焚烧飞灰水洗及煅烧制取轻骨料技术研究与应用

摘要：生活垃圾焚烧飞灰是富集重金属和二恶英的危险废物，传统的水泥固化后安全填埋的处理方式成本较高，长期环境风险较大。本研究针对我国生活垃圾焚烧飞灰“高氯”、“高碱”特性，开发了以“水洗脱氯＋高温煅烧”为核心的焚烧飞灰资源化工艺，将焚烧飞灰转化为建筑用轻骨料，建成了示范工程，生产过程及产品各项指标满足国家相关标准要求，总体而言技术经济优势较为显著。
关键词：生活垃圾焚烧飞灰；水洗；煅烧；轻骨料
1引言
随着垃圾焚烧处理技术的飞速发展，焚烧过程中产生的焚烧飞灰量也在急剧增加。按焚烧飞灰产生量为垃圾焚烧量的3%计，2004年全年的焚烧飞灰产生量为21.9万吨；而据专家估计，在“十一五”末期焚烧飞灰产生量将达到每年40-65万吨。
焚烧飞灰上不但富集了Pb、Cd、Hg等低沸点重金属，而且也是二恶英类物质主要富集体，在世界范围内被公认为是一种危害性较大的危险废物。然而，目前我国的生活垃圾焚烧厂大多还没有对焚烧飞灰进行必要的妥善处理，即使进行处理，基本是采用简易的水泥固化和石灰稳定化的方式，但是这些处理方式对重金属稳定化的长期效果并不理想，同时对二恶英类物质的控制作用是很有限的。因此，研究开发适宜的焚烧飞灰无害化资源化处理技术，实现环境效益和经济效益的双重收益，解决中国生活垃圾焚烧飞灰的安全处置问题，是生活垃圾焚烧和危险废物处置中一个关键问题。
烧结技术能够在较低的烧成温度下破坏二恶英，同时将大部分重金属固定在烧结体内，是一种较为有效的垃圾焚烧飞灰热处理方式，具有同时实现焚烧飞灰无害化处理和资源化利用的潜力，这在学术界已经逐渐形成了较为普遍的共识；但是焚烧飞灰烧结技术的研究目前基本都停留在实验室阶段，缺乏对完整工艺的设计与优化，更是鲜有工程应用实绩的报导。
清华大学环境科学与工程系固体废物污染控制及资源化研究所在国家高技术研究发展计划(863计划）《危险废物处理处置技术(2002AA644010)》的支持下，自2002年起针对我国大型垃圾焚烧炉的混合型焚烧飞灰开展锻烧资源化技术研究，开发了焚烧飞灰水洗锻烧资源化处理的技术工艺，实现了焚烧飞灰烧结过程的二次污染控制，并建成焚烧飞灰锻烧资源化技术的示范工程。
2焚烧飞灰煅烧制轻骨料重金属固定效果研究
对不同处理工艺下重金属的迁移转化特性见表1。
表1不同工艺条件下重金属固定效果

结果表明，焚烧飞灰的氯盐含量较高，如果直接进行高温烧结处理，重金属污染物会大量挥发并转移到烟气当中，不利于重金属的控制。在焚烧飞灰中加人添加剂A的烧结处理工艺，虽能有效降低焚烧飞灰的烧结温度，但抑制重金属挥发的作用甚微。水洗预处理能够降低后续烧结过程中重金属的挥发率，但效果并不显著，仍有42.9%的Pb、15.2％的Zn、36.5％的Cd和29.5%的Cu挥发到烟气中。同时，由于焚烧飞灰的高碱性，使得焚烧飞灰在水洗预处理时洗涤液的pH值很高，会造成31%的Pb和3.9%的Zn溶出，对环境造成污染。加添加剂B水洗能够避免重金属的液相溶出，将重金属稳定在水洗灰中；在后续的烧结时各种重金属的固定率都很高，其中易挥发性Pb、Cd的固定率分别为79.9%、76.0%；Cu的固定率达到90.4%；Zn的固定率高达94.5％。此外，烧结体中各种重金属的浸出浓度值远低于毒性浸出鉴别标准。可以看出，添加剂B水洗结合烧结的处理工艺对重金属的全程固定效果最好，实现了焚烧飞灰的稳定化。该工艺操作过程简便、处理成本低，有着良好的应用前景。
3焚烧飞灰煅烧制轻骨料示范工程
3.1处理规模和焚烧飞灰来源及性质
焚烧飞灰烧结资源化示范工程设计处理能力为5.0吨／天，所采用的焚烧飞灰来自杭州某生活垃圾焚烧发电厂，生活垃圾处理能力为300吨／天，采用的炉型为炉排炉，烟气处理设施为“石灰半干法＋活性炭吸附＋布袋除尘器”。
该焚烧飞灰的化学组成、重金属总量及浸出浓度数据分别列于表2、表3及表4。其中主要化学组成采用X射线荧光光谱法(XRF)分析；重金属元素总量采用全量消解的分析结果，消解程序是ASTMD6357-00a测试方法；毒性浸出程序包括EPAT-CLP毒性浸出程序和GB5086.2-1997毒性浸出程序两种。
表2焚烧飞灰的主要化学组成（％）

表3焚烧飞灰中重金属消解总量(mg/g)

表4焚烧飞灰中重金属浸出浓度(mg/L)

焚烧飞灰中二恶英类污染物的实测浓度为16ng/g飞灰，毒性当量为0.25ng-TEQ/g飞灰。
3.2烧工艺与设备
焚烧飞灰烧结资源化示范工程的工艺流程如图1所示。
根据焚烧飞灰烧结示范工程的工艺要求，对关键设备进行了设计、研制和选型，开发了拥有自主知识产权的焚烧飞灰烧结资源化成套处理设备。该示范工程的成套化处理设备，主要由预处理系统、造粒成型系统、烧结炉系统和烟气处理系统这四个系统组成。为了提高整套工艺自动化程度和增强整体工艺的集成化程度，还设计选用了其他辅助设备或辅助系统，包括了自动化控制辅助系统、给排水设施、物料的提升和运输装置等。