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城市垃圾焚烧飞灰处理技术及其在水泥生产中资源化利用-技术研讨-中国水泥网

2010-12-01  心路360

城市垃圾焚烧飞灰处理技术及其在水泥生产中资源化利用

  • 作者:施惠生 单位:同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室 [2010-11-16]
    关键字:无害化-垃圾焚烧
  • 摘要:本文分析了城市垃圾处理技术的现状和发展趋势;介绍了城市垃圾焚烧飞灰处理技术的发展和资源化利用的紧迫性;阐述了水泥生产中资源化利用垃圾焚烧飞灰的可行性和前景;回顾了国内外水泥生产协同处理固体废物技术的发展历程,并提出了目前亟需解决的一些关键技术。在广泛研究的基础上,明确指出了水泥生产中资源化利用垃圾焚烧飞灰是实现焚烧飞灰资源化利用和无害化处理的重要途径。

      引言

      随着经济的高速发展,人民生活水平迅速提高,我国城市固体废物产生量急剧增加。l987年全国城市生活垃圾清运量仅5 398万t,到l997年猛增至1.2亿t,2002年我国城市垃圾已达1.5亿t以上,并以每年8%-10%的增长率增加[1]。预计到2010年,我国城市生活垃圾的年排放量将高达2.1亿t。急剧增加的城市垃圾的排放已成为制约经济发展的重要因素,对人类的生存环境也构成了威胁,如何经济有效地治理这些垃圾,防止污染,也日益成为全社会关注的追切需要解决的热点问题。

      1城市生活垃圾处理技术现状

      目前对于城市生活垃圾的处理已由过去的简单清除、野外堆放和露天简易填埋等初级处理方式渐渐提高到堆肥发酵、卫生填理、焚烧发电和资源化等高级处理方式。随着可用垃圾填埋场地的减少、填埋成本的提高,以及堆肥受市场影响且堆肥质量不理想,使得垃圾焚烧越来越受到重视。焚烧能减少垃圾90%以上的体积,还可将垃圾中贮存的化学能转变为热能或其它形式的能量进行回收,具有处理速度快、占地面积小、减量化和无害化效率高等优点。国外垃圾焚烧发展较早,目前世界年焚烧处理量达1.3亿t。日本、丹麦垃圾焚烧的比例分别高达95%、56%。

      基金项目:国家高技术研究发展计剃(863)项目(2006AA062363)

      焚烧法处理固体废物尤其是城市生活垃圾因其高效快捷、减容显著、能源利用率高等优点在全世界得到广泛的应用,预计将成为城市垃圾的主要处理方式之一刚。近年来,我国建设现代化大型生活垃圾焚烧J¨一的发展速度很快,城市生活垃圾焚烧总容量已超过15 000 t/d。“十五”期间建设各类焚烧炉50多座,“十一五”期问规划中的焚烧炉有80多座,此外还有相当数量的生活垃圾焚烧发电厂正在酝酿之中。根据对我国垃圾成分变化的分析,国家有关部门已明确,垃圾焚烧将成为城市垃圾的主要处理方式之一。

      2焚烧飞灰的化学成分及危害性

      垃圾焚烧会产生一定量的垃圾焚烧灰渣,其中在热回收系统、烟气净化系统收集的物质,即垃圾焚烧飞灰,往往占到被焚烧垃圾量的3%-5%,甚至l0%-15%【4】。表l和表2是上海浦东御桥垃圾焚烧厂的焚烧飞灰的分析结果。

      要知,垃圾焚烧飞灰的主要化学成分是:三Uz、算a?、Al20,和Fm0,,以及大量的C]-S0,和碱要。。竺妻;,可知,垃圾焚烧飞灰还含有较高浓度的能 警水浸出的可溶性Cd、Pb、Cu、Zll Cr等多种有害重 金孽翟质。此外,二恶英和呋哺等有机污染物也将在j灰挚体中富集存在,这些有毒有害污染物的存在对竺。F变竺、周围生态琢境和人体健康构成了潜在的生态与譬藤风险。

      3焚烧飞灰处理技术发展现状与趋势

      3•1城市垃圾焚烧飞灰处理的紧迫性

      随着越来越多的垃圾焚烧厂的建成与投入使用,我国垃圾焚烧飞灰的排放量也将越来越巨大。《国家 危险废物名录》已将垃圾焚烧飞灰规定为编号为HWl8的危险废物,国家环境保护总局在2001年颁布的《危险废物污染防止技术政策》也对焚烧飞灰的处置闯题作了相应的规定:不得在产生地长期贮存;不得进行简易处置及排放。生活垃圾焚烧飞灰在产生地必须进行必要的固化和稳定化处理之后方可运输。 生活垃圾焚烧飞灰须进入安全填埋厂进行安全填埋处置。但垃圾焚烧飞灰的填埋占用土地,且安全填埋处理的费用很高,厂址难寻,目前我国只有深圳、沈阳、上海等几个城市建设了符合技术规范的危险废物填埋厂,同时已建危险废物填埋场的填埋能力和使用期限都十分有限,也不完全排除有造成二次污染的潜在司能性。这些问题已经成为影响垃圾焚烧技术推广的重要因素。因此,研究开发适宜的焚烧飞灰处理技术已成为近年来的热点之一。
     
      3.2国际上焚烧飞灰处理技术发展现状
     
      国际上现有的焚烧飞灰处理技术主要包括固化/稳定化处理、湿式化学处理与高温处理三种。 

      固化/稳定化技术是国际上目前处置重金属废物 和其他菲金属危险废物的重要手段,其目的是使危险废物中的所有污染组分呈化学惰性或被包容起来f5],以便运输、利用和处置。水泥固化技术是一种最常用 的危险废物固化技术,其基本原理在于通过固化、包容,减少有害固化废物的表面积和降低其可渗透性, 达到稳定化、无害化的目的,美国环保局曾将此技术称为处理有毒有害废物的最佳技术删。但传统的水泥固化技术在处理含水率较高的废物时,需要使用大量水泥,致使废物增容比较大,给后续的运输与处理带来困难,也大大提高了处置费用,并需要大量的填埋场地。湿式化学处理是利用化学药剂通过化学反应,使有毒有害物质转变为低溶解性、低迁移性及低毒性物质的过程。药剂稳定化处理具有处理过程简单、设备投资低、最终处理量少的优点,但是会产生高浓度无视盐废水,需要进一步处理。由于焚烧飞灰组分及重金属形态的复杂性,以及对反应机理缺乏起码的认识,因此很难找到一种普遍适用的化学稳定剂,也是该技术至今没有进入规模化应用的原因之一f71。高温处理包括熔融和烧结两种方式,高温可以对焚烧飞灰中的二恶英类有害物质进行彻底分解破坏,其分解率可离达99.9%tsJ。熔融可使飞灰中固体颗粒发生熔融相变,成为液态熔渣,然后经快速冷却形成致密的玻璃态熔渣,将重金属固化在网格中实现稳定化目的。

      目前大约有4%灰渣采用熔融法处理,我国也有很多关于熔融技术研究的报道p幽。熔融处理的缺点在于所需能源和费用很高。烧结是在高温作用下,固体颗粒获得扩散能量,将大部分甚至全部气孔从晶体中排除,在低于熔点温度下变成致密坚硬的烧结体并符合材料特性的要求。物料在烧结过程中可以有效地固化各种重金属。欧美发达国家生活垃圾焚烧飞灰中碱金属氯化物含量较低,常将其作为硅酸盐水泥的一部分原料入窑煅烧。垃圾焚烧飞灰经烧结后成为陶瓷状固体,可做混凝土骨料,以及用于路基、堤坝等。

      目前,许多国家将飞灰与底渣混合收集共同处理处嚣,近年来欧美发达国家在此方面的研究主要集中在飞灰固化作为建筑材料方面。对焚烧飞灰固化德定化的研究主要集中在改进水泥固化工艺和技术,以及研究高效固化/稳定化药剂和采用稳定化技术代替固化技术。化学稳定化与其它处理方法相比,具有节能、效果好而费用适中的优点,但是,由于是在常温下进行,对二恶英没有分解和破坏效果,因而处理后的飞灰仍应填堙。日本和韩国等亚洲国家由于生活垃圾中塑料类物质含量较高,焚烧飞灰中氯化物,尤其是碱金属氯化物含量较高,采用水泥或石灰固化时其固化体的强度与浸水持久性较差,其对重金属的阻截仅是由于其强碱性作用的缘故。同时对重金属的长期固定效果差,二恶英很难被消除或稳定化。因此,日本和韩国相关研究主要集中在高温处理,尤其是熔融玻璃化方面。高温处理法虽然处理费用较高,但因其稳定化程度高,品质均匀,可达到无害化、稳定化和资源化的目标,已受到越来越多的关注。特别是利用水泥窑独特的高温环境以及完善的污染控制系统的优势,焚烧灰渣水泥窑处理技术越来越受推崇。

      3.3利用水泥窑资源化处理焚烧飞灰技术的发展

      3.3.I  水泥窑处理焚烧飞灰技术的优势和可行性

      水泥窑协同处理危险废物具有独特优势:烧成区煅烧温度高,物料的煅烧温度为I 450"C,窑内气体最高温度达2 000%.远远高于焚烧炉的850。C和1 200℃,二恶英可被彻底破坏;物料停留时间长,气体在超过l 0000C的区域停留时间长达8s,丽在焚烧炉中则只有2s;水泥窑中的碱性气氛有利于挥发分在气体阶段进行吸附,对HF、HCl、S0:有很强的中和作用;l 450%时的熟料反应温度可把重金属以化学方式固化到熬料中,而且由于硬化水泥石的致密性,经适当处理。可以有效阻止飞灰中有害物质的溶出;废气的冷却速度快,避免了二恶英与呋喃的重新合成。

      而且,焚烧飞灰颗粒微细,比表面积大,除少量有害物质和氯、硫、碱含量过高外,主要成分不仅与水泥熟料相近,而且与水泥工业普遍利用的粉煤灰、矿渣等废物差别不大,可以作为原料的一部分得到充分利用,彻底实现资源化丽避免进入填埋场。国际公约《巴塞尔公约》、《斯德哥尔摩公约》(中国均是公约国之一)的条文中明确摁定:“水泥生产过程中危险物(含废物)的协同处理(系指通过废物代替一次燃料或原料)方法已被认为是对环境无害的处理方法”。

      大量研究表明,焚烧飞灰中的重金属浸出和高温挥发可以通过物理化学处理和矿物相的包容设计来进行常温和高温下的晶格和化学稳定,实现重金属的稳定安全处理。用水泥窑煅烧不但可以有效固化重金属,彻底破除二恶英,从而避免纯粹采用煅烧或熔融工艺的高能源消耗,降低焚烧飞灰处理费用,同时替代日益短缺的水泥工业原材料。目前我国的水泥产量已超过lo亿t,如果以每吨水泥吸纳和处理0.05t(即5%)飞灰计算,则水泥工业每年可以处理500万t焚烧飞灰。当然不是所有的水泥厂都可以乖j用或有条件处理焚烧飞灰,但只要有10%的水泥厂有条件或可以利用,在目前就可以彻底消除垃圾焚烧飞灰,实现垃圾焚烧飞灰的资源化和无害化安全处置。水泥生产协同处理焚烧飞灰可以因地制宜,就地处理利用,避免长途运输的高额运输费用以及可能引起的二次污染,因此这种技术在我国具有较大优势,是将来我国焚烧飞灰处理技术的重要发展方向之一。

      3.3.2  国内外相关技术的发展现状

      国际上于20世纪70年代开始研究利用水泥窑处置工业废物,首次试验子l974年在加拿大的Lawrence水泥厂进行[131,随后美国的Peerless、Lonestar等十多家水泥厂先后进行了试验,通过试验证实。水泥窑焚烧废溶剂、废油等可燃性废物不但节约了麓源,且对环境、水泥的质量无影响。目前,美国大部分水泥厂使用液体的可燃性废料,而且他们正逐趋向于使用污泥和固体废料。欧洲联合会自1994年开始利用回转窑焚烧危险废物,1996年,瑞士的HCB Rekingen水泥厂成为世界上第一个具有利用、处置废物的环境管理系统的水泥厂。Nordic公司在它的Slite水泥厂采用了废橡胶、废塑料为二次燃料,以替代部分煤粉”。l997年日本秩父小野田公司以城市垃圾焚烧飞灰和下水道污泥等为主要原料(原料中城市垃圾焚烧飞灰占20%~30%)生产出了高强度水泥,并建成了世界上第一座生态水泥厂,2001年日本太平洋水泥株式会社建成了世界上第一条利用垃圾焚烧飞灰生产普通硅酸盐水泥生产线嘲。台湾“中央大学”利用垃圾焚烧飞灰制成炉渣,这种炉渣经激发具有火山灰活性,再用炉灰和炉渣生产出生态水泥。还有一些发达国家将水泥厂和垃圾处理厂联合起来,既能生产水泥,又处理垃圾,回收能源的同时保护了环境,收到了很好的经济效益和社会效益。

      我国在20世纪90年代初也已开展了利用水泥窑处理危险废物的研究。上海金山水泥厂已连续多年成功利用水泥窑焚烧危险废物;上海建材集团和同济大学合作已在其下属几个水泥厂成功地进行了利用污泥等废物煅烧水泥熟料的工业性试验;北京水泥厂利用水泥窑处理有毒有害废物也取得了一定成果;北京金隅集霞红树林环保技术公司正在筹建利用垃圾焚烧飞灰生产水泥项目。

      发达国家利用水泥窑焚烧废物已经积累了丰富经验。随着水泥窑焚烧废物的理论与实践的发展以及各国相关环保法规的建全,该项技术在经济和环保两方面显示出了巨大优势,已逐渐形成产业规模,并在危险废物处理中发挥着重要作用。

      4在水泥生产中资源化利用前景及技术关键

      4.1在水泥生产中资源化利用前景

      由于垃圾焚烧技术会产生大量的灰渣,并存在二次处理的必要性和二次污染的可能性,因此利用水泥厂协网处置城市垃圾势在必行,而且已引起不少有识之士的重视I…。但是,由于我国现阶段正在大力发展垃圾焚烧处理技术,在今后相当长一个时期内都会有大量的焚烧飞灰产生。因此,垃圾焚烧飞灰作为一种大量存在的潜在资源,其在水泥生产中的资源化利用一正在引起国内外多方人士的重视,具有广阔的前景。

      4.2在水泥生产中资源化利用的技术关键

      与其他固体废物一样,垃圾焚烧飞灰在水泥生产中的资源化利用,一是作为水泥生产原料;二是作为混合材。但是,由于垃圾焚烧飞灰中存在大量有害成分,会带来一系列的问题,有可能影响水泥生产的正常进行和水泥的质量,严重时甚至危及设备和工程安全。因此,我们应从工艺、生产技术、设备、环境保护等各方面加强研究,协力攻关。目前至少尚有下列关键技术需要突破:和渗C蜀榭tT

      1)直接作为水泥原料进入水泥窑时,氯、硫、碱等有可能会造成水泥窑预热系统结皮、堵塞;水泥熟料中这些有害物质含量过离,会导致水泥质量下降。

      2)直接利用作为水泥混合材时,工艺简单,但氯将引起水泥混凝土中钢筋锈蚀;碱、硫等也会导致水泥混凝土性能的劣化;二恶英和重金属等的渗出会引起环境污染等。

      3)环境保护方面除技术上需要解决环境污染的控制以外,最大闻题是现有危险废物管理法规要求的障碍,必须解决重金属的稳定化问题和二恶英的污染控制问题。

      4)我国垃圾焚烧飞灰在水泥生产中资源化利用时,其氯、硫、碱和重金属等的处理目前主要是采用水洗和化学方法消除或稳定,必须研究有效的、低成本的前期预处理技术。

      5)二恶英的污染控制最有效的技术手段还需借助高温处理,这也是制约垃圾焚烧飞灰直接作为水泥混合材的技术障碍;直接利用垃圾焚烧飞灰作为原料生产水泥时,虽然水泥窑的高温煅烧环境为二恶英的分解无害化提供了技术可能,但仍须解决高温下重金属的挥发和稳定化问题、二恶英的分解与降温逆生成以及环境污染控制等闯题。

      6)微量重金属会影响水泥熟料的烧成.其进入水泥熟料后又会影响水泥的水化、硬化,而日还存在着从硬化水泥浆体或混凝土中渗出的可能性,必须控制其渗出和确保生产水泥的安全性。

      7)垃圾焚烧飞灰做水泥原料或混合材,如何优化水泥熟料矿物榴和承化产物的合理匹配设计。

      8)垃圾焚烧飞灰在无害化、资源化预处理过程中所产生的二次污染物如何减量化与无害化安全处置:

      5结束语

      目前,垃圾焚烧飞灰在水泥生产中的资源化利用技术尚处在发展阶段,尤其是在我国,仍尚处于起步阶段。除了必须转变观念,把垃圾焚烧飞灰作为一种潜在资源对待,修改~些阻碍循环经济发展的法规以外,还有很多工艺、技术、设备和环保问题需要研究和解决。

      垃圾焚烧飞灰由于废物的来源及垃圾焚烧炉构造和工艺等不同而重金属和二恶英等有害物质的类型和含量各异,使其对水泥生产中资源化耧用技术的求和影响十分复杂。因此,迫切需要加强投入,进行重点研究,探索多种处置矛fJ用途径,根据具体情况研究采用合理的技术措施,确保利用垃圾焚烧飞灰制备的水泥的安全生产和使用,为在我国大力发展循环经济,建立有自主知识产权的水泥生产资源化利用垃圾焚烧飞灰技术奠定理论和实践基础,这对我国这样一个垃圾焚烧飞灰排放量日益剧增且资源短缺的大国具有特别重要的意义。

      我国城市垃圾处理已经作为~项重要目标纳入国家“十一五”计划。同样,垃圾焚烧飞灰在水泥生产中的资源化利用也已引起各级政府的高度重视,同济大学关于《处置利用垃圾焚烧飞灰共研制新型节能水泥》的研究已经得到“十一五”《国家高技术研究发展计划(863)》资助。相信在近几年内,垃圾焚烧飞灰在水泥生产中的资源化利用必将有飞跃发展。在全社会倡导节能、降耗、环保的新的历史时期,水泥工业完全可以为发展循环经济作出更大的贡献。

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