城市生活垃圾焚烧炉渣的特性分析

摘要：随着焚烧炉渣存量的快速增加，焚烧炉渣的合理处置与资源化利用成了新的研究课题。现有炉渣的资源化研究主要倾向于将其转化为建筑材料，但可行性受到其来源和自身特性的影响，在资源利用过程中出现了不同程度的工程质量或污染问题，制约了其规模化应用。对垃圾焚烧炉渣进行系统全面的理化特性分析和研究是实现垃圾焚烧炉渣的消纳与资源化的前提。

关键词：城市生活垃圾；焚烧炉渣；特性分析

1城市生活垃圾焚烧炉渣的特性

研究样品分别来自广州、桂林、苏州、宁波、重庆和沈阳，依次标记为样品1—6。各垃圾焚烧厂运行时间均在近5年内，广州市的焚烧厂最早，运行起始于2011年，沈阳的焚烧厂在2019年开始运行。各垃圾焚烧厂焚烧炉类型和处理能力有所差异，但焚烧温度基本相同，均高于850℃。各地垃圾焚烧炉渣的产生比例大致相同，占垃圾焚烧总量的20%～25%

1.1炉渣物理性质分析

（1）物理组成

炉渣组分种类较多，主要组成部分是熔渣、有机物、黑色金属、有色金属和玻璃碎片等。在本次实验操作当中，我们选取大约600g的炉渣，然后放置于鼓风干燥箱当中，对炉渣进行烘干操作，直到炉渣的重量不再变化，在烘干操作之后，称量己经干燥至恒重的炉渣大约500g克，对其进行下列操作：首先进行磁选操作，旨在分离选择出炉渣当中的黑色金属。接着需要使用摄子等工具手动分离剩余的炉渣，依据剩余炉渣当中玻璃和有色金属的外观不同，形状不同以及特征不同等条件，将玻璃碎片和有色金属进行有效的分离。通过上述操作之后，将对剩余的熔渣，分离出的有机物、各色金属和玻璃碎片等进行准确的称量操作，以确定其各自的重量。显而易见的是熔渣含量最高、黑色金属次之，有色金属再次，而玻璃碎片和有机物的含量最低。在上述的样本中，通过分析可以得知，含量最高的熔渣大部分是由于燃烧生活垃圾而产生的，它的最主要的成分是不可燃烧的无机物，同时也含有可燃物燃烬灰分、未燃烬炭、残余的添加剂和大量燃烧产生的反应生成物的存在；而含量次之的黑色金属和有色金属，它们主要是一些废铁、铜和铝等金属物质；玻璃碎片主要来自于各种玻璃容器和器具，如玻璃窗等；有机物主要是为燃烧或是未燃尽的塑料、木板、纸张等。

（2）微观形态

使用SEM扫描电镜对6个垃圾焚烧炉渣样品进行微观形态分析。由图可知：放大1000倍时，观察到炉渣大小形状不一，边缘多呈现不规则状，且表面较为粗糙；放大5000倍（图2b）观察炉渣颗粒形态，6个样品中的炉渣颗粒形状不同，颗粒表面凹凸不平，有球状、针状、棍状等不规则晶体附着在其表面，且中间空隙较明显；将炉渣颗粒进一步放大10000倍，观察某一炉渣表面的部分形貌细节，可以看出不同地区垃圾炉渣存在较大差别，例如样品2和样品5的炉渣中多由针状、片状、短棒状等多种不规则晶体组成，而样品1、样品3、样品4和样品6多为多孔海绵状不规则晶体组成。总体来看，生活垃圾焚烧炉渣为由不规则状小粒子黏结成的大颗粒团聚体，且由于各地区生活垃圾组分以及焚烧工艺的差异存在不同。

1.2炉渣化学性质分析

（1）热酌减率

热酌减率是指焚烧炉渣经灼烧减少的质量占原焚烧炉渣质量的百分比。依据CJJ90—2002《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》，炉渣热灼减率应控制在3%～5%。本次实验利用马弗炉600℃进行炉渣的热酌减率实验，结果表明：除样品3生活垃圾焚烧炉渣热酌减率为3.1%外，其余地区焚烧炉渣热酌减率均低于3%，说明当前各地区垃圾焚烧场焚烧充分，有机物燃烧彻底。

（2）浸出毒性

由垃圾焚烧炉渣浸出毒性检测结果见表可知：六地区生活垃圾焚烧炉渣的浸出液毒性均远低于GB5085.3—2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》，属于一般固体废弃物；与存量垃圾土相比，除锌浸出含量低于垃圾土外，其余重金属浸出含量均与其接近。无论炉渣或存量垃圾土，锌浸出含量较高，均由于我国垃圾分类执行效果不明显，部分电池与生活垃圾混合丢弃。将炉渣的重金属浸出含量与GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类水标准和GB5084—2005《农田灌溉水质标准》进行对比，仅样品6中Cr和样品4、5中Pb浸出含量稍超出标准限值。因此，本研究涉及的生活垃圾焚烧炉渣可作为一般固废进行处理，其处理或资源化利用时对环境造成危害的可能性不大。

2生活垃圾焚烧炉渣应用

2.1水泥和混凝土

炉渣作为替代材料生产水泥的实验己被广泛研究，但适当的处理必须采取措施以满足生产水泥、熟料质量和环境安全要求。由于炉渣和水泥成份类似，主要成分为硅酸、钙和铝，再加上科学的制作工艺就可以制造出高质的硅酸盐水泥，通过炉渣对水泥原料进行替换具有高度的可行性。炉渣水力特性取决于其碱度，碱度越高，其水力特性越强。有研究给出的CaO/SiO2是最简单的碱度指数，其比值必须大于1。钙含量相对较高的炉渣与水泥的水化胶凝反应相似，这暗示了炉渣作为替代骨料的巨大潜力。混凝土强度和耐久性受炉渣的物理和化学特性影响，垃圾原料决定了炉渣化学成分，冷却的方法决定了炉渣的物理结构。渣碱度和玻璃相达到较高的水平的混凝土性能更为出众。炉渣使用前必须经过脱水、干燥和研磨处理，炉渣的胶凝性反应速率随炉渣细度变小而提高。还有研究通过改变炉渣的粒度分布实验表明，在混凝土中掺入细小的炉渣颗粒降低波特兰水泥建筑能耗，用粒径2-8mm炉渣做成的混凝土整体性能高于粒径8-16mm炉渣做成的混凝土。将炉渣利用在混凝土中时，一般进行活性激发处理。

2.2陶瓷与玻璃

陶瓷为非均质材料，主要有天然原料混合组成，这表明这些原料可以被不同类型的废料代替。有研究表明使用大量处理后的炉渣可作为生产陶瓷原料，获得新的陶瓷具有良好性能。生活垃圾焚烧炉渣中SiO2、AL2O3、Ca0含量高，可以替代粘土生产陶瓷。采用较高温度（>1.000℃）能促进炉渣有效掺入陶瓷基体中，炉渣中活性较强的重金属促进烧结过程。加入炉渣可以降低烧结温度节约能源，最终产品通常无有害物浸出。有研究采用“混合微波烧结”工艺将炉渣（掺量高达55wt%）制成陶瓷砖，基于微波热处理制成的陶瓷材料，在经5min、900℃的热处理，样品参数就符合相关标准。炉渣玻璃化是一个具有吸引力的废物利用过程，可以破坏有害有机物，固定重金属，减少固体废物使用量。炉渣中含有较高含量、呈玻璃网状的Si02，这表明利用这些废物制成玻璃材料的适宜性。将CaO、K20等物质充当核心的助熔剂，利用常规的熔融淬火方法将炉渣在高温环境中加热处理，在合适的粘度下倒入模具，冷却后得到均匀光滑的黑色玻璃。这种玻璃在水中和碱性溶液中表现出良好的化学稳定性，具有良好的机械性能和化学性能，可用于建筑材料，例如作为墙壁和屋顶板材料。垃圾焚烧灰渣造玻璃的利用率在90%左右，明显降低生产成本。

2.3道路路基

兴建道路需要采购大量材料，为提高环保意识，应尽量减少材料的使用。炉渣可以用作道路柔性路面基层和底基层材料，与传统碎石材料相比，炉渣是一个优异的高致密替代碎石材料。当炉渣代替原始材料作为基层材料，不会有额外的能量消耗或物料消耗，唯一的区别是，炉渣到道路施工现场的运输距离长于运输天然材料的距离，因此用于路基填充大大减少垃圾焚烧厂对炉渣的处理量和天然材料的消耗。

2.4垃圾填埋场覆盖材料

堆填区采取了合理的环境保护设施，其中比较典型的是应用现代化的渗滤液回收系统，进而让炉渣因重金属对人类身体健康造成的威胁能够有效的消除，综合各方面因素进行考虑，炉渣充当垃圾填埋场覆盖材料是非常理想的选择。

参考文献：

[1]程曦，朱广，徐辉，缪建冬，陈萍.生活垃圾焚烧炉渣的工程特性[J].环境卫生工程，2018，2603：18-22.

[2]詹婷婷，邱战洪，郑婉珍，姚俊.生活垃圾焚烧炉渣覆盖层对Cr（Ⅵ）在填埋场中迁移的影响[J].科技通报，2018，3405：236-239.