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        生活垃圾焚燒飛灰處置技術(shù)與資源化利用途徑綜述

        2024-12-31 00:00:00宋建華陳亮廣柯仕忠劉劍博李鈞建
        中國資源綜合利用 2024年9期

        摘要:焚燒是目前城市生活垃圾處理最主要的方式,但產(chǎn)生的飛灰含有過量的重金屬、二噁英和氯鹽等有毒有害成分,被認定為危險廢物。主要論述飛灰的形成及來源、理化性質(zhì)、污染特性和危害,總結(jié)飛灰固化/穩(wěn)定化、水熱處理、低溫?zé)崽幚?、高溫?zé)Y(jié)、高溫熔融以及等離子熔融等處置技術(shù),并分析各類技術(shù)的優(yōu)缺點和應(yīng)用情況。同時,介紹飛灰用于制備水泥、陶粒、混凝土拌合料、玻璃、沸石和地聚合物等資源化利用途徑,綜述飛灰處置技術(shù)及資源化利用途徑的現(xiàn)狀和存在的問題,并展望了未來的發(fā)展方向。

        關(guān)鍵詞:生活垃圾焚燒飛灰;無害化處置;資源化利用

        中圖分類號:X799.3 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1008-9500(2024)09-0-05

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        Summary of Disposal Technology and Resource Utilization Approaches of Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash

        SONG Jianhua, CHEN Liangguang, KE Shizhong, LIU Jianbo, LI Junjian

        (Guangdong Guangye Investment Group Co., Ltd., Guangzhou 510030, China)

        Abstract: Incineration is currently the most dominant method of municipal waste treatment, but the fly ash generated by the process contains excessive amounts of toxic and hazardous components such as heavy metals, dioxins and chlorine salts, and is recognized as hazardous waste. It mainly discusses the formation and source of fly ash, physical and chemical properties, pollution characteristics and hazards, summarizes the disposal technologies such as fly ash curing/stabilization, hydrothermal treatment, low-temperature thermal treatment, high-temperature sintering, high-temperature melting, and plasma melting, and analyzes the advantages and disadvantages of each type of technology and its application. At the same time, it introduces the resource utilization of fly ash for the preparation of cement, ceramic granules, concrete mix, glass, zeolite and geopolymer, summarizes the current situation and problems of fly ash disposal technology and resource utilization, and looks forward to the direction of future development.

        Keywords: municipal waste incineration fly ash; harmless disposal; resource utilization

        21世紀以來,隨著經(jīng)濟的快速增長,中國城市化建設(shè)發(fā)展十分迅速,也導(dǎo)致城市生活垃圾急速增加。生活垃圾成分復(fù)雜,填埋和焚燒是目前國內(nèi)最為主流的處理方式。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒2023》,2022年,我國城市生活垃圾清運量為24 444.7萬t,經(jīng)無害化處理的總量為24 419.3萬t,其中通過焚燒處理的總量為19 502.1萬t,焚燒處理量占比約為80%。

        焚燒已成為我國城市生活垃圾處理的主要途徑,相比于填埋,焚燒減量化程度更高,能夠節(jié)約土地資源,降低土壤污染。另外,焚燒產(chǎn)生的熱量可進行蒸汽發(fā)電和供熱,實現(xiàn)垃圾資源的高效利用。但是,焚燒帶來了二次污染,其中焚燒產(chǎn)生的飛灰對于環(huán)境的危害尤為突出。飛灰是垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的固體廢物,其中含有重金屬、二噁英和氯鹽等有毒有害物質(zhì),《國家危險廢物名錄(2021年版)》明確將飛灰列為HW18類危險廢物。因此,飛灰的收集、儲運及處置環(huán)節(jié)可能會對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生不良影響,須妥善處理。

        目前,飛灰主要的處置方式是通過固化/穩(wěn)定化后進行填埋,該方法簡單高效、成本較低,但需要占用大量土地資源。據(jù)調(diào)查,目前全國垃圾填埋場已近乎飽和,且鑒于全國土地資源十分緊缺的現(xiàn)狀,新建填埋場將十分艱難,急需找出能有效處理飛灰且節(jié)約土地資源的友好途徑。因此,文章主要綜述我國飛灰處置與資源化技術(shù)現(xiàn)狀,并展望未來技術(shù)發(fā)展方向。

        1 生活垃圾焚燒飛灰簡介

        1.1 生活垃圾焚燒飛灰的形成及其來源

        飛灰為生活垃圾在焚燒過程中所產(chǎn)生的殘留物,是焚燒煙氣中的無機小顆粒經(jīng)過余熱利用系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng),與添加的化學(xué)藥劑及反應(yīng)產(chǎn)物一起形成的灰類化合物,主要在脫酸塔和除塵器部分被截留收集[1]。

        1.2 生活垃圾焚燒飛灰理化性質(zhì)及污染特性

        飛灰一般為灰白色的細粒粉末,呈球形、棒形等,飛灰成分復(fù)雜、含水率較低、孔隙率以及比表面積較大[2]。不同區(qū)域和不同爐型所產(chǎn)生的飛灰成分存在差異,但基本由硅、鈣、鋁和鐵的氧化物,以及鈉、鉀氯鹽組成[3]。另外,飛灰中存在超標(biāo)的汞、鉻、鎘、鉛及砷等重金屬,還有極少量的二噁英等有機污染物[4]。

        1.3 生活垃圾焚燒飛灰的危害

        飛灰的危害主要與其存在的重金屬、氯鹽及二噁英有密切關(guān)系。飛灰現(xiàn)主要通過填埋進行處置,其中重金屬具有較高的浸出毒性,易釋放在環(huán)境中,污染附近的土壤和地下水,嚴重威脅到動植物健康??扇苄月塞}會隨雨水進入土壤,造成土壤鹽堿化。二噁英無色無味,在環(huán)境中可長時間留存,被人體吸入后極易積聚,產(chǎn)生中毒反應(yīng),危害人體健康。

        2 生活垃圾焚燒飛灰處置技術(shù)現(xiàn)狀

        2.1 固化/穩(wěn)定化-填埋

        2.1.1 水泥固化-填埋

        水泥固化主要是將飛灰和水泥混合,利用水化反應(yīng)使飛灰中的重金屬形成絡(luò)合物或氫氧化物,降低重金屬浸出性[5]。經(jīng)水泥固化后的飛灰滿足相關(guān)標(biāo)準后進行填埋處理。該工藝較為成熟,操作簡單,成本較低。但也存在以下問題:一是大量氯鹽會使得水泥易結(jié)構(gòu)疏松而破裂,可能導(dǎo)致重金屬再次溶出;二是水泥固化過程并未去除二噁英,有二次釋放的風(fēng)險;三是水泥固化使飛灰體積增加,與減量化原則相違背,且固化后填埋需占用大量土地資源;四是水泥固化時水泥的摻入量較高,需要較長的養(yǎng)護時間,導(dǎo)致處置周期延長。

        2.1.2 化學(xué)藥劑穩(wěn)定化-填埋

        化學(xué)藥劑穩(wěn)定化技術(shù)是指向飛灰中加入化學(xué)藥劑,使其與重金屬離子反應(yīng),形成難溶的絡(luò)合物或螯合物,阻隔飛灰中重金屬的析出[6]。常用有機化學(xué)藥劑有硫脲、有機磷酸鹽和乙二胺四乙酸(Ethylene Diamine Tetraacetic Acid,EDTA);無機藥劑有鐵酸鹽、磷酸鹽、硫化物和石膏。化學(xué)藥劑對重金屬穩(wěn)定化具有一定選擇性,難以通過一種藥劑將飛灰中所有金屬穩(wěn)定化,因此通常需要多種藥劑搭配使用。該方法與水泥固化法相比,避免飛灰的二次增容,但仍未能去除二噁英。

        2.2 熱處理法

        2.2.1 水熱處理

        水熱處理法是通過將飛灰置于堿性溶液,在一定溫度和壓力條件下進行水熱合成反應(yīng),由于飛灰含有一定量的硅、鋁元素,經(jīng)反應(yīng)后可形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的硅鋁酸鹽礦物,該物質(zhì)利用對重金屬離子的交換、吸附、沉淀等作用將重金屬固化在產(chǎn)物中。同時,利用水在亞臨界條件下的強氧化作用,有效降解二噁英。水熱處理過程一般需要外加適量的硅源、鋁源,常用的硅鋁調(diào)理劑有粉煤灰、膨潤土、高嶺土及硅藻土等,目前嘗試利用城市污泥作為外加硅源和鋁源[7]。水熱處理可同時實現(xiàn)重金屬固化和二噁英降解,反應(yīng)產(chǎn)物中存在具有高附加值的沸石類物質(zhì)。但是,其處理周期較長,設(shè)備要求較高,能源消耗較大,且水熱反應(yīng)會產(chǎn)生大量的重金屬廢水,增加處理時間和成本。

        2.2.2 低溫?zé)崽幚?/p>

        低溫?zé)崽幚硎侵冈谙鄬Φ蜏氐臈l件下,降解脫除飛灰中的二噁英。飛灰在缺氧或無氧環(huán)境下,溫度控制在300~600 ℃,通過低溫?zé)岱纸夥磻?yīng)降解二噁英,脫除效率可達99%以上[8]。目前,該技術(shù)尚處于研究階段,綜合各研究結(jié)果來看,溫度、時間及處理氣氛均會影響二噁英降解效果,常用的溫度區(qū)間在340~500 ℃,處理時間以1 h左右為宜,處理氣氛以氮氣和空氣居多[9]。低溫?zé)崽幚砜筛咝コf英,但是未能固化穩(wěn)定或去除重金屬和氯鹽。

        2.2.3 高溫?zé)Y(jié)

        高溫?zé)Y(jié)法是指在低于飛灰熔點溫度下進行飛灰焙燒,將氣孔從晶體中排除,使飛灰顆粒間黏性逐漸增大并發(fā)生聚結(jié),最終形成致密堅硬的燒結(jié)體的技術(shù)[10]。燒結(jié)體因其孔隙率很低可有效固化重金屬,同時在高溫作用下,多數(shù)二噁英被降解。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)飛灰減容、高效固化重金屬和降解二噁英。但是,該方法投資成本高,運行過程需要消耗大量的能源,且易造成二次污染。

        2.2.4 高溫熔融處理

        高溫熔融是指在高于熔點溫度下,飛灰由固態(tài)熔化變?yōu)橐簯B(tài),再經(jīng)冷卻后形成致密玻璃狀固化體的過程[11]。在飛灰熔融過程中,二噁英發(fā)生熱解氣化和燃燒并得到降解;無機組分則熔融呈玻璃態(tài),由于其結(jié)構(gòu)密實,重金屬被束縛固化難以浸出。飛灰經(jīng)高溫熔融處理后減容效果好、產(chǎn)物性能穩(wěn)定、重金屬浸出低、二噁英分解率高,并且玻璃體具有一定產(chǎn)品價值。但是,其需求嚴苛、能耗較大、處理成本較高,且熔融過程中,重金屬易遷移并揮發(fā)導(dǎo)致二次污染。

        2.2.5 等離子體熔融處理

        等離子體熔融也是利用高溫條件使飛灰發(fā)生熔融的技術(shù)方法。與高溫熔融不同點是,等離子體熔融是利用等離子炬產(chǎn)生高溫(1 500 ℃以上)等離子體處置飛灰,反應(yīng)過程中二噁英被降解去除,重金屬被固化在反應(yīng)產(chǎn)物中,使其浸出率滿足標(biāo)準限制要求。等離子體熔融技術(shù)反應(yīng)快速,處理效率高,占地面積小,管理成本低。但是,其能耗高,設(shè)備研發(fā)難度大,大量技術(shù)難點需突破。

        3 生活垃圾焚燒飛灰資源化利用現(xiàn)狀

        3.1 制備水泥

        飛灰富含CaO、SiO2、Al2O3及Fe2O3等物質(zhì),與水泥的成分十分相似,可作為生產(chǎn)水泥的原料之一。利用水泥窯處置飛灰并制備水泥,在高溫煅燒條件下,二噁英實現(xiàn)分解去除,重金屬被穩(wěn)定固化在水泥熟料中。利用飛灰代替部分石灰石,不僅降低了分解石灰石所需的能量,還能夠?qū)崿F(xiàn)碳減排。但飛灰中氯含量很高,直接進入水泥生產(chǎn)過程會嚴重影響水泥的品質(zhì),也會損害設(shè)備。因此,飛灰進入水泥窯之前需進行水洗,去除其中大部分的氯。但是,即便經(jīng)過預(yù)處理除氯,飛灰摻入比例也很低,制約了飛灰的大規(guī)模資源化利用。此外,該技術(shù)受限于水泥生產(chǎn)企業(yè)的地域分布。

        3.2 制備陶粒

        制備陶粒也是目前飛灰資源化利用的主流途徑之一,制備方式分為燒結(jié)法和免燒法兩種。燒結(jié)法是在飛灰中,加入黏土、頁巖等膠結(jié)材料和水進行混合,經(jīng)造粒變成球狀,再通過燒結(jié)機或焙燒設(shè)備進行高溫?zé)Y(jié)煅燒制成陶粒。燒結(jié)陶粒密度較大,強度也較高,物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可應(yīng)用于建材、保溫材料、園藝和凈水等領(lǐng)域。燒結(jié)時高溫使二噁英被分解,重金屬也被固定在產(chǎn)物中。

        但高溫?zé)Y(jié)能耗較高,在實際工程應(yīng)用中比較受限。因此,免燒法制陶粒逐漸成為關(guān)注的對象。免燒陶粒是在飛灰中先加入活性膠結(jié)材料與其他化學(xué)藥劑進行充分混合,再利用成球機成球、養(yǎng)護箱養(yǎng)護最終所制成的[12]。與燒結(jié)法相比,免燒陶粒未進行高溫焙燒,而是通過自身反應(yīng)形成,具有制造成本低、制造簡單及綠色環(huán)保等優(yōu)點。但是,免燒陶粒需在前端去除二噁英,并保證產(chǎn)品中重金屬浸出毒性滿足標(biāo)準要求,因此該工藝較為復(fù)雜,陶粒品質(zhì)不穩(wěn)定。

        3.3 制備混凝土拌合料及混凝土磚

        因飛灰化學(xué)組成與水泥組分十分相似,可替代部分水泥原料制備混凝土拌合料和混凝土磚。研究發(fā)現(xiàn),飛灰摻入量低于30%,混凝土的各項性能指標(biāo)均能滿足相關(guān)標(biāo)準要求,且重金屬浸出濃度也低于標(biāo)準限值;當(dāng)飛灰摻入量再增加后,混凝土的抗壓強度、抗凍性能明顯下降,大量的氯化物引入會增加混凝土的腐蝕影響,縮小混凝土的使用范圍。通過水洗預(yù)處理飛灰降低氯鹽含量,可增加飛灰制備混凝土的摻入比例。此外,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準要求,飛灰作為原料生產(chǎn)非高溫建筑材料前,應(yīng)預(yù)先對二噁英進行降解處理。

        3.4 制備微晶玻璃

        微晶玻璃又稱玻璃陶瓷、微晶陶瓷,是指某些特定的基礎(chǔ)玻璃在一定溫度下,進行晶化熱處理而制成的多相復(fù)合材料。微晶玻璃兼具玻璃和陶瓷的特點,在熱學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、光學(xué)以及電學(xué)等方面具有優(yōu)異的綜合性能,可作為建筑材料。研究發(fā)現(xiàn),飛灰可以替代部分原料,在高溫條件下制備出微晶玻璃,其浸出毒性符合相關(guān)標(biāo)準要求,且抗壓強度隨著燒結(jié)溫度的升高而升高[13]。飛灰可以與其他固體廢物一同制備微晶玻璃,不僅降低了生產(chǎn)成本,還可實現(xiàn)多元固體廢物協(xié)同資源化利用。

        3.5 制備沸石材料

        沸石是沸石族礦物的總稱,是一種含水的微孔鋁硅酸鹽礦物。沸石具有獨特的孔結(jié)構(gòu)、高催化活性、熱穩(wěn)定性及耐酸性,主要用作吸附劑、干燥劑及催化劑,并在污水處理、土壤改良和廢氣治理等領(lǐng)域開發(fā)和應(yīng)用,具有良好的發(fā)展前景。研究發(fā)現(xiàn),將飛灰與堿性物質(zhì)按照一定比例充分混合后,在一定溫度和壓力條件下進行水熱反應(yīng),生成穩(wěn)定的沸石材料。經(jīng)水熱固化反應(yīng)后飛灰中重金屬的浸出毒性顯著降低,并且部分二噁英得到降解。飛灰中硅元素主要以石英形式存在,在水熱反應(yīng)中很難溶解,通常需要外加含硅的試劑來提高飛灰的沸石化程度。

        3.6 制備地聚合物

        地聚合物是由硅鋁酸鹽組成的一種三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無機聚合物,無定形到半晶態(tài),屬于非金屬材料,具有良好的機械性能和耐酸堿、耐高溫和催化性能,廣泛用于建筑材料、密封材料和耐高溫材料等領(lǐng)域[14]。飛灰含大量硅鋁酸鹽,具有非晶態(tài)硅鋁酸鹽的特點,可與堿激發(fā)劑混合在一定條件下發(fā)生地聚合反應(yīng)制備地聚合物。飛灰中重金屬經(jīng)地聚合反應(yīng)被固化,浸出毒性低于標(biāo)準限值,但該反應(yīng)并未處置飛灰中的二噁英。

        3.7 其他資源化途徑

        飛灰資源化技術(shù)的研究方向很多,如作為原料生產(chǎn)瀝青混合料、保溫材料、水淬玻璃體、陶瓷材料、土壤調(diào)理劑/污泥調(diào)節(jié)劑等。目前,飛灰以生產(chǎn)建材類產(chǎn)品為主要的資源化利用方向,很多技術(shù)已有實踐案例,正在邁入工業(yè)化應(yīng)用階段。

        4 未來發(fā)展方向

        固化/穩(wěn)定化是當(dāng)前飛灰處置最主流的方式,基本實現(xiàn)了飛灰無害化處理,但后端填埋處置需占用大量土地且存在二次污染的環(huán)境風(fēng)險。因此,飛灰資源化利用才是未來技術(shù)研究和行業(yè)發(fā)展的主要方向。目前,水泥窯協(xié)同處置飛灰制備水泥,以及其他飛灰資源化利用途徑均有一定程度的工程應(yīng)用,但受地域分布情況、投資與運營成本高和存在二次污染等問題的制約,飛灰資源化利用仍面臨難以大規(guī)模推廣應(yīng)用的困境。因此,技術(shù)與經(jīng)濟可行、環(huán)境友好以及具有普適性的飛灰資源化利用技術(shù)仍需要進一步研究攻關(guān)。未來,飛灰資源化利用有以下發(fā)展方向。

        一是飛灰水洗產(chǎn)生的高鹽廢水資源化利用技術(shù)。無論采用何種飛灰資源化技術(shù),均需要水洗去除氯鹽。盡管目前可通過蒸發(fā)濃縮、分質(zhì)結(jié)晶和分離工藝將水洗廢水中的鈉鹽和鉀鹽分離,形成工業(yè)鹽產(chǎn)品,但其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差、產(chǎn)品價值低、銷路較窄,且成本較高。

        二是中低溫飛灰二噁英降解技術(shù)。高溫飛灰資源化技術(shù)可同時實現(xiàn)飛灰資源化利用和降解去除二噁英,但其成本較高。非高溫資源化技術(shù)則面臨產(chǎn)品中二噁英含量無法滿足相關(guān)要求的困境,中低溫二噁英降解技術(shù)的突破和應(yīng)用將有可能解決這些問題。

        三是多種飛灰處置/資源化技術(shù)聯(lián)用組合工藝。飛灰處理處置與資源化技術(shù)多種多樣,但是每種技術(shù)都各有利弊,很難依靠單一技術(shù)實現(xiàn)飛灰的無害化與資源化利用。而將多種技術(shù)聯(lián)用,能夠優(yōu)勢互補,共同解決飛灰處置和資源化過程中存在的難題。

        四是異位集中處置模式轉(zhuǎn)向原位分散處置模式。目前,除了固化/穩(wěn)定化處置方式在生活垃圾焚燒廠內(nèi)完成,其他飛灰處置和資源化方式基本均需將飛灰轉(zhuǎn)移到廠外集中處置場地進行操作。雖然集中處置能整合各種技術(shù)和資源,降低焚燒廠的投資成本,但是飛灰遠距離運輸成本高、風(fēng)險大,各焚燒廠飛灰成分差異大,導(dǎo)致其處置成本較高,且受限于飛灰集中處置項目的分布情況。而在焚燒廠內(nèi)建設(shè)飛灰處置和資源化利用項目,能夠因地制宜和針對性地配置飛灰處置、資源化技術(shù)工藝,并能夠與垃圾焚燒工藝流程進行協(xié)同,降低處置成本和環(huán)境風(fēng)險;在焚燒廠內(nèi)就可實現(xiàn)生活垃圾處置減量化、無害化和資源化,更符合飛灰處理行業(yè)未來發(fā)展的趨勢。

        五是提高飛灰資源化產(chǎn)品附加值,推進產(chǎn)品標(biāo)準等技術(shù)指導(dǎo)性文件制定出臺。盡管目前通過飛灰資源化途徑獲得的產(chǎn)品種類繁多,但附加值較高的產(chǎn)品較為稀缺,導(dǎo)致飛灰資源化成本回收困難,因此高附加值產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用將是未來飛灰資源化發(fā)展的重要方向之一。此外,現(xiàn)有的飛灰資源化產(chǎn)品由于缺乏相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準,產(chǎn)品質(zhì)量難以保證,限制了其用途。因此,推進飛灰資源化產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)性文件的制定出臺,對于飛灰資源化技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要意義。

        5 結(jié)論

        飛灰處置與資源化利用是當(dāng)前環(huán)保領(lǐng)域的重要研究課題,隨著城市化進程的加快和垃圾焚燒技術(shù)的廣泛應(yīng)用,飛灰的產(chǎn)生量不斷增加,其處置與資源化利用日益受到關(guān)注。目前,飛灰處置與資源化利用技術(shù)在當(dāng)前已取得一定的進展,并在未來具有廣闊的發(fā)展前景。通過技術(shù)創(chuàng)新、政策引導(dǎo)和市場需求的共同作用,飛灰處置與資源化利用技術(shù)將為我國環(huán)保事業(yè)和可持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻。

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