城市垃圾焚烧飞灰处理技术及其在水泥生产中资源化利用

日本目前大约有4％灰渣采用熔融法处理，我国也有很多关于熔融技术研究的报道。熔融处理的缺点在于所需能源和费用很高。烧结是在高温作用下，固体颗粒获得扩散能量，将大部分甚至全部气孔从晶体中排除，在低于熔点温度下变成致密坚硬的烧结体并符合材料特性的要求。物料在烧结过程中可以有效地固化各种重金属。欧美发达国家生活垃圾焚烧飞灰中碱金属氯化物含量较低，常将其作为硅酸盐水泥的一部分原料人窑煅烧。垃圾焚烧飞灰经烧结后成为陶瓷状固体，可做混凝土骨料，以及用于路基、堤坝等。
目前，许多国家将飞灰与底渣混合收集共同处理处置，近年来欧美发达国家在此方面的研究主要集中在飞灰固化作为建筑材料方面。对焚烧飞灰固化／稳定化的研究主要集中在改进水泥固化工艺和技术，以及研究高效固化／稳定化药剂和采用稳定化技术代替固化技术。化学稳定化与其它处理方法相比，具有节能、效果好而费用适中的优点，但是，由于是在常温下进行，对二恶英没有分解和破坏效果，因而处理后的飞灰仍应填埋。
日本和韩国等亚洲国家由于生活垃圾中塑料类物质含量较高，焚烧飞灰中氯化物，尤其是碱金属氯化物含量较高，采用水泥或石灰固化时其固化体的强度与浸水持久性较差，其对重金属的阻截仅是由于其强碱性作用的缘故。同时对重金属的长期固定效果差，二恶英很难被消除或稳定化。因此，日本和韩国相关研究主要集中在高温处理，尤其是熔融玻璃化方面。高温处理法虽然处理费用较高，但因其稳定化程度高，品质均匀，可达到无害化、稳定化和资源化的目标，已受到越来越多的关注。特别是利用水泥窑独特的高温环境以及完善的污染控制系统的优势，焚烧灰渣水泥窑处理技术越来越受推崇。
3.3利用水泥窑资源化处理焚烧飞灰技术的发展
3.3.1水泥窑处理焚烧飞灰技术的优势和可行性
水泥窑协同处理危险废物具有独特优势：烧成区煅烧温度高，物料的煅烧温度为1450℃，窑内气体最高温度达2000℃，远远高于焚烧炉的850℃和1200℃，二恶英可被彻底破坏；物料停留时间长，气体在超过1000℃的区域停留时间长达8s，而在焚烧炉中则只有2s；水泥窑中的碱性气氛有利于挥发分在气体阶段进行吸附，对HF、HCl、SO2有很强的中和作用；1450℃时的熟料反应温度可把重金属以化学方式固化到熟料中，而且由于硬化水泥石的致密性，经适当处理，可以有效阻止飞灰中有害物质的溶出；废气的冷却速度快，避免了二恶英与呋喃的重新合成。而且，焚烧飞灰颗粒微细，比表面积大，除少量有害物质和氯、硫、碱含量过高外，主要成分不仅与水泥熟料相近，而且与水泥工业普遍利用的粉煤灰、矿渣等废物差别不大，可以作为原料的一部分得到充分利用，彻底实现资源化而避免进入填埋场。国际公约《巴塞尔公约》、《斯德哥尔摩公约》(中国均是公约国之一)的条文中明确规定：“水泥生产过程中危险物(含废物)的协同处理(系指通过废物代替一次燃料或原料)方法已被认为是对环境无害的处理方法”。
大量研究表明，焚烧飞灰中的重金属浸出和高温挥发可以通过物理化学处理和矿物相的包容设计来进行常温和高温下的晶格和化学稳定，实现重金属的稳定安全处理。用水泥窑煅烧不但可以有效固化重金属，彻底破除二恶英，从而避免纯粹采用煅烧或熔融工艺的高能源消耗，降低焚烧飞灰处理费用，同时替代日益短缺的水泥工业原材料。目前我国的水泥产量已超过10亿t，如果以每吨水泥吸纳和处理0.05t(即5％)飞灰计算，则水泥工业每年可以处理500万t焚烧飞灰。当然不是所有的水泥厂都可以利用或有条件处理焚烧飞灰，但只要有10％的水泥厂有条件或可以利用，在目前就可以彻底消除垃圾焚烧飞灰，实现垃圾焚烧飞灰的资源化和无害化安全处置。水泥生产协同处理焚烧飞灰可以因地制宜，就地处理利用，避免长途运输的高额运输费用以及可能引起的二次污染，因此这种技术在我国具有较大优势，是将来我国焚烧飞灰处理技术的重要发展方向之一。
3.3.2国内外相关技术的发展现状
国际上于20世纪70年代开始研究利用水泥窑处置工业废物，首次试验于1974年在加拿大的Lawrence水泥厂进行，随后美国的Peerless、Lonestar等十多家水泥厂先后进行了试验，通过试验证实水泥窑焚烧废溶剂、废油等可燃性废物不但节约了能源，且对环境、水泥的质量无影响。目前，美国大部分水泥厂使用液体的可燃性废料，而且他们正逐步趋向于使用污泥和固体废料。欧洲联合会自1994年开始利用回转窑焚烧危险废物，1996年，瑞士的HCB Rekingen水泥厂成为世界上第一个具有利用、处置废物的环境管理系统的水泥厂。Nordic公司在它的Slite水泥厂采用了“废橡胶、废塑料为二次燃料，以替代部分煤粉”。1997年日本秩父小野田公司以城市垃圾焚烧飞灰和下水道污泥等为主要原料(原料中城市垃圾焚烧飞灰占20％～30％)生产出了高强度水泥，并建成了世界上第一座生态水泥厂，2001年日本太平洋水泥株式会社建成了世界上第一条利用垃圾焚烧飞灰生产普通硅酸盐水泥生产线。台湾“中央大学”利用垃圾焚烧飞灰制成炉渣，这种炉渣经激发具有火山灰活性，再用炉灰和炉渣生产出生态水泥。还有一些发达国家将水泥厂和垃圾处理厂联合起来，既能生产水泥，又处理垃圾，回收能源的同时保护了环境，收到了很好的经济效益和社会效益。