垃圾焚烧炉渣的性质及其利用前景
炉渣是生活垃圾焚烧的副产物，包括炉排上残留的焚烧残渣和从炉排间掉落的颗粒物，有时锅炉飞灰也排入炉渣流中一并处理处置。焚烧1生活垃圾约产生 200~250kg炉渣，以日处理量为1000t的生活垃圾焚烧厂为例，1年约产生7~9万t左右的炉渣。若作为一般固体废物进入填埋场处置，将增加填埋场库容紧张的压力。近几十年来国外对焚烧炉渣性质和处理处置的研究较多[1-3国内则未见相关报道。
作者以上海浦东新区垃圾焚烧发电厂(垃圾混合焚烧，炉排为倾斜逆推往复式)炉渣为研究对象，分析了炉渣的物理化学及其他性质，并讨论了其资源化利用前景。
1实验方法与设备
实验采用的测试方法和主要设备见表1。
表1实验方法与设备 |
2结果与讨论
2.1物理性质
原状炉渣呈黑褐色，风干后为灰色。含水率为10.5%~19.0%，热灼减率为1.4%~3.5%，低热灼减率反映出其良好的焚烧效果。
 图1不同粒径范围的炉渣物理组成 |
炉渣是由陶瓷和砖石碎片、石头、玻璃、熔渣、铁和其他金属及可燃物组成的不均匀混合物。
由图1可见，大颗粒炉渣(>20mm)以陶瓷/砖块和铁为主，两种物质的质量百分比随着粒径的减小而减小；小颗粒炉渣(<20mm)则主要为熔渣和玻璃，其含量随着粒径的减小而增多，这主要是由于这些物质的物理性质和在炉排中移动时所受的撞击力不同而造成的。陶瓷/砖块、玻璃和铁主要是从垃圾中带来，其存在对焚烧效果有不利影响(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)，其在炉渣中的组成也可作为评估分类收集效果的依据之一[2]。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，如果全部回收，以浦东垃圾焚烧发电厂为例(日处理垃圾量为1000t/d，炉渣产量约250t/d)，1年可从炉渣中回收4500~7300t的废铁。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%(说明焚烧炉燃尽率很高)，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H2，在炉渣资源化利用时可能会造成膨胀等不利影响，因此炉渣利用前需进行预处理[9]，回收这些物质。炉渣中还含有少量的废电池(0.5%以下)，存在污染泄漏的风险，在利用前也必须捡出；应进一步完善焚烧服务区的废电池分类收集工作。
 图2炉渣的粒径分布曲线 |
由图2可见，炉渣粒径分布主要集中在2~50mm的范围内(占61.1%~77.2%)，小于0.074mm的颗粒不到0.6%，基本符合道路建材(骨料、级配碎石或级配砾石等)的级配要求[9]。级配均匀的物质通常稳定性比较好，抗压强度较大，易压实到具高承载力的状态，细颗粒少则抗冻性好[1]，炉渣的这一级配性质对其资源化利用是有利的。
2.2化学性质
炉渣的无机化学组成见表2，Si、Al(实验中未测，但由其矿物组成可推知)、Ca、Na、Fe、C、K和Mg是炉渣的主要组成元素。与飞灰相比，炉渣中的挥发性重金属(如Cd、Hg、Pb和Zn)含量比较低，其他重金属含量与飞灰相似(如Ag、Co和Ni)或高于飞灰(如As、Cu、Cr和Mn)。
炉渣溶解盐量较低，仅为0.8%~1.0%，因此炉渣处理处置时因溶解盐污染地下水的可能性较小。炉渣的酸中和能力约为4meq/g炉渣(以pH=4为终点)，pH缓冲能力较强。初始pH值(蒸馏水浸出，液固比为5：1)在11.5以上，能有效抑制重金属的浸出。
表2炉渣的无机化学组成 |
注：含量为平均值(标准偏差)n.d.为未检出
2.3炉渣的矿物组成和形态
 图3炉渣XRD图谱  |
图 3是炉渣的XRD谱图。炉渣矿物组成较简单，主要为SiO2、CaAl2Si2O8和Al2SiO5，也含少量的CaCO3、CaO和ZnMn2O4等。由此可知，炉渣的化学性质比较稳定，耐久性比较好。但CaCO3和CaO的存在，可能会对炉渣的利用有一定程度的影响。
由图4可看出，熔渣状炉渣表面很粗糙，呈不规则角状，孔隙率较高，孔隙直径也比较大。由放大倍数更大的图5可知，炉渣部分位置晶体发育良好，主要为棒状、针状和粒状晶体，但发育不是很均匀，这是因为焚烧过程中温度和空气分布不均，停留时间不同的缘故。
2.4炉渣的浸出毒性
表3，表4分别列出了用我国标准浸出方法[6]和美国TCLP浸出方法[7]所得的炉渣浸出毒性。
可见，不管用哪种方法浸出，炉渣的重金属浸出浓度均很低，处置或利用时对环境可能造成的危害不大。从这个角度看，炉渣的资源化利用前景十分乐观。
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表3水平振荡法浸出程序所得的炉渣浸出毒性(mg/L)  |
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表4TCLP浸出程序所得的炉渣浸出毒性(mg/L)  |
注：n.d.未检出
2.5炉渣的有效利用
炉渣中的铁和有色金属可回收利用。国外已有的研究和工程实践表明，对炉渣进行适当的预处理以满足建筑材料所规定的技术要求后，炉渣的资源化利用(如道路基层和底基层骨料、填埋场覆盖材料和石油沥青路面或水泥/混凝土的替代骨料等)是完全可行的，并且只要管理得当，可以做到不对环境造成危害[8]。
3结论
3.1炉渣中含铁量为5%~8%，以浦东垃圾焚烧发电厂为例，1年可从炉渣中回收4500~7300t的废铁，回收利用价值较高；去除铁后的炉渣主要含陶瓷/砖石、玻璃和熔渣，适合资源化利用；炉渣粒径分布较均匀，主要集中在2~50mm，大于2mm颗粒占60%以上。
3.2Si、 Al、Ca、Na、Fe、C、K和Mg是炉渣的主要组成元素，与飞灰相比，炉渣中的重金属(如Cd、Hg、Pb和Zn)含量比较低；炉渣的溶解盐量小于 1%，处理处置时因溶解盐污染地下水的可能性较小；酸中和能力约为4meq/g炉渣，pH缓冲能力大，能有效抑制重金属的浸出。
3.3炉渣的主晶相为SiO2、CaAl2Si2O8、Al2SiO5、CaCO3、CaO和ZnMn2O4。
3.4炉渣的重金属浸出浓度远低于危险废物鉴别标准值，重金属污染程度小。资源化利用前景广阔。
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