CN1663925A - 利用城市垃圾焚烧灰渣烧制生态水泥熟料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用城市垃圾焚烧灰渣烧制生态水泥熟料的方法。利用城市垃圾焚烧后产生的飞灰作为水泥原料之一，与常用的天然水泥原料混合配制成水泥生料烧制成水泥熟料，其中所述飞灰在所述混合配制的水泥生料中的比例为0.01％至50％，烧结的温度为1300℃至1500℃。本发明变废为宝，将焚烧飞灰作为水泥原料再生利用，一方面彻底解决了焚烧飞灰的出路问题，另一方面又减少了水泥工业对天然原料的需求量，并且可以有效地改善水泥生料的易烧性，降低水泥熟料的煅烧温度，而且水泥熟料对各重金属元素的固化作用是非常有效的，各重金属元素的绝大部分均已固化在水泥熟料的矿物相中。

Description

利用城市垃圾焚烧灰渣烧制生态水泥熟料的方法
技术领域
本发明涉及一种利用城市垃圾焚烧灰渣烧制生态水泥熟料的方法。
背景技术
随着城市建设的飞速发展，我国城市废弃物的排放也急剧增加，已成为制约经济发展的重要因素。如何经济有效地治理这些垃圾，防止污染，这是一个跨世纪的环保热点问题。废弃物的有效处理或再生利用，不仅技术要求较高，且投资及处理费用亦大。城市废弃物的处理方法有直接填埋、堆肥和焚烧等，我国大部分城市都采用直接填埋。随着可用填埋场地的减少和填埋成本的提高，堆肥因市场原因受到大规模限制且堆肥质量不理想，垃圾焚烧法越来越受到重视。垃圾焚烧技术由于可以有效地破坏有机毒性物质，大大降低垃圾的体积，而且可以回收能源，将会成为我国垃圾资源化、无害化和减容化处理技术的重要研究和发展方向。
但是垃圾焚烧后总会产生一定数量的焚烧灰渣。根据垃圾组成和焚烧温度，焚烧时间的不同，残渣的量约占垃圾焚烧前总重量的5～30％。同时，焚烧也必然会浓集某些化学成分，如重金属物质。垃圾焚烧产生的飞灰因其含有较高浸出浓度的铅和镉等重金属而属于重金属危险废物，在对其进行最终处置之前必须先经过固化/稳定化处理。目前我国城市垃圾的焚烧技术还处于摸索和经验积累阶段，焚烧炉的灰渣和烟气除尘器的飞灰(统称为焚烧灰渣)的处置还未得到足够的重视，几乎全部采取填埋或固化处理，有关焚烧灰渣的处置利用研究更是几近空白。传统的水泥固化技术在处理重金属废物时存在下列问题：(1)需要使用大量水泥，致使废物增容比较大，使固化的费用急剧增加而失去价廉的优势，同时也给后续的运输与处理带来困难；(2)水泥固化基质体的高孔隙率和高渗透性；(3)固化体的强度非常低(28d的强度仅0.35-0.70MPa)，而一些重金属(如Cu、Pb、Zn等)的加入会延缓水泥的凝结和硬化，固化体中的重金属在环境介质的侵蚀下将面临转移到环境中的潜在危险，对环境可能造成二次污染，以及固化体难以再生利用等问题。因此如何安全有效地处置利用焚烧飞灰已成为急需解决的环境和社会问题。与此同时，我们注意到焚烧飞灰中的主要化学成分与水泥非常接近，均属CaO-SiO2-Al2O3(Fe2O3)体系，所以焚烧飞灰既有污染性，又有资源利用性。国内外对焚烧飞灰的处置着重于无害化处理，而对其所具有的资源性却未能充分利用。国内外公开发表的文献中对焚烧飞灰的研究大多是关于如何将其稳定固化后填埋。
为解决城市生活垃圾的污染问题，仅上海市目前就已建成两大两小四个生活垃圾焚烧厂，垃圾处理量达3000t/d。如果按焚烧1t垃圾由20％灰渣生成，则四厂每天会有600t的焚烧灰渣生成。如此大量的灰渣产生，若未对其进行适当的处理和利用而直接堆置和倾倒，不仅会浪费资源，更严重地将会污染环境，对人民的生产和生活造成很大危害。如何将焚烧灰渣安全而有效地处置利用，成为本发明的主要目的。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种利用城市垃圾焚烧飞灰作为原料烧制生态水泥熟料的方法。利用垃圾焚烧厂产生的焚烧飞灰取代部分水泥原料，制成水泥生料，烧制硅酸盐水泥熟料，并确保其安全使用。
为达上述目的，本发明是这样实现的，
一种利用城市垃圾焚烧飞灰作为原料烧制生态水泥熟料的方法，利用城市垃圾焚烧后产生的飞灰作为水泥原料之一，与常用的天然水泥原料混合配制成水泥生料烧制成水泥熟料，其中所述飞灰在所述混合配制的水泥生料中的比例为0.01％至50％，烧结的温度为1300℃至1500℃。
较佳的，所述飞灰在所述混合配制的水泥生料中所占的比例为15％至30％，水泥熟料的烧成温度为1350℃至1450℃。
本发明的有益效果是，变废为宝，将焚烧飞灰作为水泥原料再生利用，一方面彻底解决了焚烧飞灰的出路问题，另一方面又减少了水泥工业对天然原料的需求量，并且可以有效地改善水泥生料的易烧性，降低水泥熟料的煅烧温度。而且水泥熟料对各重金属元素的固化作用是非常有效的，各重金属元素的绝大部分均已固化在水泥熟料的矿物相中。
具体实施方式
垃圾焚烧飞灰富含重金属物质和有害的挥发性成分(见表2)，属于危险废弃物。本所用垃圾焚烧飞灰取自上海浦东御桥垃圾焚烧厂烟气除尘器，焚烧飞灰的主要化学成分波动范围见表1。
              表1  焚烧飞灰的主要化学成分波动范围(％)
    名称     SiO2   Fe2O3   Al2O3   TiO2   CaO  MgO     SO3     Cl     f-CaO     烧失量
    飞灰     22.5-   3.0-   6.2-   0.3-   21.3-  2.1-     11.0-     8.5-     0.5-     20.0-
    26.5     5.0     8.5     0.9     25.5     3.2      12.5   10.0     1.5     22.0
从表1中可以看出焚烧飞灰中的主要化学成分也是CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3，都是水泥原料中的必需组分，应该是可以利用的。
但是焚烧飞灰中又含有较高浓度的重金属等有害物质，其重金属含量及浸出毒性见表2。
                  表2  焚烧飞灰的浸出毒性
金属名称    焚烧飞灰浸出液浓度(mg/l)     焚烧飞灰中重金属含量(mg/kg)   固体废物浸出毒性
                                                                       鉴别标准(mg/l)
Zn          54.0-59.0                    3000-4500                     ≤50
Pb          24.0-28.0                    1200-1850                     ≤3.0
Cu          5.5-10.5                     380-680                       ≤50
Cd          1.2-3.5                      30.5-43.7                     ≤0.3
Cr          1.5-4.3                      128.0-160.5                   ≤1.5
从表2可以看出，焚烧飞灰浸出液中Zn、Pb、Cd、Cr的浓度均高于固体废物浸出毒性鉴别标准(GB5085.3-1996)，也正是因为这一点使焚烧飞灰被普遍认为是一种危险废物，使得对其的利用增加了难度，目前国内普遍采取填埋处理。
表3是将焚烧飞灰作为水泥原料之一与常用的天然水泥原料混合配制的水泥生料的易烧性试验结果。表3中水泥熟料的各个率值控制在KH＝0.9+0.02，IM＝1.6+0.1，SM＝2.5+0.1的范围内。从表3可见，垃圾焚烧飞灰取代部分水泥天然原料可以有效地改善水泥生料的易烧性。若在相同生产条件下则可以降低水泥熟料的烧成温度，减少燃料消耗和环境污染。
                 表3垃圾焚烧飞灰掺量对水泥生料易烧性影响
垃圾焚烧飞灰掺量    1300℃       1350℃       1400℃       1450℃
0％                 24.80        13.20        3.12         1.52
10％                19.84        10.48        2.74         1.44
20％                12.80        5.36         2.48         1.20
30％                10.32        3.92         1.20         0.56
40％                8.88         2.27         0.56         0.40
50％                7.69         1.98         0.43         0.24
将掺加垃圾焚烧飞灰的水泥生料煅烧成水泥熟料后进行的微观分析结果表明，由于掺入废弃物而带入的重金属元素在熟料主要矿物中的分布如下：Zn主要存在于熟料的中间矿物中；As、Co、Cu和Ni大部分存在于熟料的中间矿物相中，但在C3S和C2S中也有存在；Cd和Pb则是比较均匀地分布在熟料主要矿物中；Cr大部分进入了水泥熟料矿物中。同时对各种重金属元素在水泥熟料中的固化率进行测试，可以得到它们的固化率(见表4)。从表4可见，水泥熟料对各重金属元素的固化作用是非常有效的，各重金属元素的绝大部分均已固化在水泥熟料的矿物相中了。
                表4重金属在水泥熟料矿物中的固化率(％)
 As  Cd  Co  Ni  Cu  Zn  Cr  Pb
 83.7-92.8  82.6-93.7  79.2-92.9  86.5-90.4  89.0-96.3  74.3-87.6  91.0-97.6  83.7-88.9
                表5掺垃圾灰烧制的水泥熟料的物理性能示例
试样类别   标准稠度需水量(％)          凝结时间(h:min)   安定性      抗折强度(MPa)   抗压强度(MPa)
  初凝   终凝     3天   28天     3天     28天
生料中不掺垃圾灰的水泥熟料生料中掺垃圾灰的水泥熟料     25.5025.00   1:351:20   3:553:35   合格合格     5.35.4     8.68.9     27.828.5     57.459.6
表5表明，利用垃圾焚烧飞灰配制的水泥熟料的物理性能很好，其各项性能都优于对照试验用的没有掺加垃圾焚烧飞灰而全部用天然原料配制的水泥熟料。
重金属浸出试验按照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(GB5086.2-1997)进行，滤液采用ICP方法分析重金属离子。表6记录的是将垃圾灰作为水泥原材料使用，和其他原材料一起混合、烧成水泥熟料后，在其水化28天时水化浆体的重金属的浸出量。
             表6水泥熟料硬化浆体的重金属浸出量(ppm)
试样类别                      Zn        Pb          Cu        Cd        Cr         Ni         Fe        Hg
生料中不掺垃圾灰的水泥熟料    0.0589    未检测到    0.0056    0.0091     0.3627    0.0053     0.0667    未检
                                                                                                        测到
生料中掺40％垃圾灰的水泥熟    0.0203    0.0018      0.0063    未检测     0.4650    0.0279     0.0189    未检
       料                 到                       测到
从表6中可以看出，即使掺40％焚烧飞灰的水泥熟料的重金属的浸出量仍很低，说明焚烧飞灰中的重金属在水泥熟料烧成过程中确实已经基本上被水泥熟料矿物结合进去，即使少量游离的重金属在水泥水化过程中也由于水泥浆体中胶凝材料及其水化产物对重金属的物理包容以及化学结合等共同作用，使得重金属在水泥水化体系中得以稳定存在，其浸出远远低于固体废物浸出毒性鉴别标准(GB5085.3-1996)。因此焚烧飞灰作为水泥原料使用是安全可靠的。
本发明提供一种新型安全利用焚烧飞灰烧制生态水泥熟料的模式。利用焚烧飞灰烧制水泥熟料，可以有效地将垃圾焚烧飞灰中的重金属物质结合在水泥熟料矿物中，并能保证焚烧飞灰中重金属不易从水化体系中浸出，从而确保其安全使用。生产中可以根据工厂技术条件及当地天然原材料和垃圾焚烧飞灰的性质和组成，确定垃圾焚烧飞灰的掺加量，水泥熟料的率值控制在表7所示的范围内，都可以烧制出符合国家标准的硅酸盐水泥熟料。
   表7利用垃圾焚烧飞灰烧制水泥熟料的率值控制范围
    KH     SM     IM
    0.85-0.95     2.0-2.8     1.0-2.0
本发明利用焚烧飞灰烧制出符合国家标准的高质量的生态水泥熟料，从而把目前难于处置的焚烧飞灰变成了一种有用的建设资源。一方面彻底解决了焚烧飞灰的出路问题，另一方面又减少了水泥工业对天然原料的需求量，而且能有效地降低水泥熟料的烧成温度，是对焚烧飞灰等废弃物处置利用的突破，是土木工程材料和环境科学可持续发展的重大需求，具有重要的科学意义和应用前景。本发明必将产生显著的社会、经济效益，对我国水泥工业的可持续发展和人类生态环境的协调发展和资源的合理利用产生深远的影响。

Claims (2)

1、一种利用城市垃圾焚烧灰渣烧制生态水泥熟料的方法，其特征在于：将城市垃圾焚烧后产生的飞灰作为水泥原料之一，与常用的天然水泥原料混合配制成水泥生料烧制成水泥熟料，所述飞灰在所述混合配制的水泥生料中所占的比例为0.01％至50％，水泥熟料的烧成温度为1300℃至1500℃。
2、根据权利要求1所述的利用城市垃圾焚烧灰渣烧制生态水泥熟料的方法，其特征在于：所述飞灰在所述混合配制的水泥生料中所占的比例为15％至30％，水泥熟料的烧成温度为1350℃至1450℃。
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