城市生活垃圾焚烧灰渣的特征

摘要：以大型城市生活垃圾焚烧炉的灰渣为研究对象，对其表观特征、化学成分、晶相等特性进行了详细分析。结果表明：城市生活垃圾焚烧过程中沸点温度较高的、难挥发的元素在底灰和炉排灰中分布较多，而易挥发的元素则在飞灰中分布较多。垃圾焚烧固体残余物中含有某些有害物质，直接填埋或利用之前，必须进行无害化处理。焚烧炉的炉排灰和底灰中含有大量的六方晶系的α-SiO2。飞灰中存在大量的NaCl和KCl。飞灰中四方晶系的SiO2作为一种高温凝结产物而形成。
关键词：城市生活垃圾；焚烧；灰渣；特征；重金属；飞灰
随着城市生活垃圾焚烧方式的普遍采用，焚烧产生的灰渣的数量也日益增加。研究表明[1～4]，在焚烧过程，城市垃圾中的部分有害组分会转入到灰渣中，对土壤和水体造成潜在的污染。城市生活垃圾焚烧灰渣的物化特性与诸多因素相关[5，6]，在对灰渣进行安全处置或资源化利用之前，必须对其特性进行详尽的分析。
本文以一台国内大型城市生活垃圾焚烧炉（马丁炉）的灰渣为研究对象，对焚烧灰渣的表观特征、颗粒尺寸分布、化学成分、形貌、晶相等特性进行了详细分析。上述特征分析的结果，对于城市生活垃圾焚烧灰渣的无害化处理及资源化利用具有较高的参考价值。
1实验样品与实验方法
1.1实验样品
本文所研究的试验对象是一台国内典型城市生活垃圾焚烧炉所产生的灰渣，其中包括炉排灰、飞灰和底灰。该焚烧炉日处理城市生活垃圾150t，采用马丁逆向往复炉排燃烧方式，主燃室燃烧温度800℃左右，二燃室焚烧温度达1100℃。焚烧炉的炉排灰取自炉排落灰斗，飞灰取自静电除尘器下收集灰，底灰取自于炉渣的排出口。
1.2实验样品的预处理
在实验前，去除掉底灰和炉排灰中明显可见的大块未燃烧的布和塑料袋以及不可燃的金属制品和建筑材料等，再在干燥箱中于55℃下干燥24h。将干燥后的灰渣进行研磨（飞灰除外），并通过80目（180μm）的筛子，取其中的筛下物放入干燥器中备用。
1.3分析方法
实验样品的灰成分分析采用X射线荧光光谱仪（XRF）。所采用的激发条件为Rh靶，激发电压为50kV，激发电流为50mA。室温为25℃，湿度为60%。
实验样品中的重金属成分采用电感耦合等离子体2原子发射光谱仪（ICP2AES）进行测量（Hg除外），其中Cr，Cu，Cd，Pb，Zn和Ni等用HF/HClO4/HNO3进行消解，As用HCl进行消解。Hg用HNO3/H2SO4/H2O2进行消解，然后用冷原子荧光测汞仪进行分析。
采用X射线衍射仪（XRD）对实验样品进行晶相分析，采用Co靶辐射，波长0.179025nm，入射狭缝1°，接受狭缝为0.6°，防散射狭缝1°，管压为32.5kV，管流30mA。
2结果与讨论
2.1灰成分分析
表1为实验样品的灰成分分析结果。从表1可以看出，沸点温度较高的、难挥发的元素在底灰和炉排灰中分布较多，容易在底灰和炉排灰中富集。其中，Si在焚烧炉飞灰中的质量分数ω为8.57%，而在底灰和炉排灰中达到30%左右。Fe，Mg和Al等难挥发的元素也具有相同的趋势。同时，表1结果表明，Na和K等属于易挥发的元素，很容易在飞灰中富集；由于P挥发性中等，因而在底灰和飞灰中不会产生明显的富集。
表1垃圾焚烧灰渣成分分析（%）

为减轻污染，在生活垃圾存放和焚烧过程中添加了石灰成分，因此表1中的炉排灰和底灰样品中Ca的质量分数较高，分别达到27.93%和33.52%。研究表明[7，8]，焚烧固体残余物中Cl和SO3的含量及分布与添加石灰有关。从表1可以看出，飞灰样品中Cl（质量分数12.47%）和SO3（质量分数15.36%）较高，表明加入的石灰中和烟气中的HCl和SO2的效率很高。
2.2重金属成分分析
表2给出实验样品中的重金属含量（质量比ρ）的分析结果。
表2垃圾焚烧灰渣中的重金属含量（mg/kg）

研究表明[9]，城市生活垃圾焚烧炉中，高蒸气压的重金属（Cd，Pb，As和Hg）随烟气移动。同时，在城市生活垃圾焚烧过程中，重金属可能会转化成金属氯化物[10]，而金属氯化物具有比金属氧化物和金属元素更高的蒸气压。因此，它们很容易在飞灰和气相中富集。如表2所示，Cd，Pb，Hg和As等属于易挥发的重金属，明显在飞灰中富集；Ni属于难挥发的重金属，底灰和炉排灰中的含量要高于飞灰；Zn，Cu和Cr的挥发性中等，故其在飞灰、底灰和炉排灰中不会产生富集。分析结果表明，飞灰中某些有毒重金属的含量很高，因此，在把垃圾焚烧灰渣（尤其是飞灰）直接填埋或利用之前，必须进行无害化处理。