城市生活垃圾焚烧底灰在建筑材料中的资源化利用

綦懿 王万里 范程程

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2101-5640-2899

摘  要：我国城镇化迅猛发展，生活垃圾排放量巨大，焚烧发电是城市生活垃圾未来的主要发展方向。焚烧生活垃圾所排放的底灰对人们生存的环境产生巨大压力。本文综述了目前国内外底灰在水泥、骨料、陶瓷、砖等建材领域资源化利用的主要方式，分析了各方法的优缺点，总结了底灰在建筑材料领域中的研究现状，探讨了未来底灰应用的关注点。

关键词：生活垃圾焚烧  底灰  建筑材料  资源化利用

中图分类号：TQ 52          文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2021）03（c）-0110-03

Resource Utilization of Municipal Solid Waste Incineration Bottom Ash in Building Materials

QI Yi1  WANG Wanli2  FAN Chengcheng2

（1.Dalian Teda Environmental Protection Co.， Ltd.， Dalian， Liaoning Province， 116000 China;2.Institute of Building Materials， Faculty of Infrastructure Engineering， Dalian University of Technology， Dalian， Liaoning Province， 116024 China）

Abstract： With the rapid development of urbanization in our country leading to a huge amount of domestic garbage， generating electricity through incineration is the main direction of municipal solid waste.The bottom ash discharged from the incineration of domestic waste has exerted tremendous pressure on the people's living environment. This article summarizes the main ways of resource utilization of bottom ash in cement， aggregate， ceramics， brick and other building materials at home and abroad， the advantages and disadvantages of each method are analyzed， the research status of bottom ash in the field of building materials is summarized， and the focus of future bottom ash application is discussed.

Key Words： MSWI; Bottom ash; Building materials; Resource utilization

城鄉一体化的发展随着城镇人口的逐步集中而不断增快，中国人口日益增长，2019年末我国的总人口数量达到14亿人。人们的生活质量提高以及不断增加的城镇人口，产生大量的生活垃圾，这无疑对人们生活的环境带来重大的压力，有效处理垃圾成为了与我们关系密切的事情。我国城市生活垃圾清运量逐年上升，2019年全国生活垃圾产生量约3.43亿t，预计2020年垃圾产生量达3.6亿t[1]。随着我国人口结构的变化，可以预知未来几年生活垃圾的增长将成为常态。焚烧处理生活垃圾是目前我国采用的主要方式。底灰是垃圾焚烧过程中产生的主要残留物，占到80%～90%。面对庞大产量的底灰，如果不加利用直接丢弃于自然环境中，将给人类生活的大气环境、土壤等造成严重的负担。底灰属于一般废物，可直接填埋或者作为建材利用[2]。本文综述了国内外生活垃圾焚烧底灰在建材领域的资源化利用现状，为底灰的废物利用提供方向。

1  底灰特性

底灰的颜色从灰色到褐色、黑色不等，一般随着含碳量的增加，颜色加深。颗粒形状不规则，具有多孔性特点，密度约为1.2 kg/m3，含水率在5%～25%之间波动，这主要与出渣设备相关[3]。底灰的化学组成主要由Si、Ca、K、Na、Cl、Fe、Mg等元素成分组成，其呈典型的碱性特征，pH大概在10.5左右[4]，这与焚烧生活垃圾过程中加入的氢氧化钙有关。

垃圾焚烧底灰作为建筑材料的可行性应该从以下两个方面考量：一是产品的性能，二是应用的空间，即根据飞灰的物理化学特性，将其作为建材产品资源化利用后，它的性能是否能达标，是否存在市场竞争力。

2  底灰的建材资源化利用途径

2.1 水泥

水泥的主要化学成分是CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等氧化物，这与底灰的成分相似，可将底灰作为替代水泥的部分原料。Li[5]等筛选8组粒径不同的底灰，发现随着底灰粒径的增大，底灰中CaO和氯化物的含量下降，与底灰中SiO2含量的变化相反。不同粒径的底灰中Al2O3和Fe2O3含量相对稳定。在水泥窑中，底灰中可能引起严重腐蚀的氯化物均高于水泥生产原料和熟料质量允许限值，必须严格控制用作水泥生产替代材料的底灰用量，并进行适当处理，以减少氯化物引起的腐蚀。张涛[6]等研究了在混凝土中利用城市固体废物焚烧炉渣在混凝土中的最佳替代率问题。结果表明炉渣替代率小于50%时， 混凝土的抗压强度养护28d达到25MPa，过量的炉渣会使水泥水化发生延缓，导致混凝土的抗压强度、弹性模量降低，因此，炉渣替代率不宜超出50%。垃圾焚烧底灰含有金属铝，在与水拌和过程中，易产生氢气，使得在硬化的浆体中产生细小裂纹，陈楠[7]等采用加碱预处理底灰的方式，去除铝等有害物质，能够减少微孔结构生成，取代部分水泥，通过测试不同龄期的砂浆强度，得到预处理后的砂浆力学性能明显提高。许峻宁[8]用底灰、硅灰和粉煤灰替代水泥，发现底灰的加入降低了水化产物生成量，延缓了胶凝材料的初凝和终凝时间。而硅灰的加入为底灰胶砂的前期强度提供了保障，加快了凝结速度，粉煤灰的水化时间较长，为底灰的后期强度发展提供保障，因此三者按一定比例混合使用，则能发挥各自的优点，从而改善胶凝材料的性能。底灰在取代部分水泥方面具有可行性，但是底灰的加入可能推迟水泥的硬化，砂浆的力学性能出现下降现象，底灰掺入量越大则强度下降幅度越大。同时，由于城市生活垃圾焚烧底灰中有金属铝、锌等活性金属残留，会在水泥水化产生的碱性环境中反应生成氢气和钙矾石，会对砂浆的新拌性能和力学性能产生不利影响。以上都是底灰在资源化利用时需要着重考虑的因素。

2.2 骨料

许峻宁[8]发现底灰和天然细骨料的相似性较大，为了将底灰资源化利用，研究了底灰替代天然细骨料来制作再生水泥砂浆。当底灰替代率10%时，由于其潜在的火山灰活性和一定的填充性能，使得在该替代率下的水泥砂浆强度与基准砂浆强度相当;随着替代率增加，力学强度下降，当替代率提高到30%时，力学强度大幅度下降到基准强度的80%左右，最终得出底灰替代天然细骨料的最佳替代率在10%～20%之间。Li[9]用底灰替代石英砂制备蒸压加气混凝土，底灰的加入倾向于降低密度、抗压强度和热导率，同时缩短了发泡时间，增加了发泡体积，形成气体的量随底灰粒徑的减小而减少。底灰虽物理性能与天然细骨料相似，但未经处理直接使用会导致制成的材料性能有所降低，且不同地区的底灰存在不同特性，可能产生的效果也不完全一致。

2.3 陶瓷和砖

底灰的特性符合用作骨料和砾石的许多技术要求，伍浩然[10]将用底灰替代部分原料制备陶瓷砖，研究陶瓷砖破坏强度、线膨胀率、吸水率随底灰掺量的变化趋势，结果表明破坏强度降低，但是线膨胀率和吸水率未有显著变化，并且得出底灰掺入量20%时，可烧结出性能较好的陶瓷砖。常豪[11]等掺入60%的底灰与40%的粘土用于烧结砖原料，最终在烧结温度1000～1050℃之间，制得质量合格的产品。刘学慧[12]以膨润土、底灰、粉煤灰，加入少量玻璃粉作为助溶剂，最后制得烧结砖的抗折强度超过10MPa。面对陶瓷、砖的产量不断增加，瓷土和粘土的需求日益增大，如果将底灰用来替代部分原料制作陶瓷、砖，这样既节约资源，又可以废物利用。

2.4 其他应用

为了进一步开发底灰的应用范围，Liu[13]通过试验评价了垃圾焚烧飞灰和底灰在泡沫玻璃陶瓷生产中的可行性。研究了原料组成、发泡温度和发泡时间对泡沫玻璃陶瓷物理力学性能的影响。泡沫微晶玻璃在1150℃下用14%飞灰和74%底灰发泡30min，具有高孔隙度（76.03%）、低容重（0.67g/cm3）和高抗压强度（10.56MPa）等优异的综合性能。潘涛[14]等研究了生活垃圾焚烧底灰作为辅助胶凝材料制备墙体材料的可行性，当水洗底灰掺量低于20%时，墙体材料的力学性能满足国家标准GB 175-2007。这说明，底灰用于建筑材料，可实现显著的经济和环境效益。

3  结语

根据以上综述证明，垃圾焚烧底灰进行资源化利用，具有一定的可行性，但是仍存在以下几个问题：（1）底灰目前在建材领域资源化利用的途径主要集中于水泥、骨料、陶瓷和砖等方面，利用空间受到了限制，应结合底灰物理和化学特性，多开发其他领域，使得其能够废物利用，达到资源化目的。（2）由于底灰特性受地域影响较大，因此应该针对不同地区的垃圾焚烧底灰进行全成分分析，以期掌握不同地区的底灰化学成分的分布特点，为之后的试验研究作铺垫。（3）目前对于底灰的利用都需要进行前预处理，增加了成本负担，应从不同角度对底灰的活性进行激发，以求达到产品性能最佳，具有更广阔的应用市场。

参考文献

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