垃圾焚燒爐渣資源化利用

鄧啟良,黃 進,蔡 雷

(1.四川海諾爾環保產業投資有限公司,四川成都 610017;2.成都大學城鄉建設學院,四川成都 610106)

0 引 言

爐渣是生活垃圾焚燒的副產物,包括爐排上的殘留物和從爐排間掉落的顆粒物,其產量約占原生垃圾質量的10%～15%[1],以日處理400 t生活垃圾全焚燒為例,每天產生20～60 t的爐渣,每年產生(1～3)×104t爐渣,體積約為2×104m3.爐渣作為一般固體廢物進入填埋場處置,將增加填埋場庫容的壓力.探索將爐渣通過制成多孔磚或與混凝土制塊等途徑,可實現爐渣的資源化利用.

1 爐渣的理化性質

爐渣的組成主要有陶瓷、磚石、玻璃和熔渣,爐渣的粒徑分布比較均勻,主要在2～50 mm之間,大于2 mm顆粒占60%以上.

1.1 爐渣物理性質

通常,含水爐渣為黑褐色,干爐渣顏色與堆肥相似為灰褐色.爐渣松散堆放的密度約為1.17 t/m3,壓實堆放密度約為1.54 t/m3,而沙石松散堆放密度為1.35 t/m3[2].

1.2 爐渣化學性質

垃圾按照焚燒設計參數達標處理處置后,焚燒產生的爐渣的pH緩沖能力較強,能有效抑制重金屬的浸出.爐渣的重金屬浸出含量都遠低于危險廢物鑒別標準值.此外,焚燒后爐渣的溶解鹽量小于1%,使爐渣處置或利用時,對土壤和地下水等環境可能造成的危害較小[3].

2 爐渣的前處理

為達到對垃圾焚燒爐渣的資源化利用要求,首先要對爐渣的粒徑和純度進行前處理.具體方式是:通過機械設備對爐渣進行破碎以改變爐渣的粒徑,其中的廢舊金屬可通過磁選去除,未燃盡垃圾采用篩分機去除后,重新送入垃圾焚燒爐焚燒,篩下物為處理后的細爐渣.當爐渣的泥分含量多時,可用水沖洗將泥分去除,產生的廢水和爐渣滲水一起經處理后循環利用.爐渣處理后在堆場自然堆放,風干、老化降低溶解鹽后,可作為資源化開發的原料儲備.爐渣前處理工藝流程如圖1所示.

圖1 爐渣前處理工藝流程圖

3 爐渣資源化利用的途徑

3.1 回收有價金屬

爐渣中廢舊金屬主要為廢鐵、銅和鋁等,回收方法主要有磁選、人工分選和直接回收3種.

3.1.1 磁選法.

磁選法的回收對象主要是垃圾中的食品罐頭、瓶蓋,修理廠的鐵釘、鐵絲、螺桿、螺帽和鐵板邊角余料等.爐渣中含鐵量約為4 kg/m3,利用磁選機能選出爐渣中98%左右的廢鐵,例如2×104m3爐渣中大概可以回收約78.5 t的廢鐵,而被包裹于爐渣球內的廢鐵則不易被選出.

3.1.2 人工分選法.

人工分選法的回收對象主要是垃圾中的中小型家用電器焚燒后剩下銅線線圈,其在爐渣中含量相對較少,約0.03 /m3,例如2×104m3爐渣中可以回收約600 kg的銅.

3.1.3 直接回收法.

直接回收法的回收對象主要是垃圾中含量較少的鋁.鋁在爐膛內經過高溫后會熔化而凝固在爐排上,可直接將其加以回收利用.

3.2 制作生態水泥

生態水泥可采用焚燒爐渣和脫水污泥為主要原料,石灰石和黏土作為輔助材料,其制作工藝與普通水泥基本相同.一般生產1t生態水泥,使用0.5 t爐渣、0.3 t脫水污泥、0.3 t石灰石及黏土等原料,在1 350℃鍛燒成熟料,再加入石膏,通過粉磨而制成生態水泥.該種生態水泥的密度和水化熱與普通水泥相同,抗壓強度比普通水泥在同齡期下略高,但凝結時間短,故在配制混凝土時必須加入緩凝劑[4].

3.3 用作垃圾填埋場覆蓋材料

爐渣有利于填埋場雨水滲漏和阻止垃圾發酵氣體的排出,不需要前處理就可將爐渣直接用于垃圾填埋場的覆蓋材料,填埋厚度通常為30 cm左右.但在垃圾填埋場終場時,需增加抽氣管道的布置密度.

3.4 用作屋面隔熱或地面防潮、路基或道渣

爐渣具有多孔、質輕、硬度高等物理特性,將其用于屋面隔熱或地面防潮,可以減少對樓體的負重、緩解溫差并增強舒適度.此外,由于爐渣透水性較好,在多雨地區,可將其作為路基有利于排水,用作道渣可減少路面積水.

4 爐渣水泥制品

利用爐渣制作水泥制品具有如下優點:①制作所需工藝和設備簡單,設備運行費用低,操作簡便;②制作車間占地面積小,取料方便,對含水量較高的爐渣可以直接使用,原料供應穩定、充足;③爐渣水泥制品強度高、長期穩定性好,對受熱或風化也有一定的抵抗力,利用價值較高;④不會產生二次污染,是名副其實的環保產品;⑤爐渣水泥制品質量較輕,可節約或降低運輸成本及勞動強度;⑥爐渣水泥制品生產的標磚、多孔磚等產品顏色為大多為青色,是理想的“青磚綠瓦”工程建材.

4.1 生產場地布置

通常,爐渣水泥制品生產布置場地主要包括3部分,即物料堆放區、固化間、養護室或成品堆放場.物料堆放區一般依次布置有爐渣堆放場(細爐渣)、水泥罐間;固化間位于主廠房中間,里面布置一條至多條爐渣水泥制品生產線以及集水坑;養護室或成品堆放場用于爐渣水泥制品的養護.此外,集水坑用于收集生產和清潔過程中產生的廢水,廢水經處理后可再利用,防止污染環境.

4.2 生產工藝與設備

爐渣水泥制品生產工藝流程可以分為3個階段,即進料、攪拌成型、養護.

4.2.1 進 料.

用裝載車將爐渣裝入電子稱量斗稱量后,按比例用皮帶輸送至攪拌機料斗進料,水泥則由水泥罐按配比直接放入攪拌機.為確保水泥制品固化時充分水合及產品的強度,必須選定適宜的水渣比,一般控制水渣比在1∶4以上,也可通過試驗確定.早強劑的作用是縮短固化時間,進料時通過試驗選擇投配量.

4.2.2 攪拌成型.

物料在攪拌機中進行攪拌,攪拌后的混合物進入料斗.后續工藝根據不同水泥制品可以分為3類:液壓振動成型、振動成型和路緣石成型.

(1)液壓振動成型.將混合物料送入鋼制模具,液壓與振動同時進行,產品通過液壓推車或叉車運至養護室.此類生產能快速成型,產品尺寸規格標準,抗壓強度,密實度高,產量也高.其產品如標磚、各類多孔磚等.

(2)振動成型.將混合物料注入各類塑料模具,通過小型振動平臺生產小型水泥制塊,成型后應水平放置養護.其產品如各類彩磚,路面磚,路緣石(澆筑)等.

(3)路緣石成型.將混合物料送入鋼制模具,通過液壓成型,運送至養護室.此類生產能快速成型,產量高,產品尺寸規格標準,抗壓強度高、密實度高.其產品通常是大件水泥制品,如水溝蓋板、路緣石(機壓)等.

4.2.3 養 護.

養護是水泥制品固化的重要環節,一般在室溫和相對濕度大于80%條件下,養護時間約為28 d.水泥制品達到一定的強度后,再把這些制品運輸至成品堆放場,進一步自然養護以達到運輸和建筑用材利用要求的強度.

由于爐渣比沙石質軟,爐渣水泥制品必須進行強度試驗.為增加爐渣水泥制品強度,解決方法之一是增加水泥配比量以滿足相關行業標準和爐渣水泥制品的實用要求.

4.3 經濟性初步分析

下面,我們以爐渣作為混凝土骨料制成固化多孔磚及混凝土制塊等水泥制品為例,對該工藝方法的原料成本、環境效益進行經濟性如下分析.

4.3.1 原料成本.

該生產工藝的原料成本主要為水泥成本與骨料成本之和,可表示為,

式中:Z為原料總成本,S1為水泥成本,S2為骨料成本,Q為水泥總量,P為水泥單價,m為骨料重量,n為骨料單價,x為骨料使用水泥比例.式(1)可簡化為,

由式(2)可以看出:原料成本是一個單調函數,原料成本控制主要為水泥的配比比例,而其他幾項均為市場價格,生產中可以通過試驗得出水泥比例x的最小值,以降低原料成本.

為直觀反應出爐渣成本優勢,可以對 m、n、x及P進行賦值,計算出原料成本,進行比較,結果如表1所示.

從表1中可以看出,利用爐渣作為混凝土骨料與天然砂石相比,原料成本可節約18.55%,具有十分明顯的價格優勢.

表1 原料成本比較表

4.3.2 環境效益.

垃圾焚燒爐渣主要由城市生活垃圾焚燒產生,通過將爐渣處理后再利用,或代替混凝土骨料制成水泥制品又回用于城市,并且在生產、使用和運輸過程中沒有產生二次污染,環境效益與社會效益十分明顯,符合可持續發展的要求[5].

5 結 語

垃圾焚燒爐渣的資源化利用是一項利國利民的環保開發項目,經濟效益優勢明顯,具有較強市場競爭力,應加大投資和研發力度,使其在經濟效益、環境效益和社會效益得到更大的體現.

[1]張益,趙由才.生活垃圾焚燒技術[M].北京:化學工業出版社,2001.

[2]徐惠忠.固體廢棄物資源化技術[M].北京:化學工業出版社,2004.

[3]何品晶.垃圾焚燒爐渣的性質及其利用前景[EB/OL]. [2010-09-22].http://wenku.baidu.com/view/f763572b-3169a4517723a338.html.

[4]李定龍,王晉.處理處置工程及應用[M].北京:中國石化出版社,2009.

[5]葉文虎.環境管理學[M].北京:高等教育出版社,2005.