冉 帆， 吳麗萍， 李慶波， 邵佳婧

(天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點試驗室； 天津城建大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院， 天津 300384)

0 引 言

垃圾焚燒法減量化效果顯著，國內(nèi)繼深圳建成第一座垃圾焚燒場以來，現(xiàn)已建成600多座，深圳、上海、北京、天津等城市垃圾焚燒處理率已超過20%[1]。城市生活垃圾焚燒技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不可避免地產(chǎn)生了焚燒爐渣的利用問題。

焚燒爐渣是由垃圾焚燒爐排出的殘渣，包括爐排渣和從爐排間掉落的顆粒物[2]，約占灰渣總重量的80%，主要由未燃盡物及熔渣、陶瓷碎片、玻璃、金屬等不可燃物組成[3]。在我國，焚燒爐渣屬于一般固體廢棄物[4]。焚燒爐渣中熔渣的主要成分有SiO2、CaCO3、CaO、MgCO3、鈣長石(CaO·A12O3·2SiO2)、重晶石和石膏等無機化合物，CaO、Al2O3、MgO、ZnO、SiO2等反應(yīng)生成的鈣化合物形成的低熔點共熔物相的存在是灰渣形成的主要原因[5]。研究和工程實踐表明[6]，焚燒爐渣中硅酸鹽和鋁酸鹽等含量占30%以上，物理化學(xué)和工程性質(zhì)與輕質(zhì)的天然骨料(石英砂、黏土等)相似[7]。張悅等[4]關(guān)于焚燒爐渣的級配、吸水率、表觀密度及主要化學(xué)成分的分析認(rèn)為，與天然粗、細(xì)骨料相比，焚燒爐渣骨料密度低、吸水率大、孔隙率高、壓碎指標(biāo)大，顆粒級配連續(xù)，較適合作為混凝土骨料。因此，較多研究者對焚燒爐渣的骨料和集料性能作了研究[8-10]。焚燒爐渣相對飛灰而言，重金屬浸出濃度遠(yuǎn)低于危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)值，污染程度小[11]，資源化利用是可行的，可作為污水處理的吸附劑及工業(yè)濾料等[12-13]。

基于垃圾種類、焚燒爐型式、焚燒溫度、排渣方式等不同，焚燒爐渣成分亦有所區(qū)別。本試驗選取了流化床爐渣和爐排爐爐渣，通過X射線衍射、X射線熒光和燒失量分析，研究兩種焚燒爐渣主要化學(xué)性質(zhì)的差異，為其資源化利用或改性利用提供理論依據(jù)。

1 儀器與工作條件

1.1 X射線衍射分析儀

(1) 試驗儀器。Rigaku D/max-2500/PC X射線衍射儀(XRD)，MUI Jade 5.0 X射線衍射數(shù)據(jù)處理軟件。

(2) 儀器工作條件。2θ初始角度5.000°，結(jié)束角度80.000°; 2θ/θ聯(lián)動，采樣間隔0.010°，連續(xù)掃描速度0.500°/ min；廣角；銅轉(zhuǎn)靶( X 射線波長Kα: 0.154 184 1 nm) ，40 kV，40 mA；標(biāo)準(zhǔn)樣品夾，NaI閃爍計數(shù)X 射線探測器，銅轉(zhuǎn)靶用石墨單色器，入射狹縫1/3°,入射高度限制狹縫2 mm，散射狹縫1/2°，接收狹縫0.6 mm，單色器接收狹縫未使用。

XRD難以檢測含量小于1%的微量相或者非晶相，但微量相對物質(zhì)主相定性和定量分析影響很小，基本上可以滿足常規(guī)礦物相的鑒定[14]。

1.2 X射線熒光分析儀

試驗儀器為ZSX Primus Ⅲ型X射線熒光光譜儀，Rigaku制造，儀器工作條件見表1。

2 試驗材料與試樣制備

2.1 試驗材料

試驗爐渣取自天津雙港垃圾焚燒發(fā)電廠和天津青光垃圾焚燒發(fā)電廠，前者采用的是日本田熊SN爐排爐，單臺處理量為400 t/d，排渣形式為濕排渣，所取渣樣簡稱爐排渣(PZ)；后者采用的是清華紫光環(huán)保有限公司設(shè)計的循環(huán)流化床垃圾焚燒爐，單臺處理量為350 t/d，排渣形式為干排渣，所取渣樣簡稱流化床渣(LZ)。

表1 分析元素的測量條件

2.2 試樣制備

(1) XRD分析用樣品制備。取適量爐排渣、流化床渣樣品，烘干、研磨，過200目篩后，將樣品粉末均勻灑入制樣框窗口中，將粉末在窗口內(nèi)攤勻堆好，然后用小抹刀輕輕壓緊，用保險刀片把多余凸出的粉末削去，最后，小心地把制樣框從玻璃平面上拿起，保證樣品粉末平面的平整，進(jìn)行X射線衍射掃描，即得到兩種焚燒爐渣的XRD圖譜。

(2) XRF分析用樣品制備。預(yù)處理步驟同XRD分析，將200目篩下樣品放入烘箱中，保持100℃烘3 h，置于干燥器中恒重，在30 MPa壓力下保壓60 s壓制成形，再進(jìn)行X射線熒光光譜儀掃描。

3 結(jié)果與討論

3.1 爐渣物相組成分析

爐排渣和流化床渣的XRD分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種爐渣的XRD圖譜

灰渣中存在的主要物相有：硅酸鹽(長石類、輝石類、鈣硅石)、氧化物(石英、赤鐵礦)以及一些鹽類(氯化物、硫酸鹽)[15-18]。由圖1可以看出，流化床渣含有的主晶相有石英(SiO2)，鈣硅石(Ca2SiO4)和鈉長石(Na(AlSi3O8))。爐排渣含有的主晶相有，石英(SiO2)、鈣硅石(Ca2SiO4)、鈉長石(Na(AlSi3O8)，并含有綠銅鉀石(K2Cu2O(SO4)2)和少量的錐輝石(NaFe(Si2O6))等，其XRD峰形較流化床渣復(fù)雜，與其復(fù)雜成分相關(guān)。由峰值來看，流化床渣中石英及鈣硅石含量高于爐排渣。

3.2 爐渣化學(xué)成分分析

利用X射線熒光分析儀對爐排渣(PZ)和流化床渣(LZ)進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表2。

表2 兩種爐渣的主要化學(xué)成分含量 %

由表2可看出，流化床渣和爐排渣主要成分均為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，含量分別達(dá)75.45%和65.95%，另有少量的Na2O、MgO、K2O、P2O5等，Zn、Ba、Mn、Cu、Pb、Cr等金屬氧化物的含量很低，均低于1%。主成分中SiO2、CaO含量差異性較大，與北京、上海、廣州、深圳等地區(qū)垃圾焚燒爐渣成分分析一致。

表3 部分垃圾焚燒爐渣主成分含量 %

由表3可見，上海浦東御橋、廣州李坑、北京高安屯、深圳南山、杭州錦江垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒爐底渣中主要成分SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，總量分別達(dá)到78.7%、76.9%、86.4%、82.3%、85%，差異性較小，但SiO2、CaO含量差異性較大。

一般而言，爐渣的硅鋁比(SiO2/Al2O3)越低則其熔融溫度越高。由表2、3可知，天津青光流化床渣、雙港爐排渣與廣州李坑、北京高安屯、深圳南山、杭州錦江焚燒爐渣的SiO2/Al2O3比均大于3，上海浦東御橋焚燒爐渣的SiO2/Al2O3比為1.16，即爐渣的熔融特性亦存在差異。

上述分析說明，焚燒爐爐型、燃燒器結(jié)構(gòu)、垃圾成分、鈣基脫硫劑類型、摻煤量等均影響爐渣成分與性質(zhì)。

3.3 燒失量分析

燒失量(Loss on Ignition，LOI)又稱灼減量，是高溫時結(jié)晶水、揮發(fā)分被排除及碳酸鹽分解CO2、硫酸鹽分解SO2后的質(zhì)量損失，與低價硫、鐵等元素氧化反應(yīng)后質(zhì)量增加的代數(shù)和[13]。試驗采用600℃和950℃兩個溫度段，600℃下燒失量主要反映爐渣中結(jié)晶水、揮發(fā)分含量;950℃下失重量能反映所含碳酸鹽、硫酸鹽含量。

首先將待測樣品置于烘箱中，105℃下烘干2 h，干燥器中恒重后備用。將空坩堝置于高溫電爐中，經(jīng)600℃高溫灼燒30 min，取出后在干燥器中冷卻20～30 min，稱取質(zhì)量，再在同樣溫度下灼燒30 min，冷卻稱重，直至兩次質(zhì)量相差不超過0.5 mg(即恒定質(zhì)量)，此為灼燒的空坩堝質(zhì)量。稱取1.00～2.00 g預(yù)先烘干處理的樣品于已知質(zhì)量的坩堝中。把坩堝置于高溫電爐中，從低溫開始灼燒，至600℃保持1 h，取出稍冷，放入干燥器20～30 min后稱重，然后再放入高溫電爐中600℃灼燒30 min，冷卻后稱重，直至前后二次質(zhì)最相差不超過0.50 mg，即達(dá)恒定質(zhì)量。重復(fù)上述步驟在950℃下灼燒樣品。最后按下式計算流化床渣和爐排渣樣品600℃和950℃燒失量L，結(jié)果見表4。

式中：m1為灼燒后空坩堝質(zhì)量，g；m2為灼燒后樣品加坩堝質(zhì)量，g；m3為灼燒前坩堝加烘樣品質(zhì)量，g。

表4 兩種焚燒爐渣的燒失量 %

在水泥和混凝土制備過程中，燒失量一般作為評價熟料質(zhì)量的重要指標(biāo)。高的燒失量影響熟料的吸水性能，進(jìn)而影響產(chǎn)品的抗凍性、保溫性等，因此《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB 1596-2005)中規(guī)定了粉煤灰的3種燒失量等級，即燒失量不大于5%為Ⅰ級，不大于8%為Ⅱ級，不大于15%為Ⅲ級。基于爐渣的主要化學(xué)成分與粉煤灰相近，本文擬通過燒失量實驗評價兩種爐渣的集料性能。

由表4可知，流化床渣的燒失量滿足Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，而爐排渣的燒失量等級較低，僅滿足Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)。該結(jié)果顯示，除爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒方式、鍋爐負(fù)荷等因素的影響，循環(huán)流化床焚燒爐在給料粒度控制、爐內(nèi)空氣動力場工況等方面具有一定的優(yōu)勢，其良好的內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)提供了燃燒顆粒足夠長的停留時間，床內(nèi)強烈的氣固混合為顆粒燃燒提供了良好的空氣動力場[19]。

4 結(jié) 論

(1) XRD分析表明，流化床渣和爐排渣的主要晶相為石英(SiO2)，鈣硅石(Ca2SiO4)和鈉長石(Na(AlSi3O8))，但爐排渣中微量成分的晶相較流化床渣復(fù)雜，這與兩種焚燒爐渣的來源及焚燒工藝等因素有關(guān)。

(2) XRF分析顯示，流化床渣、爐排渣中SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3含量之和分別達(dá)75.45%、65.95%，其中SiO2、CaO含量差異性較大。兩種焚燒爐渣的SiO2/Al2O3比均相近，為低熔點的鈣化物共熔物相。

(3) 流化床渣的燒失量遠(yuǎn)低于爐排渣，具有較好的集料性能；焚燒爐爐型、燃燒器結(jié)構(gòu)、垃圾成分、鈣基脫硫劑類型、摻煤量等均會影響爐渣成分與性質(zhì)。

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