專利名稱：利用垃圾焚燒飛灰為原料的陶粒及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶粒及其制備方法，尤其涉及一種利用垃圾焚燒飛灰為原料的陶粒及其方法。
背景技術(shù)：
城市生活垃圾的迅速增長已經(jīng)成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的一個重要問題，據(jù)統(tǒng)計顯示2001年中國城市的年生活垃圾量已達到1.35億噸，而無害化處理程度只有20％。歷年堆存的垃圾已達70億噸，侵占了約80萬畝土地，對環(huán)境造成了潛在的影響和危害。垃圾焚燒技術(shù)可以有效地破壞有機毒性物質(zhì)，大大降低垃圾的體積(一般可以減少到原體積的5％～30％)，焚燒產(chǎn)生的余熱還可以回收利用，該已成為當前世界上垃圾資源化、無害化和減容化處理技術(shù)的主要方式之一。但是，垃圾焚燒后會產(chǎn)生一定數(shù)量的焚燒灰渣。焚燒灰渣是從垃圾焚燒爐的爐排下和煙氣除塵器、余熱鍋爐等收集下來的排出物，主要由底灰(Bottom Ash或Slag)及飛灰(Fly Ash)共同組成。底灰系焚燒后由爐床尾端排出的殘余物，大約占灰渣的80％～90％(質(zhì)量計)；而飛灰是指在煙氣凈化系統(tǒng)(Air Pollution Control System，APC)收集而得的殘余物，在灰渣中大約占10％～20％(質(zhì)量計)。底灰的有害物質(zhì)含量較少，通常作為一般固體廢棄物處置。但是，《國家危險廢物名錄》把固體廢物焚燒飛灰列為危險廢物編號HW18251。飛灰毒性較高的主要原因是，垃圾焚燒使部分重金屬高溫揮發(fā)，而后在煙氣凈化系統(tǒng)中冷凝附著在飛灰顆粒上；另外，垃圾焚燒生成的二惡英也會附著在飛灰顆粒上。因此，垃圾焚燒飛灰常含有較高浸出濃度的鉛(Pb)和鎘(Cd)等重金屬，還含有高濃度的二惡英，在對其進行最終處置之前一般需先經(jīng)過固化/穩(wěn)定化處理。
目前，飛灰處置的常用方法主要有水泥固化、瀝青固化、熔融固化技術(shù)、化學(xué)藥劑固化穩(wěn)定化等，經(jīng)過固化穩(wěn)定化處理后的產(chǎn)物，如滿足浸出毒性標準或者資源化利用標準，可以進入普通填埋場進行填埋處置或進行資源化利用。各種飛灰處置方法簡介如下(1)水泥固化技術(shù)就是將飛灰和水泥混凝土混合形成固態(tài)，經(jīng)水化反應(yīng)后形成堅硬的水泥固化體，從而達到降低飛灰中危險成分浸出的目的，其基本原理在于通過固化包容減少飛灰的表面積和降低其可滲透性，達到穩(wěn)定化、無害化的目的。該技術(shù)較為簡單可靠，但缺點在于水泥消耗量大，致使廢物大幅度增容，處理費用高；(2)熔融固化法亦稱為玻璃化技術(shù)，該技術(shù)是將待處理的飛灰和玻璃填料加入高溫電弧爐或等離子爐中，通過高溫熔融處理，使其生成玻璃狀硅酸鹽形態(tài)，將易溶性組分包在其中使其溶解不出來。該技術(shù)需專用設(shè)備，投資高，處置費用也較高；(3)藥劑穩(wěn)定化是利用化學(xué)藥劑通過化學(xué)反應(yīng)使有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿芙庑?、低遷移性及低毒性物質(zhì)的過程。該技術(shù)尚處于研究發(fā)展階段，處置費用相對較低。主要問題在于雖對重金屬的處理效果較為理想，但對于二惡英則無明顯效果。
由于以上這些飛灰處置方法處置成本普遍較高，目前大多數(shù)的焚燒飛灰仍是進行簡單的填埋。國內(nèi)的實際情況是一方面，目前填埋場用地緊缺，建設(shè)投資大，而飛灰先經(jīng)水泥固化再進行填埋的費用過高(1500元/噸～2500元/噸)；另一方面，焚燒飛灰采用直接填埋處置方式，其重金屬溶出對人體健康及生活環(huán)境的危害性將不容忽視。因此如何采取適當?shù)募夹g(shù)處理焚燒飛灰，并達到穩(wěn)定化、資源化和無害化的目標，已成為當前一項重要的科研項目。同濟大學(xué)的施惠生的ZL200410016744.9號“利用城市垃圾焚燒灰渣燒制生態(tài)水泥熟料的方法”的發(fā)明專利，為建筑材料行業(yè)處置焚燒飛灰提供了新的思路。本發(fā)明首次利用焚燒飛灰制備新型建筑材料——陶粒。陶粒是一種建筑用輕骨料，用它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碎石、河卵石等制成輕集料混凝土制品如空心砌塊、輕質(zhì)板材等。利用固體廢棄物生產(chǎn)陶粒的研究越來越受到重視，并不斷取得新的突破。已有粉煤灰陶粒、污泥陶粒、垃圾陶粒等新品種問世。其中利用燃煤火力發(fā)電廠副產(chǎn)物粉煤灰為主要原材料經(jīng)高溫燒制而成的粉煤灰陶粒是出現(xiàn)最早，獲得實際應(yīng)用最廣的環(huán)保型陶粒產(chǎn)品。本項發(fā)明也在相當程度上借鑒了粉煤灰陶粒的成功經(jīng)驗。由于城市垃圾焚燒飛灰的主要成分為無害鹽類，其組分與普通火力發(fā)電廠的粉煤灰較為接近，故可作為主要原材料生產(chǎn)陶粒，可在無害化處理過程中，直接參與陶粒原料之間的固相反應(yīng)、液相反應(yīng)和陶粒燒結(jié)過程，最終形成陶粒。與此同時，通過陶粒窯系統(tǒng)對飛灰進行高溫焚燒，將飛灰中的重金屬熔融固化在陶粒中，將二惡英進行高溫熱解，從而實現(xiàn)無害化、資源化處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過陶粒窯系統(tǒng)對固體廢棄物飛灰進行高溫焚燒，將飛灰中的重金屬熔融固化在陶粒中，將二惡英進行高溫熱解，從而實現(xiàn)對固體廢棄物飛灰無害化、資源化處理，并將其作為資源加以有效利用，避免二次污染，減少資源浪費，既可安全處置垃圾焚燒飛灰，又經(jīng)濟、可行地利用城市垃圾焚燒飛灰制備陶粒。
為達到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
利用垃圾焚燒飛灰為原料的陶粒，其原料組成及重量百分比含量為飛灰20％～80％，其余為粘土；利用垃圾焚燒飛灰為原料的陶粒的制備方法，按原料組成及重量百分比含量配料飛灰20％~80％，其余為粘土；經(jīng)造粒、高溫煅燒制成陶粒；所述高溫煅燒的燒結(jié)溫度為1000℃～1400℃；較佳的陶粒原料組成及重量百分比含量為飛灰為40％～60％，其余為粘土；較佳的燒結(jié)溫度為1150℃～1250℃。
本發(fā)明的有益效果是，變廢為寶，將危險廢棄物——垃圾焚燒飛灰作為陶粒原料再生利用，通過陶粒窯系統(tǒng)對固體廢棄物飛灰進行高溫焚燒，將飛灰中的重金屬熔融固化在陶粒中，將二惡英進行高溫熱解，從而實現(xiàn)對固體廢棄物飛灰無害化、資源化處理，并將其作為資源加以有效利用，避免二次污染，減少資源浪費，既可安全處置垃圾焚燒飛灰，又經(jīng)濟、可行地利用城市垃圾焚燒飛灰制備陶粒。既降低了飛灰的處置成本，又減少了陶粒工業(yè)對天然原料(如粘土等)的需求量。
具體實施例方式
本發(fā)明所用垃圾焚燒飛灰取自天津雙港垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣凈化系統(tǒng)，飛灰的主要化學(xué)成分見表1。
表1 垃圾焚燒飛灰的主要化學(xué)成分/％

陶粒原料的化學(xué)成分是導(dǎo)致陶粒膨脹的主要因素。按其作用可分為3類(1)成陶成分，有SiO2、Al2O3、Fe2O3，在原料中約占3/4；(2)助熔成分，主要是起助熔作用的熔劑氧化物，有K2O、Na2O、MgO、CaO、FeO等；(3)發(fā)氣成分，在物料高溫時產(chǎn)生氣體，如H2O、O2、CO2、CO、H2等。
常用陶粒原料的化學(xué)成分要求如表2所示。
表2 常用陶粒原料化學(xué)成分要求 /％

從表1中可以看出焚燒飛灰中的主要化學(xué)成分為SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3，并且各成分含量可以滿足陶粒原料化學(xué)成分要求。通過合理的原料配比，使其化學(xué)成分控制在表2所述范圍，可以確保燒制出合格的陶粒產(chǎn)品。
焚燒垃圾飛灰對陶粒質(zhì)量影響主要在筒壓強度、堆積密度、吸水率、放射性、有機物含量等幾個方面。焚燒垃圾飛灰與粘土按一定比例調(diào)配的具體實施方式
及各項性能指標的測定，按GB2842--81《輕骨料試驗方法》有關(guān)規(guī)定進行，采用《粘土陶粒和陶砂國家標準》(GB2839-81)，比照結(jié)果見表3。
表3 不同飛灰摻加量燒制的飛灰陶粒在燒結(jié)溫度為1200℃，煙氣中活性炭的噴射量為80mg/m3(煙氣)時的實施例中的相關(guān)性能檢測


從表3的結(jié)果可以看出，在陶粒原料中摻加垃圾焚燒飛灰摻量在0％～80％范圍內(nèi)，所生產(chǎn)的飛灰陶粒產(chǎn)品的各項品質(zhì)指標均符合國家標準要求，但隨著飛灰摻量的增加，陶粒的各項性能指標有下降趨勢，尤其當飛灰摻量超過60％以后，這種下降趨勢更加明顯，當飛灰摻量達到80％時，多項品質(zhì)指標已接近國家標準限值。因此，在陶粒原料中摻加垃圾焚燒飛灰摻量宜控制在40％～60％范圍內(nèi)。
垃圾焚燒飛灰富含重金屬物質(zhì)等有害成分見表4。
表4飛灰中重金屬含量及其重金屬浸出毒性

由表4數(shù)據(jù)可知，飛灰浸出液中Zn、Pb、Cd、Cr的濃度均高于固體廢物浸出毒性鑒別標準(GB5085.3-1996)。
垃圾焚燒飛灰的二惡英含量檢測結(jié)果表明。飛灰中所含的二惡英總毒性當量(I-TEQ)波動范圍在965ng/kg～3560ng/kg。我國目前尚未有相應(yīng)的固體廢物中二惡英限制標準。但國外標準可作借鑒，德國、美國土壤的質(zhì)量標準中二惡英毒性當量的限值為1000ng/kg，新西蘭為1500ng/kg，可知垃圾焚燒飛灰的二惡英含量接近或高于土壤中二惡英毒性當量的限值。
正是由于焚燒飛灰中同時富集了多種有害物質(zhì)，所以處理難度較大，必須采取必要的措施予以綜合安全處置，通常單一的處置方式很難奏效。而利用陶粒法處置垃圾焚燒飛灰則同時具備固化重金屬與分解二惡英的作用，其技術(shù)原理如下(1)陶粒燒結(jié)過程對飛灰重金屬固化作用由于飛灰陶粒的配料中以飛灰為主，因此陶粒的燒制過程也就是飛灰的熔融固化過程。該熔融固化技術(shù)主要是將混合造粒成型后的陶粒坯料，在1000℃～1400℃高溫下熔融一段時間，通常為30min～50min(熔融時間視飛灰性質(zhì)的不同而定)，在此過程中重金屬取代硅酸鹽礦物中的部分Ca2+、Al3+而包封在硅酸鹽的網(wǎng)狀晶格中，待飛灰的物理和化學(xué)狀態(tài)發(fā)生改變并滿足陶粒燒結(jié)要求后，降溫使其固化，形成玻璃類或陶瓷類固化體，借助該固化體的致密結(jié)晶結(jié)構(gòu)，可確保重金屬的穩(wěn)定。熔融處理有較好的減重和減容效果。同時熔融后重金屬的浸出率很低，可以滿足目前的浸出毒性標準。通過毒性浸出特性實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Zn、Cr、Pb、Cd、Cu等重金屬浸出率均非常低，如表5所示。
表5不同飛灰摻加量的飛灰陶粒在燒結(jié)溫度為1200℃，煙氣中活性炭的噴射量為80mg/m3(煙氣)時的實施例中Cu、Zn、Pb、Cd、Hg浸出濃度mg/L

注結(jié)果“XL”中“X”表示該項目的方法檢出限，“L”表示低于檢出限。
(2)陶粒燒制過程對飛灰中二惡英的高溫分解作用二惡英類有機物是毒性極強的物質(zhì)，主要是生活垃圾中含氯高分子化合物(如聚氯乙稀、氯代苯、五氯苯酚等二惡英類前體物)，在適宜的溫度并在CuCl2、FeCl3的催化作用下和HCl、O2反應(yīng)，生成二惡英類物質(zhì)。有關(guān)研究結(jié)果表明，二惡英的最佳生成溫度為300℃～500℃。隨著焚燒過程中溫度逐漸升高，到750℃左右，分子量較大的二惡英類物質(zhì)開始分解，到1000℃左右時二惡英類物質(zhì)將完全分解，在陶粒高溫燒結(jié)過程中二惡英被徹底分解為CO2和H2O等無害物質(zhì)。目前，關(guān)于二惡英類物質(zhì)能夠完全分解的普遍看法是在850℃左右溫度場內(nèi)停留時間2s以上，或是1200℃左右停留幾微秒。
陶粒窯內(nèi)溫度高，氣體溫度和物料溫度分別高達1400℃和1200℃，窯內(nèi)氣體通過時間長，氣體在1200℃以上高溫區(qū)段的停留時間長達4秒以上，同時窯內(nèi)的熱慣量大，工況穩(wěn)定，高溫氣體湍流強烈，有利于氣固兩相的混合、傳熱、傳質(zhì)、分解、化合和擴散，從而可以有效將原燃料中的任何一種有機化合物完全分解，同時也有效防止了二惡英類物質(zhì)的重新生成。為防止陶粒制備過程中產(chǎn)生的煙氣排放對環(huán)境造成二次污染，陶粒窯的窯尾煙氣在排放進入大氣前，首先在煙氣管道中噴射活性炭吸附煙氣中可能殘留的重金屬、二惡英等有害物質(zhì)，然后由布袋收塵器將煙氣中的粉塵和活性炭顆粒一同捕集下來，所形成的布袋收塵器捕集灰由陶粒窯的窯頭直接噴入高溫區(qū)重新接受煅燒為無害物質(zhì)，其中所述煙氣中活性炭的噴射量為10mg/m3(煙氣)～300mg/m3(煙氣)。較佳的飛灰在混合配制的陶粒生料中的比例為40％～60％，陶粒的燒結(jié)溫度為1150℃～1250℃，煙氣中活性炭的噴射量為60mg/m3(煙氣)～120mg/m3(煙氣)。經(jīng)檢測，飛灰陶粒的中所含的二惡英總毒性當量(I-TEQ)波動范圍在1.0ng/kg～1.5ng/kg，遠低于發(fā)達國家制定的土壤中二惡英毒性當量的限值，可以保證該產(chǎn)品的安全使用。
對陶粒窯廢氣排放的監(jiān)測結(jié)果見表6。
表6飛灰在陶粒生料中所占比例為60％，燒結(jié)溫度為1200℃，煙氣中活性炭的噴射量為80mg/m3(煙氣)時的飛灰陶粒窯廢氣排放監(jiān)測結(jié)果

對陶粒窯廢氣排放的監(jiān)測結(jié)果顯示，陶粒燒制過程中排出氣體中二惡英類物質(zhì)的含量很低，二惡英總毒性當量可以滿足《危險廢物焚燒污染控制標準》(GB18484-2001)中，關(guān)于二惡英排放限值0.5ng/Nm3的要求。粉塵、SO2、NO2以及重金屬的排放指標也完全符合排放標準，不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染。因此焚燒飛灰作為陶粒原料使用是安全可靠的。
本發(fā)明提供一種新型安全利用垃圾焚燒飛灰制備飛灰陶粒的模式。利用垃圾焚燒飛灰制備陶粒，可以有效地將焚燒飛灰中的重金屬物質(zhì)固化在陶粒礦物中，并可保證飛灰中的重金屬不易從水化體系中浸出，從而確保其安全使用。在實際生產(chǎn)中可以根據(jù)陶粒窯的類型及當?shù)卦牧虾屠贌w灰的性質(zhì)和組成，確定垃圾焚燒飛灰的摻加量，只要控制陶粒坯料的主要化學(xué)成分SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3的含量在表2所述范圍內(nèi)，都可以燒制出符合國家標準的陶粒產(chǎn)品。
本發(fā)明利用垃圾焚燒飛灰燒制出符合國家標準的高質(zhì)量的飛灰陶粒，從而把目前難于處置的焚燒飛灰變成了建筑材料進行資源化利用。一方面大幅度降低了飛灰的處置成本，為飛灰的安全處置找到了切實可行的出路，有利于避免因處置成本過高而致使飛灰被非法遺棄或簡單填埋現(xiàn)象的發(fā)生。另一方面又減少了陶粒工業(yè)對天然原料(如粘土等)的需求量。而且陶粒在燒結(jié)過程中對飛灰中各種重金屬元素的固化作用是非常有效的，各種重金屬元素的絕大部分均已固化在陶粒的礦物晶相中；飛灰中的二惡英在陶粒高溫燒結(jié)過程中被徹底分解為CO2和H2O等無害物質(zhì)；再加上對陶粒窯的窯尾煙氣的嚴格凈化處理，可以有效避免二次污染現(xiàn)象的發(fā)生。本發(fā)明是對焚燒飛灰等廢棄物處置利用的突破，在新型建筑材料和環(huán)境工程領(lǐng)域均具有重要意義。本發(fā)明必將產(chǎn)生顯著的社會、經(jīng)濟效益，對陶粒工業(yè)和垃圾焚燒行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展將產(chǎn)生積極的推動作用。
權(quán)利要求
1.一種利用垃圾焚燒飛灰為原料的陶粒，其特征在于，其原料組成及重量百分比含量為飛灰20％～80％，其余為粘土。
2.權(quán)利要求1的利用垃圾焚燒飛灰為原料的陶粒的制備方法，其特征在于，按原料組成及重量百分比含量配料飛灰20％～80％，其余為粘土；經(jīng)造粒、高溫煅燒制成陶粒，
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陶粒制備方法，其特征在于，所述高溫煅燒的燒結(jié)溫度為1000℃～1400℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用垃圾焚燒飛灰為原料的陶粒，其特征在于，其原料組成及重量百分比含量為飛灰為40％～60％，其余為粘土。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的陶粒制備方法，其特征在于，所述高溫煅燒的燒結(jié)溫度為1150℃～1250℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用垃圾焚燒飛灰為原料的陶粒及其制備方法，其原料組成及重量百分比含量為飛灰20％~80％，其余為粘土；經(jīng)配料、造粒、高溫煅燒制成陶粒產(chǎn)品；所述高溫煅燒的燒結(jié)溫度為1000℃~1400℃。本發(fā)明將危險廢棄物——垃圾焚燒飛灰作為陶粒原料再生利用，實現(xiàn)了對固體廢棄物飛灰無害化、資源化處理，避免了二次污染，減少了資源浪費，既可安全處置垃圾焚燒飛灰，又經(jīng)濟、可行地利用城市垃圾焚燒飛灰制備陶粒產(chǎn)品，也減少了陶粒工業(yè)對天然原料的需求量。
文檔編號C04B33/02GK1830885SQ20061001333
公開日2006年9月13日 申請日期2006年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月20日
發(fā)明者高亮, 張景輝, 高建東, 張曙光 申請人:天津泰達環(huán)保有限公司