垃圾焚烧炉渣资源化利用

邓启良,黄 进,蔡 雷

(1.四川海诺尔环保产业投资有限公司,四川成都 610017;2.成都大学城乡建设学院,四川成都 610106)

0 引 言

炉渣是生活垃圾焚烧的副产物,包括炉排上的残留物和从炉排间掉落的颗粒物,其产量约占原生垃圾质量的10%～15%[1],以日处理400 t生活垃圾全焚烧为例,每天产生20～60 t的炉渣,每年产生(1～3)×104t炉渣,体积约为2×104m3.炉渣作为一般固体废物进入填埋场处置,将增加填埋场库容的压力.探索将炉渣通过制成多孔砖或与混凝土制块等途径,可实现炉渣的资源化利用.

1 炉渣的理化性质

炉渣的组成主要有陶瓷、砖石、玻璃和熔渣,炉渣的粒径分布比较均匀,主要在2～50 mm之间,大于2 mm颗粒占60%以上.

1.1 炉渣物理性质

通常,含水炉渣为黑褐色,干炉渣颜色与堆肥相似为灰褐色.炉渣松散堆放的密度约为1.17 t/m3,压实堆放密度约为1.54 t/m3,而沙石松散堆放密度为1.35 t/m3[2].

1.2 炉渣化学性质

垃圾按照焚烧设计参数达标处理处置后,焚烧产生的炉渣的pH缓冲能力较强,能有效抑制重金属的浸出.炉渣的重金属浸出含量都远低于危险废物鉴别标准值.此外,焚烧后炉渣的溶解盐量小于1%,使炉渣处置或利用时,对土壤和地下水等环境可能造成的危害较小[3].

2 炉渣的前处理

为达到对垃圾焚烧炉渣的资源化利用要求,首先要对炉渣的粒径和纯度进行前处理.具体方式是:通过机械设备对炉渣进行破碎以改变炉渣的粒径,其中的废旧金属可通过磁选去除,未燃尽垃圾采用筛分机去除后,重新送入垃圾焚烧炉焚烧,筛下物为处理后的细炉渣.当炉渣的泥分含量多时,可用水冲洗将泥分去除,产生的废水和炉渣渗水一起经处理后循环利用.炉渣处理后在堆场自然堆放,风干、老化降低溶解盐后,可作为资源化开发的原料储备.炉渣前处理工艺流程如图1所示.

图1 炉渣前处理工艺流程图

3 炉渣资源化利用的途径

3.1 回收有价金属

炉渣中废旧金属主要为废铁、铜和铝等,回收方法主要有磁选、人工分选和直接回收3种.

3.1.1 磁选法.

磁选法的回收对象主要是垃圾中的食品罐头、瓶盖,修理厂的铁钉、铁丝、螺杆、螺帽和铁板边角余料等.炉渣中含铁量约为4 kg/m3,利用磁选机能选出炉渣中98%左右的废铁,例如2×104m3炉渣中大概可以回收约78.5 t的废铁,而被包裹于炉渣球内的废铁则不易被选出.

3.1.2 人工分选法.

人工分选法的回收对象主要是垃圾中的中小型家用电器焚烧后剩下铜线线圈,其在炉渣中含量相对较少,约0.03 /m3,例如2×104m3炉渣中可以回收约600 kg的铜.

3.1.3 直接回收法.

直接回收法的回收对象主要是垃圾中含量较少的铝.铝在炉膛内经过高温后会熔化而凝固在炉排上,可直接将其加以回收利用.

3.2 制作生态水泥

生态水泥可采用焚烧炉渣和脱水污泥为主要原料,石灰石和黏土作为辅助材料,其制作工艺与普通水泥基本相同.一般生产1t生态水泥,使用0.5 t炉渣、0.3 t脱水污泥、0.3 t石灰石及黏土等原料,在1 350℃锻烧成熟料,再加入石膏,通过粉磨而制成生态水泥.该种生态水泥的密度和水化热与普通水泥相同,抗压强度比普通水泥在同龄期下略高,但凝结时间短,故在配制混凝土时必须加入缓凝剂[4].

3.3 用作垃圾填埋场覆盖材料

炉渣有利于填埋场雨水渗漏和阻止垃圾发酵气体的排出,不需要前处理就可将炉渣直接用于垃圾填埋场的覆盖材料,填埋厚度通常为30 cm左右.但在垃圾填埋场终场时,需增加抽气管道的布置密度.

3.4 用作屋面隔热或地面防潮、路基或道渣

炉渣具有多孔、质轻、硬度高等物理特性,将其用于屋面隔热或地面防潮,可以减少对楼体的负重、缓解温差并增强舒适度.此外,由于炉渣透水性较好,在多雨地区,可将其作为路基有利于排水,用作道渣可减少路面积水.

4 炉渣水泥制品

利用炉渣制作水泥制品具有如下优点:①制作所需工艺和设备简单,设备运行费用低,操作简便;②制作车间占地面积小,取料方便,对含水量较高的炉渣可以直接使用,原料供应稳定、充足;③炉渣水泥制品强度高、长期稳定性好,对受热或风化也有一定的抵抗力,利用价值较高;④不会产生二次污染,是名副其实的环保产品;⑤炉渣水泥制品质量较轻,可节约或降低运输成本及劳动强度;⑥炉渣水泥制品生产的标砖、多孔砖等产品颜色为大多为青色,是理想的“青砖绿瓦”工程建材.

4.1 生产场地布置

通常,炉渣水泥制品生产布置场地主要包括3部分,即物料堆放区、固化间、养护室或成品堆放场.物料堆放区一般依次布置有炉渣堆放场(细炉渣)、水泥罐间;固化间位于主厂房中间,里面布置一条至多条炉渣水泥制品生产线以及集水坑;养护室或成品堆放场用于炉渣水泥制品的养护.此外,集水坑用于收集生产和清洁过程中产生的废水,废水经处理后可再利用,防止污染环境.

4.2 生产工艺与设备

炉渣水泥制品生产工艺流程可以分为3个阶段,即进料、搅拌成型、养护.

4.2.1 进 料.

用装载车将炉渣装入电子称量斗称量后,按比例用皮带输送至搅拌机料斗进料,水泥则由水泥罐按配比直接放入搅拌机.为确保水泥制品固化时充分水合及产品的强度,必须选定适宜的水渣比,一般控制水渣比在1∶4以上,也可通过试验确定.早强剂的作用是缩短固化时间,进料时通过试验选择投配量.

4.2.2 搅拌成型.

物料在搅拌机中进行搅拌,搅拌后的混合物进入料斗.后续工艺根据不同水泥制品可以分为3类:液压振动成型、振动成型和路缘石成型.

(1)液压振动成型.将混合物料送入钢制模具,液压与振动同时进行,产品通过液压推车或叉车运至养护室.此类生产能快速成型,产品尺寸规格标准,抗压强度,密实度高,产量也高.其产品如标砖、各类多孔砖等.

(2)振动成型.将混合物料注入各类塑料模具,通过小型振动平台生产小型水泥制块,成型后应水平放置养护.其产品如各类彩砖,路面砖,路缘石(浇筑)等.

(3)路缘石成型.将混合物料送入钢制模具,通过液压成型,运送至养护室.此类生产能快速成型,产量高,产品尺寸规格标准,抗压强度高、密实度高.其产品通常是大件水泥制品,如水沟盖板、路缘石(机压)等.

4.2.3 养 护.

养护是水泥制品固化的重要环节,一般在室温和相对湿度大于80%条件下,养护时间约为28 d.水泥制品达到一定的强度后,再把这些制品运输至成品堆放场,进一步自然养护以达到运输和建筑用材利用要求的强度.

由于炉渣比沙石质软,炉渣水泥制品必须进行强度试验.为增加炉渣水泥制品强度,解决方法之一是增加水泥配比量以满足相关行业标准和炉渣水泥制品的实用要求.

4.3 经济性初步分析

下面,我们以炉渣作为混凝土骨料制成固化多孔砖及混凝土制块等水泥制品为例,对该工艺方法的原料成本、环境效益进行经济性如下分析.

4.3.1 原料成本.

该生产工艺的原料成本主要为水泥成本与骨料成本之和,可表示为,

式中:Z为原料总成本,S1为水泥成本,S2为骨料成本,Q为水泥总量,P为水泥单价,m为骨料重量,n为骨料单价,x为骨料使用水泥比例.式(1)可简化为,

由式(2)可以看出:原料成本是一个单调函数,原料成本控制主要为水泥的配比比例,而其他几项均为市场价格,生产中可以通过试验得出水泥比例x的最小值,以降低原料成本.

为直观反应出炉渣成本优势,可以对 m、n、x及P进行赋值,计算出原料成本,进行比较,结果如表1所示.

从表1中可以看出,利用炉渣作为混凝土骨料与天然砂石相比,原料成本可节约18.55%,具有十分明显的价格优势.

表1 原料成本比较表

4.3.2 环境效益.

垃圾焚烧炉渣主要由城市生活垃圾焚烧产生,通过将炉渣处理后再利用,或代替混凝土骨料制成水泥制品又回用于城市,并且在生产、使用和运输过程中没有产生二次污染,环境效益与社会效益十分明显,符合可持续发展的要求[5].

5 结 语

垃圾焚烧炉渣的资源化利用是一项利国利民的环保开发项目,经济效益优势明显,具有较强市场竞争力,应加大投资和研发力度,使其在经济效益、环境效益和社会效益得到更大的体现.

[1]张益,赵由才.生活垃圾焚烧技术[M].北京:化学工业出版社,2001.

[2]徐惠忠.固体废弃物资源化技术[M].北京:化学工业出版社,2004.

[3]何品晶.垃圾焚烧炉渣的性质及其利用前景[EB/OL]. [2010-09-22].http://wenku.baidu.com/view/f763572b-3169a4517723a338.html.

[4]李定龙,王晋.处理处置工程及应用[M].北京:中国石化出版社,2009.

[5]叶文虎.环境管理学[M].北京:高等教育出版社,2005.