專利名稱：利用焚燒飛灰作為混合材生產(chǎn)水泥的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬垃圾焚燒飛灰處理利用與建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種垃圾焚燒飛灰無害化、資源化處理方法，以及將其作為混合材生產(chǎn)水泥的技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，我國城市廢棄物的排放也急劇增加，已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。如何經(jīng)濟(jì)有效地治理這些垃圾，防止污染，這是一個跨世紀(jì)的環(huán)保熱點(diǎn)問題。廢棄物的有效處理或再生利用，不僅技術(shù)要求較高，且投資及處理費(fèi)用亦大。城市廢棄物的處理方法有直接填埋、堆肥和焚燒等，我國大部分城市都采用直接填埋。隨著可用填埋場地的減少和填埋成本的提高，堆肥因市場原因受到大規(guī)模限制且堆肥質(zhì)量不理想，垃圾焚燒法越來越受到重視。垃圾焚燒技術(shù)由于可以有效地破壞有機(jī)毒性物質(zhì)，大大降低垃圾的體積，而且可以回收能源，將會成為我國垃圾資源化、無害化和減容化處理技術(shù)的重要研究和發(fā)展方向。
但是垃圾焚燒后總會產(chǎn)生一定數(shù)量的焚燒灰渣。根據(jù)垃圾組成和焚燒溫度，焚燒時間的不同，殘?jiān)牧考s占垃圾焚燒前總重量的5-30％。同時，焚燒也必然會濃集某些化學(xué)成分，如重金屬物質(zhì)等。按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，垃圾焚燒產(chǎn)生的飛灰因其含有較高浸出濃度的鉛和鎘等重金屬而屬于重金屬危險廢物，在對其進(jìn)行最終處置之前必須先經(jīng)過固化/穩(wěn)定化處理。目前我國城市垃圾的焚燒技術(shù)還處于摸索和經(jīng)驗(yàn)積累階段，焚燒爐的灰渣和煙氣除塵器的飛灰(統(tǒng)稱為焚燒灰渣)的處置還未得到足夠的重視，幾乎全部采取填埋或固化處理，有關(guān)焚燒灰渣的處置利用研究更是幾近空白。傳統(tǒng)的水泥固化技術(shù)在處理重金屬廢物時存在下列問題(1)需要使用大量水泥，致使廢物增容比較大，使固化的費(fèi)用急劇增加而失去價廉的優(yōu)勢，同時也給后續(xù)的運(yùn)輸與處理帶來困難；(2)水泥固化基質(zhì)體的高孔隙率和高滲透性；(3)固化體的強(qiáng)度非常低(28d的強(qiáng)度僅0.35-0.70MPa)，而一些重金屬(如Cu、Pb、Zn等)的加入會延緩水泥的凝結(jié)和硬化，固化體中的重金屬在環(huán)境介質(zhì)的侵蝕下將面臨轉(zhuǎn)移到環(huán)境中的潛在危險，對環(huán)境可能造成二次污染，以及固化體難以再生利用等問題。因此如何安全有效地處置利用焚燒飛灰已成為急需解決的環(huán)境和社會問題。與此同時，我們注意到焚燒飛灰中的主要化學(xué)成分與目前常用的高爐礦渣，粉煤灰等水泥混合材料非常接近，均屬CaO-SiO2-Al2O3(Fe2O3)體系，焚燒飛灰既有污染性，又有資源利用性。國內(nèi)外以前對焚燒飛灰的處置均著重于無害化處理，而對其所具有的資源性卻未能充分利用，尤其是焚燒飛灰的膠凝活性尚無人關(guān)注。國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)中對焚燒飛灰的研究大多是關(guān)于如何將其穩(wěn)定固化后填埋。
為解決城市生活垃圾的污染問題，僅上海市目前就已建成兩大兩小四個生活垃圾焚燒廠。日處理量達(dá)3000t/d。如果按焚燒1t垃圾由20％灰渣生成，則四廠每天會有600t的焚燒灰渣生成。如此大量的灰渣產(chǎn)生，若未對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗屠枚苯佣阎煤蛢A倒，不僅會浪費(fèi)資源，更嚴(yán)重地將會污染環(huán)境，對人民的生產(chǎn)和生活造成很大危害。如何將焚燒灰渣安全而有效地處置利用，是當(dāng)前人們關(guān)注的一個重點(diǎn)課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種利用垃圾焚燒飛灰作為混合材生產(chǎn)水泥的方法。
本發(fā)明提出的利用垃圾焚燒飛灰作為混合材生產(chǎn)水泥的方法，由焚燒飛灰、硅酸鹽水泥熟料和石膏混合、粉磨而成，各組份的重量配比如下焚燒飛灰∶水泥熟料∶石膏＝(1-5)∶(15-20)∶1。
上述方法中，對于重金屬和有害離子含量高的垃圾焚燒飛灰先采用不同pH值的溶液對其進(jìn)行浸泡洗滌，脫除其中的大部分重金屬和有害離子，以保證焚燒飛灰的安全利用。
具體步驟如下先用水溶液浸泡，液固重量比為20-200，浸泡時間4-8小時，過濾；對過濾物再用pH值為4-6的酸液浸泡，液固重量比為20-200，浸泡時間4-8小時，過濾，烘干，即得處理后的焚燒飛灰固體物。
上述浸泡洗滌用的酸液可以是鹽酸、硫酸等。
經(jīng)過上述浸泡洗滌處理，垃圾焚燒飛灰中的重金屬及有害離子被大部分脫除，達(dá)到可安全利用的程度。
本發(fā)明提出的混合水泥具有良好的物理力學(xué)性能，完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明將垃圾焚燒飛灰作為混合材生產(chǎn)水泥。對于有害物質(zhì)含量較高的焚燒飛灰先經(jīng)過浸泡洗滌處理，脫除其中絕大多數(shù)重金屬及有害離子。生產(chǎn)出的混合水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，做到變廢為寶。本發(fā)明將環(huán)境廢棄物處置與材料科學(xué)的發(fā)展有機(jī)地溶為一體，是對焚燒飛灰等廢棄物處置利用的突破，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，有廣闊的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式
所用焚燒飛灰取自上海浦東御橋垃圾焚燒廠煙氣除塵器，焚燒飛灰的主要化學(xué)成分波動范圍見表1。
表1焚燒飛灰的主要化學(xué)成分波動范圍(％)名稱 SiO2Fe2O3Al2O3TiO2CaO MgOSO3Cl-f-CaO 燒失量飛灰 22.5- 3.0- 6.2- 0.3-0. 21.3- 2.1-3. 11.0- 8.5-10 0.5- 20.0-26.5 5.0 8.5 9 25.5 2 12.5 .0 1.522.0從表1中可以看出焚燒飛灰中的主要化學(xué)成分也是CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3，與目前常用的高爐礦渣、粉煤灰等水泥混合材料非常接近。
但是焚燒飛灰中又含有較高濃度的重金屬等有害物質(zhì)，其重金屬含量及浸出毒性見表2。
表2焚燒飛灰的浸出毒性金屬名稱 焚燒飛灰浸出液濃度(mg/l)焚燒飛灰中重金屬含量(mg/kg)固體廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)(mg/l)Zn 54.0-59.0 3000-4500 50Pb 24.0-28.0 1200-1850 3.0Cu 5.5-10.5380-68050Cd 1.2-3.5 30.5-43.7 0.3Cr 1.5-4.3 128.0-160.51.5從表2可以看出，焚燒飛灰浸出液中Zn、Pb、Cd、Cr的濃度均高于固體廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)(GB5085.3-1996)，也正是因?yàn)檫@一點(diǎn)使焚燒飛灰被普遍認(rèn)為是一種危險廢物，因此在對其最終利用時必須對其中重金屬等有害物質(zhì)進(jìn)行特別處理。
焚燒飛灰中含有較高濃度易被水浸出的重金屬離子，因此對重金屬含量高的焚燒飛灰可以先進(jìn)行預(yù)處理后利用。我們用不同pH值的溶液對焚燒飛灰進(jìn)行兩次浸泡處理，脫除大部分的重金屬，從而保證焚燒飛灰的安全利用。先用水溶液進(jìn)行浸泡，液固比為100；浸泡6h后過濾，再用pH＝5左右的酸液進(jìn)行浸泡，液固比仍然為100，浸泡6h后過濾，將過濾后的焚燒飛灰進(jìn)行烘干。焚燒飛灰經(jīng)處理后重金屬含量分析結(jié)果見表3。
表3焚燒飛灰中的重金屬含量(mg/kg)重金屬 焚燒飛灰處理前 水溶液浸泡后 PH＝5的酸液浸泡后Zn 含量(mg/kg) 3269 1237.2 215.8去除比例(％)0 62.2％ 93.4％Pb 含量(mg/kg) 1515 1054 74.2去除比例(％)0 30.4％ 95.1％Cu 含量(mg/kg) 563.2 392.60 64.2去除比例(％)0 30.3％ 88.6％Cr 含量(mg/kg) 157 107.511.6去除比例(％)0 31.5％ 92.6％Cd 含量(mg/kg) 36.71 26.296.50去除比例(％)0 28.4％ 82.3％由表3可以看出，經(jīng)過兩次浸泡，焚燒飛灰中絕大多數(shù)重金屬均可以脫除，焚燒飛灰經(jīng)處理后主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表4。
表4焚燒飛灰經(jīng)處理后主要化學(xué)成分(％)名稱 SiO2Fe2O3Al2O3CaOCl-SO3Na2OK2O焚燒飛灰 24.5 4.01 7.42 23.37 10.0 12.03 4.25 4.53水洗后 24.2 3.98 7.15 22.52 1.20 3.381.78 1.31酸洗后 20.9 3.54 6.42 20.51 1.60 4.081.64 1.48從表中可以看出，焚燒飛灰經(jīng)水洗和酸洗后，其主要氧化物SiO2、Fe2O3、Al2O3和CaO的變化并不大，這對于將處理后的焚燒飛灰用作為水泥混合材料是十分有利的。而一些對水泥性能會產(chǎn)生不利影響的成分，如Cl-、SO3、Na2O和K2O等可溶性鹽類則大幅降低。
將處理過的焚燒飛灰按下列比例與硅酸鹽水泥熟料及石膏混合、共同粉磨，焚燒飛灰∶水泥熟料∶石膏＝10-20％∶75-85％∶5％，生產(chǎn)混合水泥，控制水泥細(xì)度約340kg/m2。將制得的混合水泥按普通硅酸鹽水泥國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測。檢測結(jié)果見下表。
表4混合水泥各項(xiàng)性能檢測結(jié)果SO3MgO 安定性 凝結(jié)時間 細(xì)度 燒失量 28d抗壓強(qiáng)度(％) (％) 初凝 終凝 (kg/m2)(％) (MPa)(h∶min) (h∶min)混合水泥 2.73.8 合格 1∶50 2∶43 3402.5 44.9國家標(biāo)準(zhǔn) 3.5＜5.0合格 ≥45min ≤6.5h ＞300 ＜5.0 ≥相應(yīng)的強(qiáng)度等級從表中可以看出，混合水泥具有良好的物理力學(xué)性能，完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)?；旌纤噙€需考察其重金屬浸出情況，這樣才能保證其安全使用。重金屬浸出試驗(yàn)按照《固體廢物浸出毒性浸出方法 水平振蕩法》(GB5086.2-1997)進(jìn)行，濾液用ICP進(jìn)行分析，下表列出了28天齡期的混合水泥硬化漿體中重金屬的浸出情況。
表5混合水泥硬化漿體中重金屬的浸出(mg/l)Zn Pb Cu Cd Cr混合水泥 0.074 0.0520.0240.002 0.089固體廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn) 50 3.0 50 0.31.5從表中可以看出，摻焚燒飛灰的混合水泥中重金屬浸出量很低，說明經(jīng)預(yù)處理后焚燒飛灰在水泥中由于稀釋效應(yīng)、膠凝材料對重金屬的物理包容以及化學(xué)結(jié)合等共同作用，使得重金屬在水泥中得以穩(wěn)定存在，其浸出遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于固體廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)。因此焚燒飛灰作為水泥混合材使用是絕對安全可靠的，產(chǎn)品可以根據(jù)焚燒飛灰的摻量套用普通硅酸鹽水泥或復(fù)合硅酸鹽水泥的國家標(biāo)準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種利用垃圾焚燒飛灰作為混合材生產(chǎn)水泥的方法，其特征在于由垃圾焚燒飛灰、硅酸鹽水泥熟料和石膏混合、粉磨而成，各組份的重量配比如下焚燒飛灰∶水泥熟料∶石膏＝(1-5)∶(15-20)∶1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對于重金屬和有害離子含量高的垃圾焚燒飛灰，采用不同pH值的溶液對其進(jìn)行浸泡洗滌，具體步驟如下先用水溶液浸泡，液固重量比為20-200，浸泡時間4-8小時，過濾；對過濾物再用pH值為4-6的酸液浸泡，液固重量比為20-200，浸泡時間4-8小時，過濾，烘干，即得處理后的焚燒飛灰固體物。
全文摘要
本發(fā)明為一種利用焚燒飛灰作為混合材生產(chǎn)混合水泥的方法，對于焚燒飛灰采用不同pH值的溶液進(jìn)行浸泡洗滌，脫除其中絕大多數(shù)重金屬及有害離子。將處理的焚燒飛灰作為水泥混合材，生產(chǎn)出來的混合水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明把焚燒飛灰變成了一種有用的建設(shè)資源，一方面徹底解決了焚燒飛灰的出路和二次污染問題，另一方面又減少了水泥用量，是對焚燒飛灰等廢棄物處理利用的突破，具有顯著的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益，有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號C04B7/04GK1541969SQ20031010843
公開日2004年11月3日 申請日期2003年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月6日
發(fā)明者施惠生, 袁玲 申請人:同濟(jì)大學(xué)