專利名稱：利用城市垃圾焚燒灰渣燒制生態(tài)水泥熟料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用城市垃圾焚燒灰渣燒制生態(tài)水泥熟料的方法。
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)濟發(fā)展的重要因素。如何經(jīng)濟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，殘渣的量約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)。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，使固化的費用急劇增加而失去價廉的優(yōu)勢，同時也給后續(xù)的運輸與處理帶來困難；(2)水泥固化基質(zhì)體的高孔隙率和高滲透性；(3)固化體的強度非常低(28d的強度僅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)成分與水泥非常接近，均屬CaO-SiO2-Al2O3(Fe2O3)體系，所以焚燒飛灰既有污染性，又有資源利用性。國內(nèi)外對焚燒飛灰的處置著重于無害化處理，而對其所具有的資源性卻未能充分利用。國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻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，垃圾處理量達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，若未對其進行適當(dāng)?shù)奶幚砗屠枚苯佣阎煤蛢A倒，不僅會浪費資源，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，成為本發(fā)明的主要目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用城市垃圾焚燒飛灰作為原料燒制生態(tài)水泥熟料的方法。利用垃圾焚燒廠產(chǎn)生的焚燒飛灰取代部分水泥原料，制成水泥生料，燒制硅酸鹽水泥熟料，并確保其安全使用。
為達上述目的，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種利用城市垃圾焚燒飛灰作為原料燒制生態(tài)水泥熟料的方法，利用城市垃圾焚燒后產(chǎn)生的飛灰作為水泥原料之一，與常用的天然水泥原料混合配制成水泥生料燒制成水泥熟料，其中所述飛灰在所述混合配制的水泥生料中的比例為0.01％至50％，燒結(jié)的溫度為1300℃至1500℃。
較佳的，所述飛灰在所述混合配制的水泥生料中所占的比例為15％至30％，水泥熟料的燒成溫度為1350℃至1450℃。
本發(fā)明的有益效果是，變廢為寶，將焚燒飛灰作為水泥原料再生利用，一方面徹底解決了焚燒飛灰的出路問題，另一方面又減少了水泥工業(yè)對天然原料的需求量，并且可以有效地改善水泥生料的易燒性，降低水泥熟料的煅燒溫度。而且水泥熟料對各重金屬元素的固化作用是非常有效的，各重金屬元素的絕大部分均已固化在水泥熟料的礦物相中。
具體實施例方式
垃圾焚燒飛灰富含重金屬物質(zhì)和有害的揮發(fā)性成分(見表2)，屬于危險廢棄物。本所用垃圾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(％)


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，都是水泥原料中的必需組分，應(yīng)該是可以利用的。
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 54.0-59.03000-4500 ≤50Pb 24.0-28.01200-1850 ≤3.0Cu 5.5-10.5 380-680 ≤50Cd 1.2-3.5 30.5-43.7 ≤0.3Cr 1.5-4.3 128.0-160.5 ≤1.5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)，也正是因為這一點使焚燒飛灰被普遍認(rèn)為是一種危險廢物，使得對其的利用增加了難度，目前國內(nèi)普遍采取填埋處理。
表3是將焚燒飛灰作為水泥原料之一與常用的天然水泥原料混合配制的水泥生料的易燒性試驗結(jié)果。表3中水泥熟料的各個率值控制在KH＝0.9+0.02，IM＝1.6+0.1，SM＝2.5+0.1的范圍內(nèi)。從表3可見，垃圾焚燒飛灰取代部分水泥天然原料可以有效地改善水泥生料的易燒性。若在相同生產(chǎn)條件下則可以降低水泥熟料的燒成溫度，減少燃料消耗和環(huán)境污染。
表3垃圾焚燒飛灰摻量對水泥生料易燒性影響垃圾焚燒飛灰摻量1300℃ 1350℃ 1400℃ 1450℃0％ 24.8013.203.12 1.5210％19.8410.482.74 1.4420％12.805.36 2.48 1.2030％10.323.92 1.20 0.5640％8.88 2.27 0.56 0.4050％7.69 1.98 0.43 0.24將摻加垃圾焚燒飛灰的水泥生料煅燒成水泥熟料后進行的微觀分析結(jié)果表明，由于摻入廢棄物而帶入的重金屬元素在熟料主要礦物中的分布如下Zn主要存在于熟料的中間礦物中；As、Co、Cu和Ni大部分存在于熟料的中間礦物相中，但在C3S和C2S中也有存在；Cd和Pb則是比較均勻地分布在熟料主要礦物中；Cr大部分進入了水泥熟料礦物中。同時對各種重金屬元素在水泥熟料中的固化率進行測試，可以得到它們的固化率(見表4)。從表4可見，水泥熟料對各重金屬元素的固化作用是非常有效的，各重金屬元素的絕大部分均已固化在水泥熟料的礦物相中了。
表4重金屬在水泥熟料礦物中的固化率(％)

表5摻垃圾灰燒制的水泥熟料的物理性能示例

表5表明，利用垃圾焚燒飛灰配制的水泥熟料的物理性能很好，其各項性能都優(yōu)于對照試驗用的沒有摻加垃圾焚燒飛灰而全部用天然原料配制的水泥熟料。
重金屬浸出試驗按照《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》(GB5086.2-1997)進行，濾液采用ICP方法分析重金屬離子。表6記錄的是將垃圾灰作為水泥原材料使用，和其他原材料一起混合、燒成水泥熟料后，在其水化28天時水化漿體的重金屬的浸出量。
表6水泥熟料硬化漿體的重金屬浸出量(ppm)試樣類別 ZnPb CuCdCr Ni FeHg生料中不摻垃圾灰的水泥熟料0.0589未檢測到0.00560.0091 0.36270.0053 0.0667未檢測到生料中摻40％垃圾灰的水泥熟0.02030.0018 0.0063未檢測 0.46500.0279 0.0189未檢料 到 測到從表6中可以看出，即使摻40％焚燒飛灰的水泥熟料的重金屬的浸出量仍很低，說明焚燒飛灰中的重金屬在水泥熟料燒成過程中確實已經(jīng)基本上被水泥熟料礦物結(jié)合進去，即使少量游離的重金屬在水泥水化過程中也由于水泥漿體中膠凝材料及其水化產(chǎn)物對重金屬的物理包容以及化學(xué)結(jié)合等共同作用，使得重金屬在水泥水化體系中得以穩(wěn)定存在，其浸出遠遠低于固體廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)(GB5085.3-1996)。因此焚燒飛灰作為水泥原料使用是安全可靠的。
本發(fā)明提供一種新型安全利用焚燒飛灰燒制生態(tài)水泥熟料的模式。利用焚燒飛灰燒制水泥熟料，可以有效地將垃圾焚燒飛灰中的重金屬物質(zhì)結(jié)合在水泥熟料礦物中，并能保證焚燒飛灰中重金屬不易從水化體系中浸出，從而確保其安全使用。生產(chǎn)中可以根據(jù)工廠技術(shù)條件及當(dāng)?shù)靥烊辉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，水泥熟料的率值控制在表7所示的范圍內(nèi)，都可以燒制出符合國家標(biāo)準(zhǔn)的硅酸鹽水泥熟料。
表7利用垃圾焚燒飛灰燒制水泥熟料的率值控制范圍

本發(fā)明利用焚燒飛灰燒制出符合國家標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量的生態(tài)水泥熟料，從而把目前難于處置的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問題，另一方面又減少了水泥工業(yè)對天然原料的需求量，而且能有效地降低水泥熟料的燒成溫度，是對焚燒飛灰等廢棄物處置利用的突破，是土木工程材料和環(huán)境科學(xué)可持續(xù)發(fā)展的重大需求，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。本發(fā)明必將產(chǎn)生顯著的社會、經(jīng)濟效益，對我國水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和人類生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展和資源的合理利用產(chǎn)生深遠的影響。
權(quán)利要求
1.一種利用城市垃圾焚燒灰渣燒制生態(tài)水泥熟料的方法，其特征在于將城市垃圾焚燒后產(chǎn)生的飛灰作為水泥原料之一，與常用的天然水泥原料混合配制成水泥生料燒制成水泥熟料，所述飛灰在所述混合配制的水泥生料中所占的比例為0.01％至50％，水泥熟料的燒成溫度為1300℃至1500℃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用城市垃圾焚燒灰渣燒制生態(tài)水泥熟料的方法，其特征在于所述飛灰在所述混合配制的水泥生料中所占的比例為15％至30％，水泥熟料的燒成溫度為1350℃至1450℃。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用城市垃圾焚燒灰渣燒制生態(tài)水泥熟料的方法。利用城市垃圾焚燒后產(chǎn)生的飛灰作為水泥原料之一，與常用的天然水泥原料混合配制成水泥生料燒制成水泥熟料，其中所述飛灰在所述混合配制的水泥生料中的比例為0.01％至50％，燒結(jié)的溫度為1300℃至1500℃。本發(fā)明變廢為寶，將焚燒飛灰作為水泥原料再生利用，一方面徹底解決了焚燒飛灰的出路問題，另一方面又減少了水泥工業(yè)對天然原料的需求量，并且可以有效地改善水泥生料的易燒性，降低水泥熟料的煅燒溫度，而且水泥熟料對各重金屬元素的固化作用是非常有效的，各重金屬元素的絕大部分均已固化在水泥熟料的礦物相中。
文檔編號C04B7/28GK1663925SQ20041001674
公開日2005年9月7日 申請日期2004年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月5日
發(fā)明者施惠生 申請人:同濟大學(xué)