城市生活垃圾直接气化熔融过程中熔融灰渣与粉煤灰资源化特性及应用前景之比较

摘要：城市生活垃圾和粉煤灰都属于固体废物，即占用土地，又污染环境，本文比较了城市生活垃圾直接气化熔融过程中熔融灰渣和粉煤灰的物理化学性质，及其在国内外的资源化利用现状，并对熔融灰渣和粉煤灰的综合利用前景作了展望。

1 前言

随着科学技术的发展和社会的进步，世界经济飞速发展，文化空前繁荣。但由于忽视了经济社会对自然生态系统的反作用，不适当的工业化，不仅造成大量资源浪费，能源紧缺，而且使城市人口迅速膨胀，工业固体废物和城市生活垃圾急剧增加，不可再生的矿产资源日趋枯竭，环境严重恶化。如何通过工艺技术的革新使固体废物循环再利用，真正实现“变废为宝”的愿望，仍然是摆在全世界人民和各国政府面前的共同课题。

城市生活垃圾直接气化熔融技术是新一代的生活垃圾焚烧工艺，通过将生活垃圾中的有机成分气化和无机成分熔融结合在一起，得到可燃气体的同时回收金属，该技术的最大特点是二恶英、重金属等二次污染物的排放值降至最低，接近零排放，熔融灰渣是生活垃圾直接气化熔融过程中的固体残留物，由于它不易浸出重金属，基本不含二恶英并且稳定性好，可以做建材原料使用［l ］。

粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山灰质混合材料，主要产生于燃煤电厂和各种燃煤锅炉，煤粉经燃烧后颗粒变小，孔隙率提高，比表面积增大，活性程度和吸附能力增强，电阻值加大，耐磨强度变高，三维压缩系数和渗透系数变小。粉煤灰有着良好的物理、化学性能和利用的价值，因而成为一种“二次资源”。目前，粉煤灰已广泛应用于建筑、桥梁、公路等工程施工中。

我国从上世纪50 年代就开始粉煤灰综合利用方面的研究［2 ] ，粉煤灰利用率总体呈上升趋势，例如上海、南京等地的粉煤灰利用率已超过100 % ，利用主要集中于建筑材料领域。与粉煤灰相比我国熔融灰渣的资源化利用还处于实验室研究阶段。但从长远来看，由于我国人口总量巨大，城市生活垃圾产量逐年增加，填埋和传统的垃圾焚烧处理方式已经不能适应经济快速发展的需要。城市生活垃圾直接气化熔融焚烧技术将是未来的发展方向。利用固体废物资源，防治污染，保护环境是一项长期的利国利民系统工程，也符合“无害化”、“减量化”、“资源化”的既定目标，是我国建设资源节约型社会，保持国民经济持续快速增长的迫切要求。

2 熔融灰渣和粉煤灰的理化特性比较

2.1 熔融灰渣的性质

熔融灰渣经水淬后的形状通常是不规整的、带棱角的蜂窝状颗粒，表面多为玻璃质，水淬后的熔融灰渣中71 ％是沙子大小（0.074～5mm）的颗粒，27 ％是砾石大小的（大于5mm）的颗粒，2 ％是煤粉大小（小于0.074 mm）的颗粒。其形貌如图1 所示，熔融渣的成分分析见表1 , 从中可以看出熔融灰渣的成分主要以SiO2 、A12O3 、CaO 和Fe2O3为主，也包括微量存在钠盐和钾盐等其他成分［l ］。由于熔融灰渣具有结构致密、强度高、稳定性好、不含可燃成分等优点，为今后进一步回收再利用了奠定了坚实的基础。

表1 一种熔融灰渣的化学成分（% )

熔融灰渣属玻璃体渣，灰渣在熔融状态时呈现玻璃体液滴。大部分熔点高的重金属如Si 、Al 、Ca 、Fe 、Mg 、Sn 、P 、Mn 和Cr 等基本上富集到渣中，而熔点较低的重金属如Cd 、Pb 、Na 、K 和B 等由于熔融焚烧温度高于1300 ℃ 大部分气化挥发。由于熔融灰渣为玻璃体相，其中的重金属被包围在玻璃体中，固溶在硅酸盐网状基体中，所以不易被酸碱浸出。城市生活垃圾熔融灰渣重金属浸出实验结果如表2 所示

表2 城市生活垃圾熔融灰渣浸出结果（mg/L）

熔融灰渣中含有一定量的二恶英（PCDDs /PCDFs ) ，二恶英在高于1000 ℃ 的条件下已被彻底分解，熔融处理过程中二恶英（PCDDs /PCDFs）的分解率达到99.93 % ，毒性当量（TEQ ) 降低了99.94 ％。，接近零排放。

基于上述特点，熔融灰渣完全可以作为优良的建筑材料回收再利用。

2.2 粉煤灰的性质

粉煤灰是一种高度分散的微细颗粒集合体，在干燥状态时呈灰色或灰白色，无粘结性，含水量大的粉煤灰呈灰黑色［2. 3.4.5.6 ］由于表面张力作用，粉煤灰颗粒大部分为空心微珠；微珠表面凹凸不平，极不均匀，微孔较小；一部分因在熔融状态下互相碰撞而连接，成为粗糙表面，棱角较多的蜂窝状粒子，颗粒粒径集中在10～l000μm 之间，约占85 ％以上［7 ］。粉煤灰形貌如图2 示。

粉煤灰松散密度在445 ～680 kg / m3 范围内，比表面积在221～586m2 / kg 之间。由于粉煤灰的多孔结构、球形粒径的特性．在松散状态下具有良好的渗透性。其渗透系数比粘性土的渗透系数大数百倍。粉煤灰在外荷载作用下具有一定的压缩性。同比粘性土其压缩变形要小的多［3 .l0］

粉煤灰以玻璃质微珠为主（如图3 所示），其次为结晶相，主要结晶相为莫来石、磁铁矿、赤铁矿、石英、方解石等，玻璃相是粉煤灰的主要结晶相［4 ］。