤用的酸液可以是盐酸、硫酸等。

经过上述浸泡洗涤处理，垃圾焚烧飞灰中的重金属及有害离子被大部分脱除，达到可安全利用的程度。

本发明提出的混合水泥具有良好的物理力学性能，完全符合国家标准。

本发明将垃圾焚烧飞灰作为混合材生产水泥。对于有害物质含量较高的焚烧飞灰先经过浸泡洗涤处理，脱除其中绝大多数重金属及有害离子。生产出的混合水泥各项性能指标符合国家标准，做到变废为宝。本发明将环境废弃物处置与材料科学的发展有机地溶为一体，是对焚烧飞灰等废弃物处置利用的突破，具有显著的社会效益和经济效益，有广阔的应用前景。

具体实施方式

所用焚烧飞灰取自上海浦东御桥垃圾焚烧厂烟气除尘器，焚烧飞灰的主要化学成分波动范围见表1。

                             表1焚烧飞灰的主要化学成分波动范围(％)

  名称      SiO₂    Fe₂O₃  Al₂O₃ TiO₂   CaO   MgO    SO₃   Cl^-    f-CaO  烧失量

  飞灰      22.5-     3.0-     6.2-     0.3-0.  21.3-  2.1-3. 11.0-  8.5-10  0.5-   20.0-

            26.5      5.0      8.5      9       25.5   2      12.5   .0      1.5    22.0

从表1中可以看出焚烧飞灰中的主要化学成分也是CaO、SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃，与目前常用的高炉矿渣、粉煤灰等水泥混合材料非常接近。

但是焚烧飞灰中又含有较高浓度的重金属等有害物质，其重金属含量及浸出毒性见表2。

                               表2焚烧飞灰的浸出毒性

   金属名称  焚烧飞灰浸出液浓度(mg/l)    焚烧飞灰中重金属含量(mg/kg)    固体废物浸出毒性

                                                                        鉴别标准(mg/l)

      Zn           54.0-59.0                   3000-4500                      50

      Pb           24.0-28.0                   1200-1850                      3.0

      Cu           5.5-10.5                    380-680                        50

      Cd           1.2-3.5                     30.5-43.7                      0.3

      Cr           1.5-4.3                     128.0-160.5                    1.5

从表2可以看出，焚烧飞灰浸出液中Zn、Pb、Cd、Cr的浓度均高于固体废物浸出毒性鉴别标准(GB5085.3-1996)，也正是因为这一点使焚烧飞灰被普遍认为是一种危险废物，因此在对其最终利用时必须对其中重金属等有害物质进行特别处理。

焚烧飞灰中含有较高浓度易被水浸出的重金属离子，因此对重金属含量高的焚烧飞灰可以先进行预处理后利用。我们用不同pH值的溶液对焚烧飞灰进行两次浸泡处理，脱除大部分的重金属，从而保证焚烧飞灰的安全利用。先用水溶液进行浸泡，液固比为100；浸泡6h后过滤，再用pH＝5左右的酸液进行浸泡，液固比仍然为100，浸泡6h后过滤，将过滤后的焚烧飞灰进行烘干。焚烧飞灰经处理后重金属含量分析结果见表3。

                        表3焚烧飞灰中的重金属含量(mg/kg)

         重金属       焚烧飞灰处理前       水溶液浸泡后       PH＝5的酸液浸泡后

Zn     含量(mg/kg)         3269              1237.2               215.8

       去除比例(％)        0                 62.2％               93.4％

Pb     含量(mg/kg)         1515              1054                 74.2

       去除比例(％)        0                 30.4％               95.1％

Cu     含量(mg/kg)         563.2             392.60               64.2

       去除比例(％)        0                 30.3％               88.6％

Cr     含量(mg/kg)         157               107.5                11.6

       去除比例(％)        0                 31.5％               92.6％

Cd     含量(mg/kg)         36.71             26.29                6.50

       去除比例(％)        0                 28.4％               82.3％

由表3可以看出，经过两次浸泡，焚烧飞灰中绝大多数重金属均可以脱除，焚烧飞灰经处理后主要化学成分分析结果见表4。

                      表4焚烧飞灰经处理后主要化学成分(％)

     名称     SiO₂    Fe₂O₃  Al₂O₃  CaO    Cl^-  SO₃   Na₂O    K₂O

   焚烧飞灰   24.5     4.01      7.42     23.37   10.0  12.03   4.25     4.53

   水洗后     24.2     3.98      7.15     22.52   1.20  3.38    1.78     1.31

   酸洗后     20.9     3.54      6.42     20.51   1.60  4.08    1.64     1.48

从表中可以看出，焚烧飞灰经水洗和酸洗后，其主要氧化物SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃和CaO的变化并不大，这对于将处理后的焚烧飞灰用作为水泥混合材料是十分有利的。而一些对水泥性能会产生不利影响的成分，如Cl^-、SO₃、Na₂O和K₂O等可溶性盐类则大幅降低。

将处理过的焚烧飞灰按下列比例与硅酸盐水泥熟料及石膏混合、共同粉磨，焚烧飞灰∶水泥熟料∶石膏＝10-20％∶75-85％∶5％，生产混合水泥，控制水泥细度约340kg/m²。将制得的混合水泥按普通硅酸盐水泥国家标准进行各项性能检测。检测结果见下表。

                           表4混合水泥各项性能检测结果

          SO₃   MgO     安定性       凝结时间           细度      烧失量      28d抗压强度

          (％)   (％)             初凝         终凝     (kg/m²)    (％)          (MPa)

                                (h∶min)     (h∶min)

混合水泥  2.7    3.8      合格  1∶50         2∶43      340        2.5           44.9

国家标准  3.5    ＜5.0    合格  ≥45min       ≤6.5h     ＞300      ＜5.0         ≥相应的强

                                                                                  度等级

从表中可以看出，混合水泥具有良好的物理力学性能，完全符合国家标准。混合水泥还需考察其重金属浸出情况，这样才能保证其安全使用。重金属浸出试验按照《固体废物浸出毒性浸出方法 水平振荡法》(GB5086.2-1997)进行，滤液用ICP进行分析，下表列出了28天龄期的混合水泥硬化浆体中重金属的浸出情况。

                              表5混合水泥硬化浆体中重金属的浸出(mg/l)

                               Zn         Pb           Cu           Cd             Cr

 混合水泥                      0.074      0.052        0.024        0.002          0.089

 固体废物浸出毒性鉴别标准      50         3.0          50           0.3            1.5

从表中可以看出，掺焚烧飞灰的混合水泥中重金属浸出量很低，说明经预处理后焚烧飞灰在水泥中由于稀释效应、胶凝材料对重金属的物理包容以及化学结合等共同作用，使得重金属在水泥中得以稳定存在，其浸出远远低于固体废物浸出毒性鉴别标准。因此焚烧飞灰作为水泥混合材使用是绝对安全可靠的，产品可以根据焚烧飞灰的掺量套用普通硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥的国家标准。