城市生活垃圾焚燒飛灰特性與資源化利用——燒制輕質(zhì)陶粒研究.pdf

1、隨著城市生活垃圾焚燒（Municipal Solid Waste Incineration）事業(yè)在國(guó)內(nèi)的迅速發(fā)展，MSWI飛灰的產(chǎn)量呈明顯增加的趨勢(shì)。由于垃圾組分比較復(fù)雜，垃圾中所含有的重金屬、有機(jī)毒物等污染物在焚燒過(guò)程中發(fā)生遷移和轉(zhuǎn)化，使MSWI飛灰中富集了較高濃度的重金屬、難降解有毒物質(zhì)。若將MSWI飛灰直接進(jìn)行填埋或處理不當(dāng)，在自然環(huán)境下由于酸雨等因素的作用，污染物將逐漸滲濾出來(lái)，重新進(jìn)入環(huán)境，污染地下水源、危害人類(lèi)。因此被國(guó)家列

2、為危險(xiǎn)廢棄物，必須進(jìn)行特殊的處理。這已經(jīng)成為一個(gè)目前必須面對(duì)的突出問(wèn)題和固廢處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　本文基于MSWI飛灰的化學(xué)組成、元素組成及焙燒性質(zhì)，綜合考慮原料來(lái)源及制備輕質(zhì)陶粒對(duì)原料性質(zhì)的要求，確定采用 MSWI飛灰、頁(yè)巖和鋸末進(jìn)行制備輕質(zhì)陶粒資源化技術(shù)研究，解決MSWI飛灰中重金屬污染問(wèn)題，也為資源化利用提供實(shí)踐的可行性。首先通過(guò)XRF、XRD、粒徑分析儀、SEM、FT-IR及AAS等手段對(duì) MSWI飛灰、頁(yè)巖及鋸末的化

3、學(xué)組成、粒徑分布、物相組成、化學(xué)基團(tuán)、重金屬毒性等基本特性進(jìn)行全面表征、并借助比表面積孔徑測(cè)試儀、SEM及TG-DSC等手段對(duì)原材料的比表面積及孔徑、微觀結(jié)構(gòu)和熱反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行表征。
　　運(yùn)用有約束的均勻設(shè)計(jì)方法分析原輔料配比對(duì)燒成陶粒顆粒強(qiáng)度、表觀密度和1hr吸水率的影響；再通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)開(kāi)展三葉旋轉(zhuǎn)窯燒制輕質(zhì)陶粒的焙燒工藝參數(shù)最優(yōu)化研究，探索焙燒工藝參數(shù)影響陶粒主要產(chǎn)品性能品質(zhì)的變化規(guī)律；最后結(jié)合研究所得燒制輕質(zhì)陶粒的最佳原

4、材料質(zhì)量配合比以及燒制輕質(zhì)陶粒的三葉旋轉(zhuǎn)窯焙燒工藝參數(shù)，開(kāi)展燒制輕質(zhì)陶粒的放大實(shí)驗(yàn)研究；利用SEM-EDS觀察陶粒產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)特征、分析其微區(qū)元素含量；利用XRD、FT-IR及AAS等技術(shù)手段分析輕質(zhì)陶粒物相形成、化學(xué)基團(tuán)變化和重金屬固化效果；根據(jù)燒成動(dòng)力學(xué)理論分析陶粒燒成機(jī)理，建立熱反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型并求解最概然機(jī)理函數(shù)。全面分析了陶粒產(chǎn)品的建材特性品質(zhì)和環(huán)境安全性指標(biāo)，并對(duì)輕質(zhì)陶粒在混凝土中的應(yīng)用做了嘗試。
　　通過(guò)以上各方面的

5、研究得到以下主要結(jié)論：
　　1）供試MSWI飛灰大部分呈現(xiàn)細(xì)小無(wú)定形灰色顆粒狀，燒失量27.08％，吸脫附等溫線呈S型屬于Ⅱ型等溫線類(lèi)型。主要含有Zn、Pb、Cu、Cd、Cr、Hg等重金屬，主要的物相為KCl、NaCl等可溶性鹽類(lèi)以及SiO2、CaSO4和鋁硅酸鹽晶體。經(jīng)過(guò)水洗預(yù)處理后，球狀顆粒及白色成分比率有所增加，Cl元素含量百分比發(fā)生了明顯減少，有利于燒結(jié)過(guò)程中對(duì)重金屬固化；
　　2）選用頁(yè)巖及鋸末作為添加料混合MSW

6、I飛灰來(lái)燒制輕質(zhì)陶粒，其中頁(yè)巖的SiO2、Al2O3含量較高，可以增加陶粒的強(qiáng)度，是構(gòu)成燒成陶粒的主要骨架成分；另外，頁(yè)巖中含有MgO、K2O、Na2O等助熔成分降低了陶粒表面液相的生成溫度，從而降低燒成溫度。鋸末的熱值高，在陶粒的焙燒過(guò)程中可以提供一定的熱量，節(jié)約能源，燒失率高，可作為造孔劑，有助于產(chǎn)品中孔隙結(jié)構(gòu)的形成，降低產(chǎn)品堆積密度；
　　3）實(shí)驗(yàn)獲得最佳坯料干基配合比（wt%）為：頁(yè)巖68.38%，MSWI飛灰21.08%

7、，鋸末10.54%，最優(yōu)化工藝參數(shù)分別為：預(yù)熱溫度450℃，燒成溫度1130℃，升溫速率25K/min，旋轉(zhuǎn)速率10轉(zhuǎn)/min，燒成溫度停留時(shí)間2min；其中，燒成溫度和燒成時(shí)間是影響產(chǎn)品的重要參數(shù)。按照坯料配比和最優(yōu)工藝參數(shù)開(kāi)展燒制輕質(zhì)陶粒放大實(shí)驗(yàn)研究，制得陶粒產(chǎn)品外觀呈現(xiàn)茶色，產(chǎn)品圓潤(rùn)且顆粒大小相對(duì)均勻，產(chǎn)品性能均能滿(mǎn)足輕集料700級(jí)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求；
　　4）采用DSC-TG曲線分析了MSWI飛灰-頁(yè)巖-鋸末混合體系的燒成動(dòng)力學(xué)

8、過(guò)程，熱反應(yīng)進(jìn)程劃分為：化學(xué)結(jié)合水與小分子揮發(fā)分析出，揮發(fā)分、半揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)燃燒析出，難降解有機(jī)質(zhì)與固定碳燃燒，方解石與殘余分解。整體而言，陶粒胚料在不同溫度下衍射峰位置無(wú)明顯差異，對(duì)比陶粒剖面和表面的微觀形貌發(fā)現(xiàn)，燒制過(guò)程中僅有陶粒表面有新物相生成。陶粒胚料最終生成鏈狀或骨架狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽和硅鋁酸鹽，燒成過(guò)程中有大量玻璃化物質(zhì)生成。試樣在空氣氛圍不同溫度下遵循的熱反應(yīng)機(jī)理可以描述為：隨著試樣溫度的逐漸升高，試樣熱反應(yīng)首先服從成核與生長(zhǎng)

9、機(jī)理，然后逐漸過(guò)渡到隨機(jī)成核隨后生長(zhǎng)（Mample）機(jī)理，成核與生長(zhǎng)機(jī)理，最后遵從三維擴(kuò)散（Jander）機(jī)理模式直至熱反應(yīng)趨于完結(jié)；
　　5）通過(guò)對(duì)MSWI飛灰-頁(yè)巖-鋸末混合試樣燒成陶粒的重金屬固溶率的測(cè)定結(jié)果顯示，陶粒較直接焙燒MSWI，其固溶率均有大幅度提高，尤其是對(duì)Pb、Zn易揮發(fā)性重金屬固化效果明顯增加。其重金屬穩(wěn)定化機(jī)理簡(jiǎn)單表述為：MSWI飛灰-頁(yè)巖體系燒成后新生成的主要物相為具有穩(wěn)定骨架型結(jié)構(gòu)的晶相固溶體 Ca（M

10、g,Fe,Al）（Si,Al）2O6、（Ca,Na）（Si,Al）4O8。MSWI飛灰中的重金屬離子Cr、Cu、Zn、Cd、Hg及Pb易在較高溫度下通過(guò)置換或填隙作用進(jìn)入固溶體的晶體結(jié)構(gòu)或被形成的硅鋁酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所包裹而得到很好的穩(wěn)定化效果；
　　6）實(shí)驗(yàn)對(duì)燒成陶粒產(chǎn)品的重金屬分別參照固體廢物浸出毒性浸出方法醋酸緩沖液法（HJ/T300-2007）及水平振蕩法（HT557-2009）模擬陶粒產(chǎn)品在特定環(huán)境下的重金屬浸出特性，檢測(cè)結(jié)