两种焚烧炉渣的主要成分分析

冉 帆， 吴丽萍， 李庆波， 邵佳婧

(天津市水质科学与技术重点试验室； 天津城建大学 环境与市政工程学院， 天津 300384)

0 引 言

垃圾焚烧法减量化效果显著，国内继深圳建成第一座垃圾焚烧场以来，现已建成600多座，深圳、上海、北京、天津等城市垃圾焚烧处理率已超过20%[1]。城市生活垃圾焚烧技术的广泛应用，不可避免地产生了焚烧炉渣的利用问题。

焚烧炉渣是由垃圾焚烧炉排出的残渣，包括炉排渣和从炉排间掉落的颗粒物[2]，约占灰渣总重量的80%，主要由未燃尽物及熔渣、陶瓷碎片、玻璃、金属等不可燃物组成[3]。在我国，焚烧炉渣属于一般固体废弃物[4]。焚烧炉渣中熔渣的主要成分有SiO2、CaCO3、CaO、MgCO3、钙长石(CaO·A12O3·2SiO2)、重晶石和石膏等无机化合物，CaO、Al2O3、MgO、ZnO、SiO2等反应生成的钙化合物形成的低熔点共熔物相的存在是灰渣形成的主要原因[5]。研究和工程实践表明[6]，焚烧炉渣中硅酸盐和铝酸盐等含量占30%以上，物理化学和工程性质与轻质的天然骨料(石英砂、黏土等)相似[7]。张悦等[4]关于焚烧炉渣的级配、吸水率、表观密度及主要化学成分的分析认为，与天然粗、细骨料相比，焚烧炉渣骨料密度低、吸水率大、孔隙率高、压碎指标大，颗粒级配连续，较适合作为混凝土骨料。因此，较多研究者对焚烧炉渣的骨料和集料性能作了研究[8-10]。焚烧炉渣相对飞灰而言，重金属浸出浓度远低于危险废物鉴别标准值，污染程度小[11]，资源化利用是可行的，可作为污水处理的吸附剂及工业滤料等[12-13]。

基于垃圾种类、焚烧炉型式、焚烧温度、排渣方式等不同，焚烧炉渣成分亦有所区别。本试验选取了流化床炉渣和炉排炉炉渣，通过X射线衍射、X射线荧光和烧失量分析，研究两种焚烧炉渣主要化学性质的差异，为其资源化利用或改性利用提供理论依据。

1 仪器与工作条件

1.1 X射线衍射分析仪

(1) 试验仪器。Rigaku D/max-2500/PC X射线衍射仪(XRD)，MUI Jade 5.0 X射线衍射数据处理软件。

(2) 仪器工作条件。2θ初始角度5.000°，结束角度80.000°; 2θ/θ联动，采样间隔0.010°，连续扫描速度0.500°/ min；广角；铜转靶( X 射线波长Kα: 0.154 184 1 nm) ，40 kV，40 mA；标准样品夹，NaI闪烁计数X 射线探测器，铜转靶用石墨单色器，入射狭缝1/3°,入射高度限制狭缝2 mm，散射狭缝1/2°，接收狭缝0.6 mm，单色器接收狭缝未使用。

XRD难以检测含量小于1%的微量相或者非晶相，但微量相对物质主相定性和定量分析影响很小，基本上可以满足常规矿物相的鉴定[14]。

1.2 X射线荧光分析仪

试验仪器为ZSX Primus Ⅲ型X射线荧光光谱仪，Rigaku制造，仪器工作条件见表1。

2 试验材料与试样制备

2.1 试验材料

试验炉渣取自天津双港垃圾焚烧发电厂和天津青光垃圾焚烧发电厂，前者采用的是日本田熊SN炉排炉，单台处理量为400 t/d，排渣形式为湿排渣，所取渣样简称炉排渣(PZ)；后者采用的是清华紫光环保有限公司设计的循环流化床垃圾焚烧炉，单台处理量为350 t/d，排渣形式为干排渣，所取渣样简称流化床渣(LZ)。

表1 分析元素的测量条件

2.2 试样制备

(1) XRD分析用样品制备。取适量炉排渣、流化床渣样品，烘干、研磨，过200目筛后，将样品粉末均匀洒入制样框窗口中，将粉末在窗口内摊匀堆好，然后用小抹刀轻轻压紧，用保险刀片把多余凸出的粉末削去，最后，小心地把制样框从玻璃平面上拿起，保证样品粉末平面的平整，进行X射线衍射扫描，即得到两种焚烧炉渣的XRD图谱。

(2) XRF分析用样品制备。预处理步骤同XRD分析，将200目筛下样品放入烘箱中，保持100℃烘3 h，置于干燥器中恒重，在30 MPa压力下保压60 s压制成形，再进行X射线荧光光谱仪扫描。

3 结果与讨论

3.1 炉渣物相组成分析

炉排渣和流化床渣的XRD分析结果如图1所示。

图1 两种炉渣的XRD图谱

灰渣中存在的主要物相有：硅酸盐(长石类、辉石类、钙硅石)、氧化物(石英、赤铁矿)以及一些盐类(氯化物、硫酸盐)[15-18]。由图1可以看出，流化床渣含有的主晶相有石英(SiO2)，钙硅石(Ca2SiO4)和钠长石(Na(AlSi3O8))。炉排渣含有的主晶相有，石英(SiO2)、钙硅石(Ca2SiO4)、钠长石(Na(AlSi3O8)，并含有绿铜钾石(K2Cu2O(SO4)2)和少量的锥辉石(NaFe(Si2O6))等，其XRD峰形较流化床渣复杂，与其复杂成分相关。由峰值来看，流化床渣中石英及钙硅石含量高于炉排渣。

3.2 炉渣化学成分分析

利用X射线荧光分析仪对炉排渣(PZ)和流化床渣(LZ)进行成分分析，结果见表2。

表2 两种炉渣的主要化学成分含量 %

由表2可看出，流化床渣和炉排渣主要成分均为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，含量分别达75.45%和65.95%，另有少量的Na2O、MgO、K2O、P2O5等，Zn、Ba、Mn、Cu、Pb、Cr等金属氧化物的含量很低，均低于1%。主成分中SiO2、CaO含量差异性较大，与北京、上海、广州、深圳等地区垃圾焚烧炉渣成分分析一致。

表3 部分垃圾焚烧炉渣主成分含量 %

由表3可见，上海浦东御桥、广州李坑、北京高安屯、深圳南山、杭州锦江垃圾焚烧发电厂焚烧炉底渣中主要成分SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，总量分别达到78.7%、76.9%、86.4%、82.3%、85%，差异性较小，但SiO2、CaO含量差异性较大。

一般而言，炉渣的硅铝比(SiO2/Al2O3)越低则其熔融温度越高。由表2、3可知，天津青光流化床渣、双港炉排渣与广州李坑、北京高安屯、深圳南山、杭州锦江焚烧炉渣的SiO2/Al2O3比均大于3，上海浦东御桥焚烧炉渣的SiO2/Al2O3比为1.16，即炉渣的熔融特性亦存在差异。

上述分析说明，焚烧炉炉型、燃烧器结构、垃圾成分、钙基脱硫剂类型、掺煤量等均影响炉渣成分与性质。

3.3 烧失量分析

烧失量(Loss on Ignition，LOI)又称灼减量，是高温时结晶水、挥发分被排除及碳酸盐分解CO2、硫酸盐分解SO2后的质量损失，与低价硫、铁等元素氧化反应后质量增加的代数和[13]。试验采用600℃和950℃两个温度段，600℃下烧失量主要反映炉渣中结晶水、挥发分含量;950℃下失重量能反映所含碳酸盐、硫酸盐含量。

首先将待测样品置于烘箱中，105℃下烘干2 h，干燥器中恒重后备用。将空坩埚置于高温电炉中，经600℃高温灼烧30 min，取出后在干燥器中冷却20～30 min，称取质量，再在同样温度下灼烧30 min，冷却称重，直至两次质量相差不超过0.5 mg(即恒定质量)，此为灼烧的空坩埚质量。称取1.00～2.00 g预先烘干处理的样品于已知质量的坩埚中。把坩埚置于高温电炉中，从低温开始灼烧，至600℃保持1 h，取出稍冷，放入干燥器20～30 min后称重，然后再放入高温电炉中600℃灼烧30 min，冷却后称重，直至前后二次质最相差不超过0.50 mg，即达恒定质量。重复上述步骤在950℃下灼烧样品。最后按下式计算流化床渣和炉排渣样品600℃和950℃烧失量L，结果见表4。

式中：m1为灼烧后空坩埚质量，g；m2为灼烧后样品加坩埚质量，g；m3为灼烧前坩埚加烘样品质量，g。

表4 两种焚烧炉渣的烧失量 %

在水泥和混凝土制备过程中，烧失量一般作为评价熟料质量的重要指标。高的烧失量影响熟料的吸水性能，进而影响产品的抗冻性、保温性等，因此《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB 1596-2005)中规定了粉煤灰的3种烧失量等级，即烧失量不大于5%为Ⅰ级，不大于8%为Ⅱ级，不大于15%为Ⅲ级。基于炉渣的主要化学成分与粉煤灰相近，本文拟通过烧失量实验评价两种炉渣的集料性能。

由表4可知，流化床渣的烧失量满足Ⅰ级标准，而炉排渣的烧失量等级较低，仅满足Ⅲ级标准。该结果显示，除炉膛结构、燃烧方式、锅炉负荷等因素的影响，循环流化床焚烧炉在给料粒度控制、炉内空气动力场工况等方面具有一定的优势，其良好的内循环和外循环提供了燃烧颗粒足够长的停留时间，床内强烈的气固混合为颗粒燃烧提供了良好的空气动力场[19]。

4 结 论

(1) XRD分析表明，流化床渣和炉排渣的主要晶相为石英(SiO2)，钙硅石(Ca2SiO4)和钠长石(Na(AlSi3O8))，但炉排渣中微量成分的晶相较流化床渣复杂，这与两种焚烧炉渣的来源及焚烧工艺等因素有关。

(2) XRF分析显示，流化床渣、炉排渣中SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3含量之和分别达75.45%、65.95%，其中SiO2、CaO含量差异性较大。两种焚烧炉渣的SiO2/Al2O3比均相近，为低熔点的钙化物共熔物相。

(3) 流化床渣的烧失量远低于炉排渣，具有较好的集料性能；焚烧炉炉型、燃烧器结构、垃圾成分、钙基脱硫剂类型、掺煤量等均会影响炉渣成分与性质。

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