專利名稱：一種資源化利用城市垃圾焚燒飛灰的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新材料技術(shù)、環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，涉及城市垃圾焚燒飛灰處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的迅速提高，我國城市化進(jìn)程不斷加快，城市固體廢棄物產(chǎn)生量也急劇增加，呈指數(shù)級增長。2002年我國城市垃圾已達(dá)1.5億t以上，并以每年8％～10％的增長率不斷增加。急劇增加的城市廢棄物的排放已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，對人類生存的自然環(huán)境也構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅和影響，如何經(jīng)濟(jì)有效地治理這些垃圾，防止污染，也日益成為全社會(huì)所關(guān)注的迫切需要解決的環(huán)境熱點(diǎn)問題。焚燒法處理固體廢棄物尤其是城市生活垃圾因其高效快捷、減容顯著、能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)在全世界范圍得到廣泛的應(yīng)用，我國的一些大城市近年也已建了不少垃圾焚燒爐。由于垃圾焚燒技術(shù)具備減量化、無害化、便捷高效等優(yōu)勢，預(yù)計(jì)垃圾焚燒將成為城市垃圾的主要處理方式之一。
然而，城市垃圾焚燒后將產(chǎn)生大量的飛灰，隨著垃圾焚燒處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，焚燒飛灰的產(chǎn)生量也迅速增加。目前，上海2座年處理30萬噸的垃圾焚燒廠已投入運(yùn)行，按國外垃圾焚燒廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，60萬噸垃圾焚燒后每年將產(chǎn)生近2萬噸飛灰。據(jù)預(yù)測，上海未來5年垃圾焚燒飛灰的年產(chǎn)生量將逐步增加到8萬噸，全國的垃圾焚燒飛灰產(chǎn)生量將可能超過30萬噸。垃圾焚燒飛灰由于富集了有害的Pb、Zn、Cr等重金屬以及二惡英類的高毒性當(dāng)量被普遍認(rèn)為是一種危險(xiǎn)廢物，我國現(xiàn)行的環(huán)境保護(hù)法規(guī)要求垃圾焚燒飛灰在最終處置前必須進(jìn)行特殊處理。因此，開發(fā)適宜的焚燒飛灰處置利用技術(shù)已成為近年來環(huán)保領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。
當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展面臨著人口膨脹、資源短缺、環(huán)境惡化三大問題，自然資源耗竭和貧化已逐漸成為阻礙經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定、高速發(fā)展的主要因素之一。大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和清潔生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的良性循環(huán)，為子孫后代留下充足的發(fā)展條件和發(fā)展空間。樹立全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展觀，重塑一個(gè)資源消耗低、環(huán)境污染少、經(jīng)濟(jì)效益好的國民經(jīng)濟(jì)體系，為建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)奠定基礎(chǔ)。因此，資源化利用垃圾焚燒飛灰是各種固體廢棄物處理技術(shù)中最關(guān)鍵、也是最重要的。
對垃圾焚燒飛灰利用的有效方法是采取高溫處理，包括熔融和燒結(jié)兩種方式，利用高溫環(huán)境可以對焚燒飛灰中的二惡英類進(jìn)行徹底分解破壞，二惡英類在高溫下的分解率可高達(dá)99.9％，熔融可將重金屬固化在網(wǎng)格中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化目的，玻璃態(tài)熔渣可以作為建筑材料達(dá)到資源化利用。熔融處理的缺點(diǎn)在于所需能源和費(fèi)用很高，而且在熔融過程中氯、硫等揮發(fā)性有害物質(zhì)幾乎是全部排放出去了，若沒有行之有效的回收措施必然會(huì)造成嚴(yán)重的二次環(huán)境污染。燒結(jié)是在高溫作用下，固體顆粒獲得擴(kuò)散能量，將大部分甚至全部氣孔從晶體中排除，在低于熔點(diǎn)溫度下變成致密堅(jiān)硬的燒結(jié)體并符合材料特性的要求；物料的燒結(jié)溫度范圍通常顯著低于其熔融溫度。在無機(jī)非金屬材料工業(yè)中，燒結(jié)是生產(chǎn)除玻璃外的陶瓷、水泥、耐火材料等大部分工業(yè)產(chǎn)品的重要手段。物料在燒結(jié)過程中可以有效地固化各種重金屬，很多陶瓷產(chǎn)品和彩色水泥熟料的生產(chǎn)中為了達(dá)到色彩要求、結(jié)構(gòu)致密等目的都會(huì)有意識地加入一些重金屬；燒結(jié)還可以大幅度地降低煅燒溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種資源化利用城市垃圾焚燒飛灰燒制含氯、硫水泥熟料的方法。
本發(fā)明是的技術(shù)方案是一種資源化利用城市垃圾焚燒飛灰的方法，以城市垃圾焚燒飛灰作為原料，燒制含氯、硫水泥熟料。
進(jìn)一步，在燒制含氯、硫水泥熟料的過程中，用CaO吸收城市垃圾焚燒飛灰中的氯、硫。
所述的含氯、硫水泥熟料的燒成溫度低于普通硅酸鹽水泥熟料的燒成溫度。
所述的含氯、硫水泥熟料的燒成溫度在1000-1300℃之間。
所述的含氯、硫水泥熟料中的主要礦物包括阿里尼特、硅酸二鈣、無水硫鋁酸鈣、氯鋁酸鈣、鐵酸鈣及少量的硅酸三鈣。
在含氯、硫水泥熟料燒成過程中，城市垃圾焚燒飛灰中的重金屬被水泥熟料礦物結(jié)合進(jìn)去并穩(wěn)定存在。
所述的城市垃圾焚燒飛灰中的重金屬包括Zn、As、Co、Cr、Cd、Pb、Cu、Ni等。
所述的城市垃圾焚燒飛灰中的重金屬在水泥中的固化率為70-99％。
所述的含氯、硫水泥中的重金屬的浸出量遠(yuǎn)低于固體廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)GB5085.3-1996。
以垃圾焚燒飛灰作為水泥原料，輔以粉煤灰等其它廢棄物進(jìn)行原材料的組成調(diào)整，在1000℃-1300℃溫度下燒制以阿利尼特(AliniteC21S6A·CaCl2)、無水硫鋁酸鈣(3CaO·3Al2O3·CaSO4)等含氯、硫熟料礦物及硅酸二鈣(Ca2S)為主的新型含氯、硫水泥，并確保其安全使用。
由于我國居民的生活習(xí)慣所造成的生活垃圾焚燒飛灰中普遍存在氯、硫等含量高的特點(diǎn)，垃圾焚燒飛灰大量直接入水泥窯燒制普通硅酸鹽水泥熟料必然會(huì)帶來嚴(yán)重的燒成系統(tǒng)窯尾結(jié)皮、堵塞等工藝問題，導(dǎo)致水泥窯無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，本發(fā)明擬資源化利用垃圾焚燒飛灰，并輔以粉煤灰等其他固體廢棄物進(jìn)行原材料的組成調(diào)整，在遠(yuǎn)低于硅酸鹽水泥熟料燒成溫度的條件下，利用CaO吸收垃圾焚燒飛灰中的氯、硫等燒結(jié)研制以阿利尼特(AliniteC21S6A·CaCl2)、無水硫鋁酸鈣(3CaO·3Al2O3·CaSO4)等含氯、硫熟料礦物及硅酸二鈣(Ca2S)為主的新型含氯、硫水泥。
本發(fā)明的方法的一個(gè)重要的技術(shù)特征是，含氯、硫水泥的煅燒溫度遠(yuǎn)低于硅酸鹽水泥熟料燒成溫度，優(yōu)選1000℃-1300℃之間。在較低溫度下煅燒的好處是可以顯著地減少氯、硫等的揮發(fā)及其引起的二次環(huán)境污染。
通過本發(fā)明的方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)城市垃圾焚燒飛灰的全部資源化利用，同時(shí)可有效地固化垃圾焚燒飛灰中重金屬并減少氯、硫等揮發(fā)造成的二次環(huán)境污染，真正做到了變廢為寶。這一發(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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
由于城市垃圾焚燒灰渣中其爐渣基本上不含重金屬及其他有害物質(zhì)，不屬危險(xiǎn)廢棄物，作為水泥原料使用時(shí)一般不存在技術(shù)問題，故本專利將不作詳細(xì)介紹。只有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(xiǎn)廢棄物。本發(fā)明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(dòng)范圍見表1。
表1 焚燒飛灰的主要化學(xué)成分波動(dòng)范圍(％)

從表1中可以看出焚燒飛灰中的主要化學(xué)成分是CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3，都是含氯、硫水泥原料中的必需組分，應(yīng)該是可以利用的。而且，從表1還可知，垃圾焚燒飛灰中SO3、Cl-等含量很高，這是由于我國居民的生活習(xí)慣所造成的，我國生活垃圾焚燒飛灰中普遍存在氯、硫等含量高的特點(diǎn)，這樣的垃圾焚燒飛灰直接入水泥窯在高溫下燒制普通硅酸鹽水泥熟料必然會(huì)帶來嚴(yán)重的燒成系統(tǒng)窯尾結(jié)皮、堵塞等工藝問題，導(dǎo)致水泥窯無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此只有在較低溫度下煅燒才能減少氯、硫等的揮發(fā)及其引起的二次環(huán)境污染。焚燒飛灰中還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

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(xiǎn)廢物，使得對其的利用增加了難度。
焚燒飛灰作為新型含氯、硫水泥原料之一與粉煤灰等其它廢棄物及石灰石混合后制成的水泥熟料的主要礦物是阿里尼特(C21S6A·CaCl2)、硅酸二鈣(C2S)、無水硫鋁酸鈣(3CaO·3Al2O3·CaSO4)、氯鋁酸鈣(C11A7·CaCl2)、鐵酸鈣(C2F或含鐵相的固熔體)等，其組成范圍變化較大(見表3)，有時(shí)也可形成少量的硅酸三鈣(C3S)及其它在普通硅酸鹽水泥熟料中被認(rèn)為是過渡性礦物的含氯、硫的熟料礦物，這取決于水泥熟料的成分設(shè)計(jì)和熟料的煅燒溫度，與水泥生料中垃圾焚燒飛灰的摻量及其中氯、硫的含量也有很大關(guān)系。
表3 含氯、硫水泥熟料的主要礦物組成范圍(％)

根據(jù)水泥生料成分的不同，新型含氯、硫水泥熟料的燒成溫度變化也很大，在通常情況下，其熟料燒成溫度區(qū)間為1000℃-1300℃。
將摻加垃圾焚燒飛灰的水泥生料煅燒成水泥熟料后進(jìn)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Zn、As、Co、Cr、Cd、Pb、Cu和Ni等雖然分布狀態(tài)各異，但大部分都已結(jié)合在熟料主要礦物中。對各種重金屬元素在水泥熟料中的固化率進(jìn)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 重金屬在新型含氯、硫水泥熟料礦物中的固化率(％)

表5是利用垃圾焚燒飛灰燒制的新型含氯、硫水泥熟料的物理性能試驗(yàn)結(jié)果，從表5可以看出，利用垃圾焚燒飛灰配制的新型含氯、硫水泥熟料的物理性能很好，具有早強(qiáng)、高強(qiáng)的特點(diǎn)。通過對這種水泥熟料摻加適當(dāng)?shù)幕旌喜暮笸耆梢灾苽涑珊细竦乃?，用于某些特殊工程?br> 表5 利用垃圾焚燒飛灰燒制的新型含氯、硫水泥熟料的物理性能

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，濾液采用ICP方法分析重金屬離子。表6記錄的是利用垃圾焚燒飛灰作為水泥原材料燒成的新型含氯、硫水泥熟料在其水化28天時(shí)水化漿體的重金屬的浸出量與利用天然原材料生產(chǎn)的商品普通硅酸鹽水泥熟料的對比。
表6 新型含氯、硫水泥熟料硬化漿體的重金屬浸出量(ppm)

從表6中可以看出，利用垃圾焚燒飛灰燒制的新型含氯、硫水泥熟料的重金屬的浸出量很低，說明焚燒飛灰中的重金屬在水泥熟料燒成過程中確實(shí)已經(jīng)基本上被水泥熟料礦物結(jié)合進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于表7所示的固體廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)(GB5085.3-1996)，表明利用垃圾焚燒飛灰作為水泥原料使用是安全可靠的。
表7 有色金屬工業(yè)固體廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值

本發(fā)明利用城市垃圾焚燒飛灰燒制新型含氯、硫水泥熟料，從而把垃圾焚燒飛灰變成了一種有用的建設(shè)資源。一方面徹底解決了垃圾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，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(huì)、經(jīng)濟(jì)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(yuǎn)的影響。
具體實(shí)施例方式
焚燒飛灰作為新型含氯、硫水泥原料之一與粉煤灰等其它廢棄物及石灰石混合后制成的水泥熟料的主要礦物組成范圍變化較大，這取決于水泥原料的成分和熟料成分的設(shè)計(jì)，與垃圾焚燒飛灰的成分和摻量以及熟料的煅燒工藝制度也有很大關(guān)系。對于實(shí)例如下采用石灰石、垃圾焚燒飛灰、粉煤灰和鋼渣配制成水泥生料，其組成如下CaO 48-62％SiO213-19％
Al2O39-16％Fe2O334-12％MgO 2-8％Cl-13-9％SO34-12％將配制好的生料磨細(xì)至普通硅酸鹽水泥生料相同的細(xì)度后在不同溫度下煅燒，冷卻后磨細(xì)至比表面積為400kg/m2左右的水泥。熟料的燒成溫度及性能見下表。
含氯、硫水泥熟料試驗(yàn)實(shí)例的燒成制度

含氯、硫水泥熟料試驗(yàn)實(shí)例的強(qiáng)度性能

上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種資源化利用城市垃圾焚燒飛灰的方法，其特征在于以城市垃圾焚燒飛灰作為原料，燒制含氯、硫水泥熟料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的資源化利用城市垃圾焚燒飛灰的方法，其特征在于在燒制含氯、硫水泥熟料的過程中，用CaO吸收城市垃圾焚燒飛灰中的氯、硫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的資源化利用城市垃圾焚燒飛灰的方法，其特征在于所述的含氯、硫水泥熟料的燒成溫度低于普通硅酸鹽水泥熟料的燒成溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的資源化利用城市垃圾焚燒飛灰的方法，其特征在于所述的含氯、硫水泥熟料的燒成溫度在1000-1300℃之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的資源化利用城市垃圾焚燒飛灰的方法，其特征在于所述的含氯、硫水泥熟料中的主要礦物包括阿里尼特、硅酸二鈣、無水硫鋁酸鈣、氯鋁酸鈣、鐵酸鈣及少量的硅酸三鈣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的資源化利用城市垃圾焚燒飛灰的方法，其特征在于在含氯、硫水泥熟料燒成過程中，城市垃圾焚燒飛灰中的重金屬被水泥熟料礦物結(jié)合進(jìn)去并穩(wěn)定存在。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的資源化利用城市垃圾焚燒飛灰的方法，其特征在于所述的城市垃圾焚燒飛灰中的重金屬包括Zn、As、Co、Cr、Cd、Pb、Cu、Ni等。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的資源化利用城市垃圾焚燒飛灰的方法，其特征在于所述的城市垃圾焚燒飛灰中的重金屬在水泥中的固化率為70-99％。
9.根據(jù)以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的資源化利用城市垃圾焚燒飛灰的方法，其特征在于所述的含氯、硫水泥中的重金屬的浸出量遠(yuǎn)低于固體廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)GB5085.3-1996.
全文摘要
本發(fā)明提供一種資源化利用城市垃圾焚燒飛灰燒制含氯、硫水泥熟料的方法。利用城市垃圾焚燒飛灰燒制含氯、硫水泥熟料，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；所述的含氯、硫水泥熟料的燒成溫度在1000－1300℃之間；同時(shí)還可以減少氯、硫等的揮發(fā)及其造成的二次環(huán)境污染。本發(fā)明具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號C04B7/28GK1868955SQ20051002615
公開日2006年11月29日 申請日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月25日
發(fā)明者施惠生 申請人:同濟(jì)大學(xué)