CN105819750B - 生活垃圾焚烧飞灰直接作为沥青混合料的填料及其在路面中的清洁应用 - Google Patents

生活垃圾焚烧飞灰直接作为沥青混合料的填料及其在路面中的清洁应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生活垃圾焚烧飞灰直接作为沥青混合料的填料及其在路面中的清洁应用。本发明直接将生活垃圾焚烧飞灰加入到沥青混合料中进行路面应用，并且该生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料不仅限于在路面面层使用，在基层中亦可使用，铺设的路面路用性能各项指标满足规范要求。路面在应用过程中，生活垃圾焚烧飞灰中的重金属及其化合物浸出毒性合格，不会对环境造成二次污染，实现了生活垃圾焚烧飞灰的资源化和清洁利用。

Description

生活垃圾焚烧飞灰直接作为沥青混合料的填料及其在路面中 的清洁应用
技术领域
本发明属于固体废弃物处理处置与资源化、道路铺面材料及其加工制备交叉技术领域，具体涉及生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料及其在路面中的清洁应用。
背景技术
快速增长的生活垃圾给城市环境管理带来巨大的压力。生活垃圾焚烧以其占地面积小，减量化、无害化和资源化(回收能源)效果好等特点，在国内外得到普遍应用。生活垃圾焚烧飞灰是生活垃圾焚烧厂烟气净化系统的捕集物和烟道及烟囱底部沉降的底灰。截止2014年底，全国已投运的垃圾焚烧设施总规模19.58万吨/日，按照生活垃圾焚烧飞灰占生活垃圾处理量3％估算，全国每天产生的生活垃圾焚烧飞灰约5874吨。研究表明，生活垃圾焚烧飞灰中含有二噁英类及重金属等有毒有害物质，因此，我国将其列为《国家危险废物名录》中的HW18类危险废物，不妥善处置会直接威胁周围环境及人类健康，并会引发公众群体事件进而影响垃圾焚烧行业积极健康发展。生活垃圾焚烧飞灰的毒性和易造成二次污染的特性也是生活垃圾焚烧厂选址受公众质疑的重要原因。
目前，国内生活垃圾焚烧飞灰主要处置方式及缺点有：(1)直接进入危险废物填埋场填埋，处理成本高，无填埋场的区域在远距离运输中存在二次污染风险；(2)螯合剂稳定化或水泥固化后进入卫生填埋场填埋，浸出毒性不合格现象时有发生，二次污染风险高，存在增容量大、占有土地资源等问题；随着垃圾焚烧的普及，卫生填埋场的逐步关停或填埋场容量饱和，生活垃圾焚烧飞灰面临无法填埋的风险；(3)水泥窑协同处置；Cl元素影响水泥质量，会限制水泥使用范围，对设备腐蚀危害较大。
国外发达国家飞灰的处置技术有：德国采用矿井深埋，日本采用高温熔融，美国采用飞灰炉渣混合处置等。考虑到我国国情、投资处置成本以及现行法规限制等，以上发达国家采用的技术均不适宜我国飞灰处置。
因此，开发环境友好、符合我国经济发展的垃圾焚烧飞灰处置技术，从根本上改变飞灰处置现状，突破当前垃圾焚烧行业能源、环境、资源三者之间的矛盾，成为中国垃圾焚烧行业可持续发展的重大战略需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料，充分利用沥青结合料大的表面能、强的粘结力以及稳定的化学性质，直接将生活垃圾焚烧飞灰加入到沥青混合料中进行路面利用，并实现该生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料在路面中的清洁应用，达到包覆生活垃圾焚烧飞灰、稳定重金属的目的。本发明所提供的生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料不仅能够在路面面层中应用，还能够应用于基层。
本发明采取以下技术方案达到所述目的：
1、一种生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料，所述生活垃圾焚烧飞灰为烟气净化系统捕集物和烟道及烟囱底部沉降的底灰；按重量百分比计，生活垃圾焚烧飞灰占生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料的矿料百分比为0～8％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰为经二噁英低温热降解处理后的飞灰，二噁英降解率≥95％，二噁英含量≤10ng TEQ/kg。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰占生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料的矿料百分比为0～4％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰的粒径小于1mm。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰中粒径为小于75μm的质量百分含量大于75％，且58～75μm的生活垃圾焚烧飞灰质量分数大于70％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料采用SMA-13型级配、SMA-16型级配、AC-20C型级配、AC-25C型级配或ATB-25型级配。
2、上述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料在路面中的清洁应用。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料采用SMA-13型级配，生活垃圾焚烧飞灰在沥青混合料矿料中的质量百分比为3.5％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料采用SMA-16型级配，生活垃圾焚烧飞灰在沥青混合料矿料中的质量百分比为1％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料采用AC-20C型级配，生活垃圾焚烧飞灰在沥青混合料矿料中的质量百分比为0.3％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料采用AC-25C型级配，生活垃圾焚烧飞灰在沥青混合料矿料中的质量百分比为0.25％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料采用ATB-25型级配，生活垃圾焚烧飞灰在沥青混合料矿料中的质量百分比为0.25％。
3、上述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料的制备方法，采用热拌、温拌或冷拌沥青混合料的拌和工艺；生活垃圾焚烧飞灰掺配方式为干法替代矿粉，其加热温度、加热时间、添加次序同矿粉；生活垃圾焚烧飞灰的运输、添加、拌和等过程均处于相对密闭状态；生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料的拌和时间根据生活垃圾焚烧飞灰添加的量相应延长0～30s；生活垃圾焚烧飞灰沥青路面翻修时需考虑路面再生技术。
需要说明的是，所述沥青混合料为本领域技术人员所知的常规沥青混合料，主要包括沥青、粗集料、细集料、矿粉填料和外加剂(如抗剥落剂、抗车辙剂、聚合物改性剂等)。沥青的作用为将松散的粒料胶结在一起，经捣实或压实后成为具有一定强度的整体材料或用于将路面层粘结在一起，具有粘层或透层作用；粗集料主要起骨架作用；细集料则起填充作用；矿粉亦主要起填充作用，其0.075mm筛孔的通过率大于75％；外加剂(如抗剥落剂、抗车辙剂、聚合物改性剂等)具有改善沥青混合料的某些特殊性能的作用，如抗剥落剂可以改善沥青与集料的粘附性，提高水稳定性能。
本发明的有益效果在于：本发明直接将生活垃圾焚烧飞灰作为填料加入到沥青混合料中进行路面应用，并且该生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料不仅限于在路面面层使用，在基层中均可使用，铺设的路面路用性能各项指标满足规范要求。路面在应用过程中，生活垃圾焚烧飞灰中的重金属及其化合物浸出毒性合格，不会对环境造成二次污染，实现了生活垃圾焚烧飞灰的资源化和清洁利用。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
本发明所用生活垃圾焚烧飞灰来源于重庆某垃圾焚烧厂，为经炉排炉式垃圾焚烧炉的布袋除尘器收集的生活垃圾焚烧飞灰，生活垃圾焚烧飞灰首先进行二噁英低温热降解处理，低温热降解的最佳工艺参数如下：
热降解温度：400℃，
飞灰排出温度：≤150℃，
固相停留时间：1-2h，
气氛：氮气气氛，O2体积浓度≤1％，
脱氯活性介质：CaO，质量浓度≥10％。
在上述工艺条件下二噁英的降解率达95％以上，生活垃圾焚烧飞灰中二噁英的含量降低至10ng TEQ/kg以下；另外，生活垃圾焚烧飞灰中可溶盐含量为20～30％，重金属含量见表1。
表1生活垃圾焚烧飞灰中重金属含量(干基，mg/kg)
元素类别 重金属含量
Be 未检出
V 26.9
Cr 164.3
Mn 676.9
Co 13.3
Ni 28.5
Cu 578.0
Zn 5123.1
As 43.5
Se 2.3
Cd 139.4
Sb 46.3
Ba 1199.7
Hg 18.1
Tl 5.1
Pb 1854.7
U 6.8
Th 12.8
Ag 0.1
生活垃圾焚烧飞灰浸出液重金属浸出浓度见表2。
表2生活垃圾焚烧飞灰浸出液重金属浸出浓度(醋酸缓冲溶液法，mg/L)
由表中内容可知，生活垃圾焚烧飞灰中含量较高的重金属元素包括Zn、Pb、Ba、Mn、Cu、Cr和Cd，其醋酸缓冲溶液法浸出液中也是Zn、Pb、Mn、Cu、Cd的浓度较高，其中Pb和Cd的浓度超出了《生活垃圾填埋场污染控制标准(GB16889-2008)》中规定的入场限值。现采用本发明所述方法对该生活垃圾焚烧飞灰进行无害化、资源化利用。
取上述垃圾焚烧飞灰替代部分矿粉或集料，与沥青、粗集料、细集料、矿粉填料采用SMA-13、SMA-16、AC-20C、AC-25C或ATB-25型级配进行混合拌料，采用热拌、温拌或冷拌沥青混合料的拌和工艺，生活垃圾焚烧飞灰的运输、添加、拌和等过程均处于相对密闭状态；生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料的拌和时间根据生活垃圾焚烧飞灰添加的量相应延长0～30s；生活垃圾焚烧飞灰沥青路面翻修时需考虑路面再生技术。其中，按重量百分比计，生活垃圾焚烧飞灰占生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料的矿料百分比为0～8％，优选为0～4％，飞灰粒径＜1mm，优选为飞灰中粒径为小于75μm的含量大于75％，且处于58～75μm粒径范围的生活垃圾焚烧飞灰质量分数大于70％。将获得的生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料应用于路面的面层或基层均可。本发明所用的不同的生活垃圾焚烧飞灰粒径见表3。
表3生活垃圾焚烧飞灰的粒径分布
酸性有机沥青具有高表面能、大的表面活性以及强粘结力，能够包覆属于无机成分的碱性生活垃圾焚烧飞灰、稳定固化其中的重金属及其化合物，实现生活垃圾焚烧飞灰的脱“危”应用。然而资源化利用在沥青路面时，生活垃圾焚烧飞灰的物理化学性质影响了沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性以及抗水损坏性能等路用性能，其中影响最突出的是水稳定性。因此，以下实施例中着重介绍水稳定性能试验结果。
实施例1
取表3中粒径＜1mm的垃圾焚烧飞灰1替代部分矿粉，采用SMA-13型级配，使用SBS改性沥青与一定配比的粗集料、细集料、矿粉以及木质素纤维，采用热拌沥青混合料的拌和工艺进行混合料的拌制，获得生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料。其中生活垃圾焚烧飞灰的加热温度、加热时间同矿粉的加热温度与加热时间；生活垃圾焚烧飞灰与矿粉同时添加，且添加后拌合时间延长15s。生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料中生活垃圾焚烧飞灰所占矿料质量百分比为3.5％，此时冻融劈裂试验的结果(TSR：冻融劈裂强度比)为81％，符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中沥青混合料要达到劈裂强度比不小于80％的规定。
实施例2
取表3飞灰粒径＜1mm的生活垃圾焚烧飞灰1替代部分矿粉，采用SMA-16型级配，使用SBS改性沥青与一定配比的粗集料、细集料、矿粉以及木质素纤维，采用热拌沥青混合料的拌和工艺进行混合料的拌制，获得生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料。其中生活垃圾焚烧飞灰的加热温度、加热时间同矿粉的加热温度与加热时间；生活垃圾焚烧飞灰与矿粉同时添加，且添加后拌合时间延长5s。生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料中生活垃圾焚烧飞灰所占矿料质量百分比为1％，此时冻融劈裂试验的结果(TSR：冻融劈裂强度比)为90.4％，符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中沥青混合料要达到劈裂强度比不小于80％的规定。
实施例3
取表3飞灰粒径＜1mm的生活垃圾焚烧飞灰1替代部分矿粉，采用AC-20C型级配，使用SBS改性沥青与一定配比的粗集料、细集料以及矿粉，采用热拌沥青混合料的拌和工艺进行混合料的拌制，获得生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料。其中生活垃圾焚烧飞灰的加热温度、加热时间同矿粉的加热温度与加热时间，且生活垃圾焚烧飞灰与矿粉同时添加。生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料中生活垃圾焚烧飞灰所占质量百分比为0.3％，此时冻融劈裂试验的结果(TSR：冻融劈裂强度比)为81.1％，符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中沥青混合料要达到劈裂强度比不小于80％的规定。
实施例4
取表3飞灰粒径＜0.6mm的生活垃圾焚烧飞灰2替代部分矿粉，采用AC-25C型级配，使用SBS改性沥青，与一定配比的粗集料、细集料以及矿粉，采用热拌沥青混合料的拌和工艺进行混合料的拌制，获得生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料。其中生活垃圾焚烧飞灰的加热温度、加热时间同矿粉的加热温度与加热时间，且生活垃圾焚烧飞灰与矿粉同时添加。生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料中生活垃圾焚烧飞灰所占质量百分比为0.25％，此时冻融劈裂试验的结果(TSR：冻融劈裂强度比)为82％，符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中沥青混合料要达到劈裂强度比不小于80％的规定。
实施例5
取表3飞灰粒径＜0.6mm的生活垃圾焚烧飞灰2替代部分矿粉，采用ATB-25型级配，使用SBS改性沥青，与一定配比的粗集料、细集料以及矿粉，采用热拌沥青混合料的拌和工艺进行混合料的拌制，获得生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料。其中生活垃圾焚烧飞灰的加热温度、加热时间同矿粉的加热温度与加热时间，且生活垃圾焚烧飞灰与矿粉同时添加。生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料中生活垃圾焚烧飞灰所占质量百分比为0.25％，此时冻融劈裂试验的结果(TSR：冻融劈裂强度比)为81.8％，符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中沥青混合料要达到劈裂强度比不小于80％的规定。
实施例6
取可溶盐＜4％、粒径＜1mm的生活垃圾焚烧飞灰，替代部分细集料以及部分矿粉，采用SMA-13型级配，使用SBS改性沥青，与一定配比的粗集料、细集料、矿粉以及木质素纤维，采用热拌沥青混合料的拌和工艺进行混合料的拌制，获得生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料。其中替代矿粉的生活垃圾焚烧飞灰，加热温度、加热时间、添加次序同矿粉，替代细集料的生活垃圾焚烧飞灰，加热温度、加热时间、添加次序同细集料；且生活垃圾焚烧飞灰全部添加后拌合时间延长25s。生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料中预处理生活垃圾焚烧飞灰所占矿料质量百分比为7.5％。此时冻融劈裂试验的结果(TSR：冻融劈裂强度比)为85％，符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中沥青混合料要达到劈裂强度比不小于80％的规定。
实施例7
取表3飞灰粒径＜1mm的生活垃圾焚烧飞灰1替代部分矿粉，采用AC-20C型级配，使用高弹沥青或者高粘沥青，与一定配比的粗集料、细集料以及矿粉，采用热拌沥青混合料的拌和工艺进行混合料的拌制，获得生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料。其中生活垃圾焚烧飞灰的加热温度、加热时间同矿粉的加热温度与加热时间，且生活垃圾焚烧飞灰与矿粉同时添加。生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料中生活垃圾焚烧飞灰所占质量百分比为0.5％，此时冻融劈裂试验的结果(TSR：冻融劈裂强度比)为81.4％，符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)中沥青混合料要达到劈裂强度比不小于80％的规定。
需要说明的是，本发明中沥青混合料各原料的配比均按相应级配的规范要求添加，制备沥青混合料的条件未给出的数据均按本领域常规操作条件进行，本发明中的名词术语按本领域常规含义理解。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料，其特征在于，所述生活垃圾焚烧飞灰为垃圾焚烧炉烟气净化系统捕集物和烟道及烟囱底部沉降的底灰；按重量百分比计，生活垃圾焚烧飞灰占生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料的矿料百分比为0~4%，且重量百分比不为0；所述生活垃圾焚烧飞灰的粒径小于1 mm；所述生活垃圾焚烧飞灰中粒径为小于75 μm的质量百分含量大于75%，且处于58~75μm粒径范围的生活垃圾焚烧飞灰质量分数大于70%；所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料采用AC-20C型级配、AC-25C型级配或ATB-25型级配。
2.根据权利要求1所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料在路面中的应用。
3.根据权利要求2所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料在路面中的应用，其特征在于，所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料采用AC-20C型级配，生活垃圾焚烧飞灰在沥青混合料矿料中的质量百分比为0.3%。
4.根据权利要求2所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料在路面中的应用，其特征在于，所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料采用AC-25C型级配，生活垃圾焚烧飞灰在沥青混合料矿料中的质量百分比为0.25%。
5.根据权利要求2所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料在路面中的应用，其特征在于，所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料采用ATB-25型级配，生活垃圾焚烧飞灰在沥青混合料矿料中的质量百分比为0.25%。
6.根据权利要求1所述生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料的制备方法，其特征在于，采用热拌、温拌或冷拌沥青混合料的拌和工艺；生活垃圾焚烧飞灰掺配方式为干法替代矿粉，其加热温度、加热时间、添加次序同矿粉；生活垃圾焚烧飞灰的运输、添加、拌和过程均处于相对密闭状态；生活垃圾焚烧飞灰沥青混合料的拌和时间根据生活垃圾焚烧飞灰添加的量相应延长0~30s；生活垃圾焚烧飞灰沥青路面翻修时需考虑路面再生技术。
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Utilization of municipal solid waste incineration ash in stone mastic asphalt mixture: Pavement performance and environmental impact;Yongjie Xue,etal;《Construction and Building Materials》;20080613;p989-996 *

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