CN113173718A - 一种垃圾焚烧飞灰固化剂及制备方法与处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垃圾焚烧飞灰固化剂及制备方法与处理方法，包括硫铝酸盐水泥，所述硫铝酸盐水泥的熟料中硫铝酸钙的质量分数不低于80％。本发明采用硫铝酸钙的质量分数不低于80％的硫铝酸盐水泥熟料用于固化垃圾焚烧飞灰处理时，水化后的材料更为致密，能够使重金属更好的和水化后的矿相结合，从而降低重金属的浸出量，因而不仅能够保证重金属的浸出量符合标准，而且能够大大降低该硫铝酸盐水泥的掺量。

Description

一种垃圾焚烧飞灰固化剂及制备方法与处理方法
技术领域
本发明涉及垃圾焚烧飞灰的处理，具体涉及一种垃圾焚烧飞灰固化剂及制备方法与处理方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
垃圾焚烧飞灰是由市政生活垃圾焚烧过程中无机物质形成的细小颗粒物和烟气净化过程中投加的石灰石或活性炭组成的固体废物；主要含有钙、硅、铝、铁的氧化物和少量硫化物、二噁英，同时氯元素和重金属的浓度也处于较高水平。由于垃圾焚烧飞灰中的重金属浓度较高，因而需要将垃圾焚烧飞灰进行固化处理合格后再填满，防止垃圾焚烧飞灰中的重金属污染环境。
据发明人研究了解，目前对于防止垃圾焚烧飞灰的主要处理方法有水泥固化、化学药剂固化、热处理等，其中，水泥固化相比其他方法，具有成本低廉、无二次污染等特点。水泥分为火山灰水泥、磷酸钾镁水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。《水泥类型对生活垃圾焚烧飞灰固化效果的影响》(高亮等，环境化学，第29卷第6期2010年11月，1183-1184)记载了采用不同水泥与垃圾焚烧飞灰掺杂养护7天，满足重金属浸出限值的要求是：硅酸盐水泥的掺量需控制在35％左右，铝酸盐水泥的掺量需控制在25％左右，硫铝酸盐水泥掺量至少应控制在40％以上，这表明现有水泥固化的方法中要求掺入水泥的量较多，实际应用价值不大。同时，文献(Sun Qi’na，Li Jingmiao，HuoBaoquan，etal.Application of Sulfoaluminate cement for solidification/stabilization offly ash from municipal solid waste incinerators.Applied Mechanics andMaterials，2012，178-181:795-798)报道采用硫铝酸盐水泥固化垃圾焚烧飞灰时，增加养护时间，可以大大降低重金属的浸出量，但是其养护28天后，重金属(尤其是铅)的浸出量仍然超标。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种垃圾焚烧飞灰固化剂及制备方法与处理方法，在保证重金属的浸出量符合标准的前提下，大大减少了固化剂的使用量。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种硫铝酸盐水泥在固化垃圾焚烧飞灰处理中的应用，硫铝酸盐水泥熟料中的硫铝酸钙的质量分数不低于80％。
硫铝酸盐水泥在水化过程中，硫铝酸钙转变为钙矾石，从而影响硫铝酸盐水泥的强度，硫铝酸钙含量越高，水化后的钙矾石的含量越高，使得硫铝酸盐水泥的强度越大，但是相对来说，水泥的强度并不影响垃圾焚烧飞灰的固化处理，例如硅酸盐水泥的强度比硫铝酸盐水泥的强度低，但是硅酸盐水泥的掺量却低于硫铝酸盐水泥。然而经过实验发现，采用硫铝酸钙的质量分数不低于80％的硫铝酸盐水泥熟料用于固化垃圾焚烧飞灰处理时，水化后的材料更为致密，能够使重金属更好的和水化后的矿相结合，从而降低重金属的浸出量，因而不仅能够保证重金属的浸出量符合标准，而且能够大大降低该硫铝酸盐水泥的掺量。
而当采用固废基硫铝酸盐水泥(SHAM)时，当满足上述条件时，其水泥的掺量仅需要10wt.％左右。
另一方面，一种垃圾焚烧飞灰固化剂，包括硫铝酸盐水泥，所述硫铝酸盐水泥的熟料中硫铝酸钙的质量分数不低于80％。
由于固废基硫铝酸盐水泥固化垃圾焚烧飞灰的效果更好，因而第三方面，一种上述垃圾焚烧飞灰固化剂的制备方法，包括固废基硫铝酸盐水泥熟料的制备过程；
所述固废基硫铝酸盐水泥熟料的制备过程为：将脱硫石膏、铝灰、电石渣和除氯后的垃圾焚烧飞灰进行均化后煅烧，煅烧后即得固废基硫铝酸盐水泥熟料。
本发明采用垃圾焚烧飞灰作为硫铝酸盐水泥熟料的原料，能够进一步对垃圾焚烧飞灰进行固定处理，然而垃圾焚烧飞灰中含有大量氯离子，氯离子过多影响在煅烧过程中会产生氯化氢，腐蚀设备，影响硫铝酸盐水泥熟料的制备，因而本发明将垃圾焚烧飞灰除氯后与脱硫石膏、铝灰、电石渣进行配合煅烧能够获得适于固化垃圾焚烧飞灰处理的固废基硫铝酸盐水泥熟料。
第四方面，一种垃圾焚烧飞灰的处理方法，将脱硫石膏、铝灰、电石渣和除氯后的垃圾焚烧飞灰进行均化后煅烧，煅烧后即得固废基硫铝酸盐水泥熟料，向水泥中添加石膏获得固废基硫铝酸盐水泥，将所述固废基硫铝酸盐水泥与垃圾焚烧飞灰掺和后进行螯合固化处理；其中，获得的硫铝酸盐水泥熟料中硫铝酸钙的质量分数不低于80％。
本发明不仅降低了对资源类物质的依赖和生产成本，还实现了垃圾焚烧飞灰的迭代利用。
本发明的有益效果为：
1.本发明采用硫铝酸钙的质量分数不低于80％的硫铝酸盐水泥熟料作为垃圾焚烧飞灰固化剂，水化后的材料更为致密，能够使重金属更好的和水化后的矿相结合，从而降低重金属的浸出量。
2.本发明采用固废基硫铝酸盐水泥作为垃圾焚烧飞灰固化剂时，不仅降低重金属的浸出量符合浸出标准，而且其掺量仅需要10wt.％左右。
3.本发明通过利用垃圾焚烧飞灰等不同种类固废物理、化学、矿物特性的互补性，制备固废基硫铝酸盐水泥，并将其作为固化剂应用到飞灰固化领域，不仅降低了对资源类物质的依赖和生产成本，还实现了垃圾焚烧飞灰的迭代利用，大大提高了垃圾焚烧飞灰的处理效率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1的固废基硫铝酸盐水泥的生产流程图；
图2为本发明实施例中垃圾焚烧飞灰螯合固化-重金属浸出试验设计图；
图3为本发明实施例1的固废基硫铝酸盐水泥螯合块浸出试验结果图；
图4为本发明实施例的螯合块浸出对比试验结果图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
鉴于现有水泥固化垃圾焚烧飞灰存在水泥掺和量较高、重金属的浸出量较高等缺陷，本发明提出了一种垃圾焚烧飞灰固化剂及制备方法与处理方法。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种硫铝酸盐水泥在固化垃圾焚烧飞灰处理中的应用，硫铝酸盐水泥熟料中的硫铝酸钙的质量分数不低于80％。
本发明采用硫铝酸钙的质量分数不低于80％的硫铝酸盐水泥熟料用于固化垃圾焚烧飞灰处理时，水化后的材料更为致密，能够使重金属更好的和水化后的矿相结合，从而降低重金属的浸出量，因而不仅能够保证重金属的浸出量符合标准，而且能够大大降低该硫铝酸盐水泥的掺量。
该实施方式的一些实施例中，硫铝酸盐水泥为固废基硫铝酸盐水泥。固废基硫铝酸盐水泥熟料由固体废弃物(固废，例如脱硫石膏、铝灰、钢渣、电石渣、高炉渣、赤泥、垃圾焚烧飞灰等)通过复配煅烧获得。优选采用脱硫石膏、铝灰、电石渣和垃圾焚烧飞灰制备获得。
该实施方式的一些实施例中，硫铝酸钙的质量分数为80～90％。优选为85～89％。
本发明的另一种实施方式，提供了一种垃圾焚烧飞灰固化剂，包括硫铝酸盐水泥，所述硫铝酸盐水泥的熟料中硫铝酸钙的质量分数不低于80％。
该实施方式的一些实施例中，硫铝酸盐水泥熟料为固废基硫铝酸盐水泥熟料。
该实施方式的一些实施例中，硫铝酸钙的质量分数为80～90％。优选为85～89％。
本发明的第三种实施方式，提供了一种上述垃圾焚烧飞灰固化剂的制备方法，包括固废基硫铝酸盐水泥熟料的制备过程；
所述固废基硫铝酸盐水泥熟料的制备过程为：将脱硫石膏、铝灰、电石渣和除氯后的垃圾焚烧飞灰进行均化后煅烧，煅烧后即得固废基硫铝酸盐水泥熟料。
本发明将垃圾焚烧飞灰除氯后与脱硫石膏、铝灰、电石渣进行配合煅烧能够获得适于固化垃圾焚烧飞灰处理的固废基硫铝酸盐水泥熟料。
垃圾焚烧飞灰最常用的除氯方法为水洗，水洗能够去除大部分氯离子，同时由于重金属盐在水中的溶解度较低，所以水洗对垃圾焚烧飞灰中的重金属的影响较小。
该实施方式的一些实施例中，将脱硫石膏、铝灰、电石渣和除氯后的垃圾焚烧飞灰进行均化获得生料，将生料煅烧获得硫铝酸盐水泥熟料。
在一种或多种实施例中，生料中以质量份数计，CaO为40～45份，SiO2为10～15重量份，Al2O3为25～30重量份，Fe2O3为1～5份，SO3为15～20份。
该实施方式的一些实施例中，煅烧温度为1200～1250℃。
该实施方式的一些实施例中，向固废基硫铝酸盐水泥熟料中添加石膏获得固废基硫铝酸盐水泥。石膏的添加量为固废基硫铝酸盐水泥质量的2～5％。
本发明第四种实施方式，提供了一种垃圾焚烧飞灰的处理方法，将脱硫石膏、铝灰、电石渣和除氯后的垃圾焚烧飞灰进行均化后煅烧，煅烧后即得硫铝酸盐水泥熟料，向水泥中添加石膏获得硫铝酸盐水泥，将所述硫铝酸盐水泥与垃圾焚烧飞灰掺和后进行螯合固化处理；其中，获得的硫铝酸盐水泥熟料中硫铝酸钙的质量分数不低于80％。
本发明不仅降低了对资源类物质的依赖和生产成本，还实现了垃圾焚烧飞灰的迭代利用。
硫铝酸盐水泥熟料与上述固废基硫铝酸盐水泥熟料的制备过程相同。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
一种SHAM的制备方法，如图1所示，对脱硫石膏、铝灰、电石渣和除氯后的垃圾焚烧飞灰进行烘干；随后脱硫石膏、铝灰、电石渣和垃圾焚烧飞灰按设定比例(30:30:20:20)进行配比后进入均化设备进行均化得到SHAM生料；将SHAM生料送入回转窑中进行煅烧(温度为1200℃)，得到SHAM熟料。
此处均化后的SHAM生料中CaO占42重量份，SiO2占11重量份，Al2O3占29重量份，Fe2O3占1重量份，SO3占17重量份；之后将均化得到的生料输送至回转窑进行煅烧，煅烧温度为1200℃，煅烧时间为30min，得到SHAM熟料，熟料的主要矿物组成见表1。将熟料中加入3％石膏，进入粉磨机粉磨，得到SHAM，所得SHAM的力学性能见表2。强度检验标准依据GB20472-2006《硫铝酸盐水泥》进行。
表1 SHAM熟料中的主要矿物组成(wt％)
组分 硫铝酸钙 钙铝黄长石 石膏
占比 88 3 0.5
表2 SHAM净浆试块抗压强度(MPa)
养护龄期 1d 3d 28d
抗压强度 48.5 70.2 90.9
将该实施例制备的SHAM在垃圾焚烧飞灰螯合固化中的应用。按照如下配比方案：10％wt SHAM+90％wt垃圾焚烧飞灰，对垃圾焚烧飞灰进行螯合固化：先将飞灰与SHAM混合物放入搅拌机搅拌均匀后，再搅拌4min后装入50mm×50mm水泥试模，标准养护(湿度95％，温度(20±2)℃)24h后脱模，将脱模后的固化体分别进行3、7和28d标准养护后备用。垃圾焚烧飞灰螯合填埋后浸出标准参考GB16889-2008(见表3)。SHAM螯合块浸出试验结果见附图3，SHAM螯合块(28d)浸出试验结果见附图4。
表3垃圾飞灰螯合填埋后浸出标准(GB16889-2008)
重金属 As Zn Pb Cd Ni Mn Cr Cu
浓度(mg/L) 0.3 100 0.25 0.15 0.5 - 4.5 40
采用10％wt PO42.5+90％wt垃圾焚烧飞灰作为对比，结果如图4所示。
图3表明，SHAM材料螯合块养护1天即可实现重金属浸出量满足浸出标准GB16889-2008，随着养护时间的增加，重金属浸出量进一步减少。
图4表明SHAM材料螯合块重金属浸出远低于浸出标准，PO42.5试块28天Pb浸出超标，长期固化中，SHAM材料比PO42.5和SAC42.5更具优势。
实施例2
本实施例与实施例1相比，不同在于：脱硫石膏、铝灰、电石渣和垃圾焚烧飞灰按设定比例为30:32:20:18，获得的SHAM熟料的主要矿物组成见表4，将熟料中加入3％石膏，进入粉磨机粉磨，得到SHAM，所得SHAM的力学性能见表5。
表4 SHAM熟料中的主要矿物组成(wt％)
组分 硫铝酸钙 钙铝黄长石 石膏
占比 85 7 0.8
表5 SHAM净浆试块抗压强度(MPa)
养护龄期 1d 3d 28d
抗压强度 35.7 67.3 84.9
实施例3
本实施例与实施例1相比，不同在于：脱硫石膏、铝灰、电石渣和垃圾焚烧飞灰按设定比例为29:28:21:22，获得的SHAM熟料的主要矿物组成见表6，将熟料中加入3％石膏，进入粉磨机粉磨，得到SHAM，所得SHAM的力学性能见表7。
表6 SHAM熟料中的主要矿物组成(wt％)
组分 硫铝酸钙 钙铝黄长石 石膏
占比 90 2 0.2
表7 SHAM净浆试块抗压强度(MPa)
养护龄期 1d 3d 28d
抗压强度 55.4 78.5 94.4
采用实施例2、3制备的SHAM进行实施例1的螯合固化实验，结果表明重金属浸出量符合GB16889-2008。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硫铝酸盐水泥在固化垃圾焚烧飞灰处理中的应用，硫铝酸盐水泥熟料中的硫铝酸钙的质量分数不低于80％。
2.如权利要求1所述的硫铝酸盐水泥在固化垃圾焚烧飞灰处理中的应用，其特征是，硫铝酸盐水泥为固废基硫铝酸盐水泥。
3.如权利要求1所述的硫铝酸盐水泥在固化垃圾焚烧飞灰处理中的应用，其特征是，硫铝酸钙的质量分数为80～90％；硫铝酸钙的质量分数优选为85～89％。
4.一种垃圾焚烧飞灰固化剂，其特征是，包括硫铝酸盐水泥，所述硫铝酸盐水泥的熟料中硫铝酸钙的质量分数不低于80％。
5.如权利要求4所述的垃圾焚烧飞灰固化剂，其特征是，硫铝酸盐水泥熟料为固废基硫铝酸盐水泥熟料。
6.如权利要求4所述的垃圾焚烧飞灰固化剂，其特征是，硫铝酸钙的质量分数为80～90％；硫铝酸钙的质量分数优选为85～89％。
7.一种权利要求4～6任一所述的垃圾焚烧飞灰固化剂的制备方法，其特征是，包括固废基硫铝酸盐水泥熟料的制备过程；
所述固废基硫铝酸盐水泥熟料的制备过程为：将脱硫石膏、铝灰、电石渣和除氯后的垃圾焚烧飞灰进行均化后煅烧，煅烧后即得固废基硫铝酸盐水泥熟料。
8.如权利要求7所述的垃圾焚烧飞灰固化剂的制备方法，其特征是，将脱硫石膏、铝灰、电石渣和除氯后的垃圾焚烧飞灰进行均化获得生料，将生料煅烧获得硫铝酸盐水泥熟料；
优选地，生料中以质量份数计，CaO为40～45份，SiO2为10～15重量份，Al2O3为25～30重量份，Fe2O3为1～5份，SO3为15～20份。
9.如权利要求7所述的垃圾焚烧飞灰固化剂的制备方法，其特征是，煅烧温度为1200～1250℃；
或，向固废基硫铝酸盐水泥熟料中添加石膏获得固废基硫铝酸盐水泥；优选地，石膏的添加量为固废基硫铝酸盐水泥质量的2～5％。
10.一种垃圾焚烧飞灰的处理方法，其特征是，将脱硫石膏、铝灰、电石渣和除氯后的垃圾焚烧飞灰进行均化后煅烧，煅烧后即得硫铝酸盐水泥熟料，向水泥中添加石膏获得硫铝酸盐水泥，将所述硫铝酸盐水泥与垃圾焚烧飞灰掺和后进行螯合固化处理；其中，获得的硫铝酸盐水泥熟料中硫铝酸钙的质量分数不低于80％。
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