生活垃圾焚烧炉渣制免烧砖实验研究
摘要:以南方某垃圾焚烧厂（炉排炉）垃圾焚烧炉渣为原料制造免烧砖实验。结果表明，生活垃圾焚烧炉渣经过水解稳定处理后可以作为免烧砖集料使用。
关键词:炉渣;免烧砖;生活垃圾;焚烧炉
生活垃圾焚烧炉焚烧垃圾后会产生一定量的炉渣，其中炉排炉产生的炉渣量约为垃圾重量的20%。炉渣一般都是进行填埋处理，不仅占用土地资源，而且会给土壤和地下水带来安全隐患。本文初步研究了如何妥善地处置垃圾焚烧炉渣，将其作为一种新的资源加以利用，并以南方某垃圾焚烧厂（炉排炉）垃圾焚烧炉渣为原料进行了制造免烧砖的实验。
1 生活垃圾焚烧炉渣成分及特性
1.1 炉渣的成分
炉渣是一种浅灰色的锅炉底渣，其颜色会随着含炭量的增加变深，形状通常是不规则的、带棱角的蜂窝状颗粒，表面多为玻璃质，主要是不可燃的无机物以及部分未燃尽的可燃有机物，还可能含有少量有害物质，如重金属等，均来源于垃圾中的玻璃、装修杂物、瓶子、陶瓷、砖块、金属、熔渣等。炉渣中的主要成分是硅酸盐，与水泥的基本成分一致。
1.2 炉渣颗粒形态
通过电子显微镜观察可知，炉渣是由多种粒子构成的，其中非晶体颗粒占总量的50%以上。其颗粒组成为漂珠占0.1%～0.3%，实心微珠占45%～58%，炭粒占1%～3%，不规则多孔体占28%～39%，石英占5%～8%，其他占5%。
1.3 炉渣颗粒细度分布
炉渣颗粒是粗细分布均匀的集料，易压实到具有高承载能力的状态，且抗剪切能力高、抗冻性好、稳定性高。采用粗细集料筛分测定炉渣的粗细分布为：0.1～4mm的炉渣占15%～20%，4mm以上的达70%。
1.4 炉渣的含水率、密度、吸水率
测得该厂炉渣的含水率一般在21%左右，密度在1250kg/m3左右，吸水率在9%左右。
1.5 炉渣的坚固性
使用饱和硫酸钠溶液，连续5次浸泡和烘干循环炉渣后，炉渣质量损失约为4.31% ，炉渣的坚固性可达到制造免烧砖的要求。
1.6 炉渣的有机质含量
炉渣中的有机质会影响无机结合料硅酸钙的稳定性，因而集料中有机质含量不宜过高。
1.7 毒性评价
市环保监测站对该垃圾焚烧厂垃圾焚烧炉渣进行了3次采样监测，监测项目包括：总Cd、总Pd、总Zn、氰化物、总Ni、总As、总Hg和Cr6+，均未超过国家标准。另外各种文献资料一般也认为炉渣不属于危险废物。
2 免烧砖实验
分析研究表明，炉渣不属于危险废物，其颗粒粗细分布较均匀，物理组成复杂，具有较高的强度；金属和有机质含量低，坚固性好，符合国家标准《墙体材料术语》（GB/T 18968-2003）中硅酸盐砖原材料的要求，可用作生产免烧砖。
2.1 实验准备
2.1.1 炉渣
（1）垃圾焚烧发电厂排放的炉渣经过水解槽洗涤，以去除可溶解盐；
（2）破碎筛选，以调整炉渣颗粒粗细分布；
（3）磁选，以去除铁；
（4）电涡流分选，以去除有色金属；
（5）筛选3～8mm颗粒备用，3mm以下的颗粒加生石灰粉及水辊碾搅拌、陈化。
2.1.2 水泥
水泥既是灰渣砖的胶结料，也是灰渣的活性激发剂。对水泥的质量，除要求其符合国家标准《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB175-1999）、《矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥》（GB1344-1999）、《复合硅酸盐水泥》(GB12958-1999）的规定外，还要符合下列要求：
（1）安定性：用沸煮法检验必须合格；
（2）凝结时间：初凝不得早于45min，终凝不得迟于10h；
（3）细度：80μm方孔筛筛余不得超过10%；
（4）碱含量：pH值高于12。
2.1.3 石灰
选用刚出厂的新鲜生石灰，确保其高活性，有效氧化钙含量不低于70%，过火灰低于5%，欠火灰少于7%，细磨过0.08mm筛。
2.1.4 石膏
选用CaO含量大于32%、SO3含量大于45%、H2O含量小于20%、其他杂质含量小于3%的石膏。
2.1.5 XC-50炉渣高效活化剂
生活垃圾焚烧炉渣专用活化剂的主要成分为硅酸钠，用于调节免烧砖的酸碱度，可腐蚀玻璃体表面，增强物料之间的附着力。
2.1.6 制砖设备
（1）炉渣处理设备：多层滚筒筛、方孔筛、粉碎机、磁选机、电涡流分选机、水解槽、辊碾搅拌机。
（2）混料设备：A-11型水磁化器、双卧轴搅拌机。
（3）成型设备：JQ6-15-39型液压制砖机、标准砖模具。
（4）养护设备：托板、喷雾器。
2.2 炉渣免烧砖的制作
免烧、免蒸双免砖，是以二氧化硅和氧化铝为主要成分的硅铝质材料，其主要反应活性是与水泥水化生成的氢氧化钙反应形成硅酸钙结晶，反应过程如下：
SiO2+xCa(OH)2+(n-x)H2O= xCaO·SiO2·nH2O
炉渣还和其他的水化产物进行一系列复杂的二次反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙结晶，氢氧化钙及水化铝酸钙等析出针状晶体伸入硅酸钙凝胶体内使炉渣砖硬化而具有强度。
2.2.1 原材料配比及混合
本实验原材料配比见表1。
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先采用磁化器，对水进行磁化处理，水磁化后由于受洛伦兹力的作用，缔合水分子分成单分子使电性吸引力增强，从而加强了水泥、石灰、石膏、炉渣的水化反应。
使用双卧轴搅拌机按设定配比将炉渣、石膏加入搅拌槽，再将XC-50添加剂用10倍磁化水稀释与水泥一起加入搅拌。搅拌时要严格控制加水量，使含水率不超过15%，一般以握能成团、松手轻触能散开为宜。
2.2.2 压制成型
使用JQ6-15-39型液压制砖机，标准砖模具按设定配比方案每组压制40块。本实验免烧砖不烧结，也不蒸压，因此前期强度的形成主要靠成型机的压力，后期的强度主要靠水泥的胶结及炉渣活性的发挥。
2.2.3 养护
砖坯成型后当有一定强度（浇水湿砖淋不坏）就可以洒水养护，将A、B、C、D、E每组20块砖分开养护。
一组（称为1号成品）隔3小时洒水1次，5天后每隔5小时1次，10天后每隔10小时1次，15天后自然干燥至28天。此组成品砖外观完整，无裂纹，无明显变形，该组成功。
另一组（称为2号成品）早晚各洒水1次，15天后自然干燥至28天。此组成品砖的外观有缺角，有裂纹，并有明显凹凸变形，该组失败。
3 免烧砖的检验及分析
3.1 炉渣免烧砖的重金属浸出特性
炉渣中含有少量Pb、Cr、Cd、As等有害元素，分别将A、B、C、D、E组的免烧砖用紫外分光光度法测试重金属浸出量，重金属浸出量均未超标。
3.2 炉渣免烧砖的强度试验数据与结论
对1号成品组进行强度检验，每组样品有10个小样。参考《混凝土普通砖和装饰砖》（NY/T671-2003）标准强度等级MU15技术要求。结果如表2。
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4 结语
（1）该厂的生活垃圾焚烧炉渣与天然河砂的表观密度和表干密度相近，可以替代天然河砂制造免烧砖。
（2）养护程序与一般免烧砖程序一致。
（3）免烧砖重金属浸出量均不会超标。
（4）强度随着炉渣的活性材料及胶结材料的增加而增加。根据《混凝土普通砖和装饰砖》（NY/T671-2003）标准，A组和B组免烧砖可用于承重墙体结构，C、D、E组可用于非承重墙体结构。生活垃圾焚烧炉渣经过水解稳定处理后可以作为免烧砖集料使用。
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