垃圾焚烧发电飞灰处理现状及技术选择

祝兴林

(安徽皖能环保电力有限公司，安徽 合肥 230001)

0 引言

随着我国城市化和人民生活水平的不断提高，城市垃圾产生量与日俱增，其基本处理方式主要有填埋、焚烧和堆肥。垃圾焚烧发电技术是通过将垃圾放在焚烧炉中燃烧并释放热能后，将余热回收以供热或发电；同时将净化后的烟气排出，将少量剩余残渣排出填埋或用于其他用途。焚烧处理技术处理量大、减容性好、无害化彻底，且有热能回收作用。因此，对生活垃圾实行焚烧处理是无害化、减量化和资源化的有效处理方式。

近年来，随着我国垃圾焚烧处理技术的迅猛发展，焚烧飞灰产量巨大，焚烧飞灰处理技术成为环保领域研究的热点之一。由于垃圾焚烧飞灰中含有较高浓度的二噁英和重金属，是危险固体废弃物，将其直接填埋会对周边环境造成严重的二次污染，因此需要对垃圾焚烧飞灰进行无害化处理。

1 垃圾焚烧飞灰简介

垃圾焚烧飞灰是指在垃圾焚烧厂的烟气净化系统中收集的残余物，一般包括除尘器飞灰和吸收塔飞灰，其中含有烟道灰、加入的化学药剂及化学反应产物等。垃圾焚烧飞灰作为一种高比表面积物质，不仅富集大量的汞、铅和镉等有毒重金属，也富集了大量的二噁英类物质，是一种同时具有重金属危害特性和环境持久性有机毒性危害特性的双料危险废物，对人体健康和生态环境具有极大的危害性。

垃圾焚烧飞灰是含水率很低的细小尘粒，呈浅灰色粉末状。从理化性质看，一般所取灰样的含水率为10 %～23 %，热灼减率为34 %～51 %。飞灰是由颗粒物、反应产物、未反应产物和冷凝产物聚集而成的不规则物体，粒径大小不均，基本在100 µm以下，表面粗糙，呈多角质状，孔隙率较高，比表面积较大，其表面易凝结富集Pb和Cd等易挥发性金属。焚烧飞灰的主要化学成分为：SiO2，24.5 %；Fe2O3，4.01 %；Al2O3，7.42 %；TiO2，0.62 %；CaCl2，3.37 %；MgO，2.72 %；SO3，12.03 %；CaO，0.5 %；Cl2，10.56 %。焚烧飞灰中各种重金属的含量大不相同，其中Zn，Pb，Cu，Cr和Cd等有害物质浓度较高，这与焚烧温度和各种重金属物质的蒸发点有关。蒸发点低于焚烧温度的重金属物质，受热后将全部蒸发而进入烟气。烟气中的重金属蒸汽，随烟气温度的降低，凝结成均匀的小颗粒并附着于烟尘上，最后被烟气除尘设备捕集下来，形成焚烧飞灰。飞灰中的水溶态重金属含量较少，可浸出的Pb和Zn主要以酸溶态形式存在。而Cd主要以酸溶态和离子交换态形式存在，这说明在酸性条件下，飞灰的重金属浸出毒性会大大增加。

2 垃圾焚烧飞灰处理技术现状

2.1 固化与稳定化法

固化与稳定化技术是国际上处理有毒废物的主要方法之一，而胶凝材料是目前应用最广、最重要的固化与稳定化材料。国外已经开展过以垃圾焚烧飞灰作为水泥混凝土集料或混合材的研究，也报道了运用热处理技术把垃圾焚烧飞灰资源化的方法。

2.1.1 水泥固化法

固化处理是利用固化剂与垃圾焚烧飞灰混合后形成固化体，从而减少重金属的溶出。水泥是最常见的危险废物固化剂，因此工程中常采用水泥对焚烧飞灰进行固化处理。飞灰被掺入水泥的基质中后，在一定的条件下，经过一系列的理化作用，减小污染物在废物水泥基质体系中的迁移率，如形成溶解性比金属离子小得多的金属氧化物等。

此外，还可添加一些辅料以增进反应过程，最终使粉粒状物料变成坚固的混凝土块，从而使大量的废物因固化而稳定。对垃圾焚烧飞灰进行稳定化处理研究，结果表明：尽管采用了水洗、粉碎等飞灰前处理工艺，处理后的砌块仍难以达到较高强度。另外，由于受氯离子的影响，固化砌块中的Fe2+，Cu2+，Zn2+等离子容易浸出，导致污染物超标。

研究表明，垃圾焚烧飞灰可作为辅助材料代替水泥加入混凝土，用这种垃圾焚烧飞灰代替45 %水泥时，其耐压强度与原来的相当。用重金属及氯化物含量高的焚烧飞灰替代水泥材料时，应进行适当处理，如水洗或加入添加剂。

研究指出，垃圾焚烧飞灰与矿渣等材料复合，可改善水泥的后期强度。从强度发展趋势看，垃圾焚烧飞灰与其他混合材复合，在一定程度上改善了单掺垃圾焚烧飞灰导致水泥后期强度增长缓慢的情况。垃圾焚烧飞灰与矿渣或低钙粉煤灰复合可改善水泥后期强度，与矿渣复合后其效果更加显著。

尽管水泥固化处理焚烧飞灰具有工艺成熟、操作简单、处理成本低等优点，但由于垃圾焚烧飞灰中含有较高的氯离子，所以采用水泥固化法处理焚烧飞灰时，必须进行前处理，以减少氯离子对固化后砌块的机械性能影响以及后期重金属离子浸出等问题。这就在很大程度上提高了对焚烧飞灰处置场所建设和运行的要求，造成成本增加，限制了该方法的应用。

2.1.2 凝石稳定化法

凝石是将具有火山灰活性的固体废弃物，包括粉煤灰、冶金渣、煤矸石、油页岩渣、预处理过的尾矿、黄河砂、城市建筑垃圾以及天然火山灰等硅铝质物料，加入少量或不加水泥熟料，再配入1 %～5 %的成岩剂，分别磨细再混匀或一起混磨而成的。凝石是基于仿地成岩原理制备的硅铝基胶凝材料，能够在许多场合替代水泥。

目前，在中国已形成几十条凝石生产线和每年数百万吨的生产规模。凝石技术体系推广应用的基本模式是：凝石成岩剂由区域性工厂集中生产，将生产好的凝石成岩剂运往凝石胶凝材料工厂，在凝石胶凝材料工厂内将1 %～5 %的凝石成岩剂与上述固体废弃物磨细后的微粒一起混磨均匀，加入少量或不加水泥熟料，就可得到凝石胶凝材料。

垃圾焚烧飞灰在凝石成岩剂中的加入量为1 %～10 %，这样其在成岩剂中就得到了10～100倍的稀释。成岩剂在凝石胶凝材料中的加入量为1 %～5 %，这样垃圾焚烧飞灰在凝石胶凝材料中就得到了200～10 000倍的稀释。

该技术初步研究的结果表明：凝石对垃圾焚烧飞灰中重金属物质的处理效果良好。当焚烧飞灰的掺加量为1 %～5 %时，凝石中的重金属得到了有效处理，渗滤结果均符合固体废弃物浸出毒性鉴别标准，浸出液中的重金属浓度都远远低于城市污水排放的标准，对环境不会造成危害。该技术被认为在固体废弃物资源化利用方面非常有应用前景。

2.1.3 熔融固化技术

经加热熔融，焚烧飞灰中的二噁英等有机污染物会发生高温分解，再将熔渣快速冷却形成致密且稳定的玻璃体，从而有效控制重金属的浸出。熔融固化技术不仅可以控制污染，而且熔融使灰渣变得致密，减容效果非常显著。此外，根据生产需要，可以将熔渣制成建筑材料或作为玻璃、陶瓷等生产行业的原料，实现灰渣的资源化利用。

研究表明：灰渣熔融后，仅因其密度增加即可减容约70 %。如果再考虑到熔渣综合利用，对于填埋负担而言，可以达到1/20的减容比。目前发达国家已经研究出2种成熟的熔融技术。

(1)烧结法，是将待处理的危险废物与细小的玻璃质，如玻璃屑、玻璃粉混合造粒成型后，在1 000～1 100 ℃高温下熔融形成玻璃固化体，以借助玻璃体的致密结晶结构，确保固化体的永久稳定。但该方法需充分结合化学稳定和熔融处理工艺，才能降低垃圾焚烧飞灰对环境的危害。

(2)熔融法，是在燃料炉内，利用燃料或电能将垃圾焚烧飞灰加热到1 400 ℃左右，使飞灰熔融后经过一定的程序冷却变成熔渣，然后将熔渣作为建筑材料，以实现飞灰减容化、无害化、资源化。熔融固化需要将大量物料加热到熔点以上，一般采用电或其他燃料，需要的能源和费用都相当高。相对于其他处理技术，熔融固化的最大优点是可以得到高质量的建筑材料。

国外已研制出多种垃圾焚烧飞灰处理的高温熔融炉，并在日本和欧洲有少量使用。但由于此工艺需要消耗大量能源，且对Pb，Cd，Zn等易挥发重金属元素需进行严格后续的烟气处理，导致飞灰处理成本较高，目前只能在经济发达的国家应用。

2.1.4 烧制陶粒技术

专利CN1830885《利用垃圾焚烧飞灰为原料的陶粒及其制备方法》中提出了一种利用垃圾焚烧飞灰为原料的陶粒及其制备方法。其原料组成为：飞灰20 %～80 %，其余为黏土。这些原料经配料、造粒、高温煅烧后即可制成陶粒产品。所需高温煅烧的烧结温度为1 000～1 400 ℃。此专利将危险废弃物-垃圾焚烧飞灰作为陶粒原料再生利用，实现了对固体废弃物飞灰的无害化、资源化处理，避免了二次污染，减少了资源浪费。这样，既可安全处置垃圾焚烧飞灰，又经济、可行地利用城市垃圾焚烧飞灰制备陶粒产品，减少了陶粒工业对天然原料的需求量。

2.2 湿式化学处理法

飞灰湿式化学处理法包括加酸萃取法、烟气中和碳酸化法等。该工艺将飞灰中的重金属(如酸、碱等)提取后，再将剩余飞灰和重金属分别进行资源化利用。该工艺运行成本较低，可回收重金属和盐类。

研究表明：飞灰经过磷酸洗涤后，Zn的溶出率由水洗时的112.65 mg/kg降低至2 mg/kg，且未检出Pb的溶出，固留在灰样中重金属的残留态和有机态的比例都有不同程度的提高。由此可见，磷酸洗涤不但能有效抑制重金属的溶出，还有助于改善重金属的化学稳定性和飞灰的热稳定性。研究还指出，由于大多数有害离子的浸出率较低，对安全填埋影响不大，也可作为建材、筑路材料。

采用湿式化学处理法提取飞灰中的重金属，主要具有以下优点：

(1)飞灰中的可溶盐溶解于水中，提高了处理效果，增加了处理物的稳定性；

(2)处理物中的可溶盐较少，且形态为脱水滤饼状，易于操作、搬运、填埋；

(3)工艺简单，可操作性强，但也存在需对可溶盐和排水进行处理的弊端，一般只用于重金属浓度较高、有必要进行回收的情况下，目前很少应用。

2.3 安全填埋法

安全填埋法是将垃圾焚烧飞灰在现场进行简单处理后，送入安全填埋场进行填埋的方法，是目前处理垃圾焚烧飞灰最安全可靠的手段之一。但安全填埋场的建设和运行费用较高，垃圾焚烧处理厂难以承受，同时也不能达到减容化和资源化的目的，因此今后会逐渐减少此方法的应用。

2.4 其他

国外曾研究在焚烧飞灰中加入SiO2，MgO，TiO2制造玻璃，并将其进一步转化为玻璃陶瓷制品，作为建筑材料。

随着经济的发展和人们环保意识的提高，对于未来垃圾焚烧飞灰的处理应该是随污染物排放标准的提高，无害化程度也进一步提高，同时尽可能减少处理和控制二次污染物的运行费用。

3 结束语

我国现有垃圾焚烧厂对含有重金属、二噁英等的垃圾焚烧飞灰，采用堆存或简单处理的方法极易造成严重的环境污染，因此应发展适宜的焚烧灰熔融处理配套设施。

结合我国实际情况，垃圾焚烧飞灰处理的发展方向应该包括以下3个方面：

(1)开发先进的焚烧炉，并加强对入炉垃圾的控制；

(2)开发稳定效果好、处理成本低的化学稳定剂以减少垃圾焚烧飞灰中的重金属迁移；

(3)开发安全可靠、能耗低、效益好的资源化技术，资源化处理垃圾焚烧飞灰，变废为宝。

国外通常将医疗垃圾消毒处理后和生活垃圾一起进行焚烧，但因我国生活垃圾未进行分类收集，垃圾焚烧灰组成与国外有一定的区别，不能直接引进国外技术。因此，必须结合垃圾焚烧飞灰的组分、生活垃圾的处理规模、能量来源、建设投资费、运行费用、操作复杂性、金属回收以及熔融产物利用等方面的因素，综合考虑，慎重选择适宜的焚烧飞灰熔融处理技术，真正做到垃圾焚烧飞灰处理的安全、经济、实用、可靠。

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2 张若冰，池 涌，陆胜勇，等．垃圾焚烧过程中重金属分布特性的研究[J]．工程热物理学报，2003．

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