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技术分享|焚烧飞灰处理技术现状与展望研究

   日期:2018-03-01     来源:中环卫工业固废与危废处理专委会    浏览:4126    评论:0    
核心提示:近年来,随着我国垃圾焚烧处理技术的迅猛发展,焚烧飞灰产量巨大,焚烧飞灰处理技术成为环保领域研究的热点之一。由于垃圾焚烧飞
近年来,随着我国垃圾焚烧处理技术的迅猛发展,焚烧飞灰产量巨大,焚烧飞灰处理技术成为环保领域研究的热点之一。由于垃圾焚烧飞灰中含有较高浓度的二噁英和重金属,是危险固体废弃物,将其直接填埋会对周边环境造成严重的二次污染,因此需要对垃圾焚烧飞灰进行无害化处理。


焚烧飞灰危害大

垃圾焚烧飞灰是指在垃圾焚烧厂的烟气净化系统中收集的残余物,一般包括除尘器飞灰和吸收塔飞灰,其中含有烟道灰、加入的化学药剂及化学反应产物等。垃圾焚烧飞灰作为一种高比表面积物质,不仅富集大量的汞、铅和镉等有毒重金属,也富集了大量的二噁英,是一种同时具有重金属危害特性和环境持久性有机毒性危害特性的双料危险废物,对人体健康和生态环境具有极大的危害性。


垃圾焚烧飞灰处理技术现状

1、固化与稳定化法

固化与稳定化技术是国际上处理有毒废物的主要方法之一,而胶凝材料是目前应用最广、最重要的固化与稳定化材料。

1.1水泥固化法

固化处理是利用固化剂与垃圾焚烧飞灰混合后形成固化体,从而减少重金属的溶出。水泥是最常见的危险废物固化剂,因此工程中常采用水泥对焚烧飞灰进行固化处理。飞灰被掺入水泥的基质中后,在一定的条件下,经过一系列的理化作用,减小污物在废物水泥基质体系中的迁移率,如形成溶解性比金属离子小得多的金属氧化物等。此外,还可添加一些辅料以增进反应过程,最终使粉粒状物料变成坚固的混凝土块,从而使大量的废物因固化而稳定。

研究表明:

(1)尽管采用了水洗、粉碎等飞灰前处理工艺,处理后的砌块仍难以达到较高强度。另外,由于受氯离子的影响,固化砌块中的Fe2+,Cu,Zn等离子容易浸出,导致污染物超标。

(2)垃圾焚烧飞灰可作为辅助材料代替水泥加入混凝土,用这种垃圾焚烧飞灰代替45%水泥时,其耐压强度与原来的相当。用重金属及氯化物含量高的焚烧飞灰替代水泥材料时,应进行适当处理,如水洗或加入添加剂。

(3)垃圾焚烧飞灰与矿渣等材料复合,可改善水泥的后期强度。从强度发展趋势看,飞灰与其他混合材复合,在一定程度上改善了单掺飞灰导致水泥后期强度增长缓慢的情况。

(4)采用水泥固化法处理焚烧飞灰时,必须进行前处理,以减少氯离子对固化后砌块的机械性能影响以及后期重金属离子浸出等问题。这就在很大程度上提高了对焚烧飞灰处置场所建设和运行的要求,造成成本增加,限制了该方法的应用。

1.2凝石稳定化法

凝石是将具有火山灰活性的固体废弃物,包括粉煤灰、冶金渣、煤矸石、油页岩渣、预处理过的尾矿、黄河砂、城市建筑垃圾以及天然火山灰等硅铝质物料,加入少量或不加水泥熟料,再配入1%~5%的成岩剂,分别磨细再混匀而成的。

垃圾焚烧飞灰在凝石成岩剂中的加入量为1%~l0%,这样就得到了l0~100倍的稀释。成岩剂在凝石胶凝材料中的加入量为1%~5%,这样飞灰就得到了200~10000倍的稀释。该技术初步研究的结果表明:凝石对垃圾焚烧飞灰中重金属物质的处理效果良好。当焚烧飞灰的掺加量为1%~5%时,凝石中的重金属得到了有效处理,渗滤结果均符合固体废弃物浸出毒性鉴别标准,该技术被认为在固体废弃物资源化利用方面非常有应用前景。

1.3药剂稳定化法

药剂稳定化技术以处理重金属废物为主,目前已经发展了多种重金属稳定化技术,如pH值控制技术、氧化,还原电势控制技术、沉淀技术、吸附技术和离子交换技术等。这类技术目前在垃圾焚烧飞灰稳定化处理方面应用较少,但是一个发展方向。尤其是药剂稳定化与其它稳定化方法相比具有工艺简单、稳定效果好、费用低廉等优点。

目前发展较快的螯合型有机重金属稳定化药剂,对包括垃圾焚烧飞灰在内的多种重金属污染物的稳定化处理效果已经得到试验证明。对重金属螯合剂处理垃圾焚烧飞灰进行实验,并与Na2S和石灰处理等效果进行比较,结果表明,螯合剂投加量0.6%时,捕集飞灰中重金属的效率高达97%以上,为达到相同的稳定化效果,螯合剂的使用量要比无机稳定化药剂少得多。同时,通过l4个月的微生物影响实验表明,重金属螯合剂稳定化产物在填埋厂的环境下,其稳定性不受微生物活动的影响。

目前,一般采用的稳定化药剂有:石膏、磷酸盐、漂白粉、硫化物(硫代硫酸钠、硫化钠)、高分子有机稳定剂、铁酸盐、粘土矿物等,磷酸盐处理飞灰后重金属Pb在pH值4~l3范围内浸出很小。

1.4沥青固化法

沥青固化作为热塑性材料固化技术的代表,是以沥青类材料作为固化剂,与飞灰在一定的温度下均匀混合,产生皂化反应,使有害物质包容在沥青中形成固化体,从而得到稳定。由于沥青属于憎水物质,完整的沥青固化体具有优良的防水性能。沥青还具有良好的黏结性和化学稳定性,而且对于大多数酸和碱有较高的耐腐蚀性。

1.5熔融固化法

经加热熔融,焚烧飞灰中的二噁英等有机污染物会发生高温分解,再将熔渣快速冷却形成致密且稳定的玻璃体,从而有效控制重金属的浸出。此外,根据生产需要,可以将熔渣制成建筑材料或作为玻璃、陶瓷等生产行业的原料,实现灰渣的资源化利用。

目前发达国家已经研究出2种成熟的熔融技术:

(1)烧结法:是将待处理的危险废物与细小的玻璃质,如玻璃屑、玻璃粉混合造粒成型后,在1000~1100℃高温下熔融形成玻璃固化体,以借助玻璃体的致密结晶结构,确保固化体的永久稳定。但该方法需充分结合化学稳定和熔融处理工艺,才能降低垃圾焚烧飞灰对环境的危害。

(2)熔融法:是在燃料炉内,利用燃料或电能将垃圾焚烧飞灰加热到l400℃左右,使飞灰熔融后经过一定的程序冷却变成熔渣,然后将熔渣作为建筑材料,以实现飞灰减容化、无害化、资源化。相对于其他处理技术,熔融固化的最大优点是可以得到高质量的建筑材料。

1.6烧制陶粒技术

专利CN1830885利用垃圾焚烧飞灰为原料的陶粒及其制备方法中提出了一种利用垃圾焚烧飞灰为原料的陶粒及其制备方法。其原料组成为:非灰20%~80%,其余为黏土。这些原料经配料、造粒、高温煅烧后即可制成陶粒产品。所需高温煅烧的烧结温度为l000~1400℃。此专利将飞灰作为陶粒原料再生利用,实现了对固体废弃物飞灰的无害化、资源化处理,避免了二次污染,减少了资源浪费。

1.7地聚物固化技术(新型方法)

地聚物是一种以水玻璃和氢氧化钠等采用一定的工艺激发偏高岭土、工业废渣等含铝硅酸盐物质制得的新材料。地聚物有单硅铝、双硅铝和三硅铝三种结构,利于固定重金属。地聚物的特殊结构可以把飞灰中的金属和其他毒性物质分割包围在环状分子之间结合形成密闭的空腔内或被吸附而包容在聚合体中,达到固化效果。地聚物原材料丰富,价格低廉,生产能耗只及陶瓷的1/20,钢的1/70,塑料的1/150,污染物排放量低,受到欧、美、日等国家的重视。在其它条件相同时,地聚物固化飞灰后固化体的抗压强度比水泥固化后高,且表现出早期抗压强度高的特点,固化体中重金属浸出毒性更低。

2、湿式化学处理法

飞灰湿式化学处理法包括加酸萃取法、烟气中和碳酸化法等。该工艺将飞灰中的重金属(如酸、碱等)提取后,再将剩余飞灰和重金属分别进行资源化利用。该工艺运行成本较低,可回收重金属和盐类。

研究表明:飞灰经过磷酸洗涤后,Zn的溶出率由水洗时的l12.65mg/kg降低至2mg/kg,且未检出Pb的溶出,固留在灰样中重金属的残留态和有机态的比例都有不同程度的提高。由此可见,磷酸洗涤不但能有效抑制重金属的溶出,还有助于改善重金属的化学稳定性和飞灰的热稳定性。研究还指出,由于大多数有害离子的浸出率较低,对安全填埋影响不大,也可作为建材、筑路材料。

采用湿式化学处理法提取飞灰中的重金属,主要具有以下优点:

(1)飞灰中的可溶盐溶解于水中,提高了处理效果,增加了处理物的稳定性;

(2)处理物中的可溶盐较少,且形态为脱水滤饼状,易于操作、搬运、填埋;

(3)工艺简单,可操作性强,但也存在需对可溶盐和排水进行处理的弊端,一般只用于重金属浓度较高、有必要进行回收的情况下,目前很少应用。

3、膜蒸馏技术

膜蒸馏技术已在国内研究了近30年,一直没有工业化运用起来,其中根本的一个原因就是没有合适的“膜”。PTFE高能膜蒸馏技术成功运用到垃圾飞灰脱盐预处理、高盐废水处理、物料浓缩分离、高难废水处理等领域。在垃圾飞灰膜蒸馏浓缩系统脱盐预处理中可以将飞灰水洗后的溶液浓缩至近饱和前(30%)的任意浓度,可灵活控制浓缩量,处理时还不受盐分浓度的影响。溶液经过膜蒸馏系统的浓缩,产出的水质达到蒸馏水标准可回用水洗飞灰;除此之外,该系统可利用80度以上废热,太阳能,工厂热烟气,热水,设备余热,间断式蒸汽或地热等廉价低品位能源。”而飞灰经过水洗处理产生的沉淀物则送至水泥窖做水泥骨料,确保了飞灰的多重循环利用,实现飞灰处理的无害化、减量化、资源化。

由于垃圾飞灰水洗之后的溶液含盐率的不确定性(含盐率常在8%左右,也会极少出现8%以下),无法采用常规超滤、反渗透工艺。而利用膜蒸馏系统几乎不受盐分浓度的影响,可直接进入膜蒸馏系统将高盐废水浓缩至近饱和状态。再将近饱和高盐废水进行两级杂盐的分离后盐结晶,产生氯化钠纯度在90%以上可作为工业盐资源化利用。

采用膜蒸馏方案进行处理,使得水洗后的飞灰进入水泥窑焚烧去除二噁英后可直接作为水泥骨料资源化利用,飞灰中的盐进入水中,最后结晶出工业盐也可资源化利用。水洗后的溶液利用水泥窑200多度的烟道尾气余热进行换热达到80度的工作水温,进入膜蒸馏系统循环浓缩,可使溶液浓缩至近饱和状态,从而降低大量的系统运行能耗,降低飞灰的处置成本。

膜蒸馏浓缩系统在现有的垃圾飞灰水泥窑协同处置工艺上进行了改进和创新。在能耗方面进行了优化,减少了运营成本,完善了杂盐分离技术,使最后结晶出工业盐资源化利用。

4、安全填埋法

安全填埋法是将垃圾焚烧飞灰在现场进行简单处理后,送入安全填埋场进行填埋的方法,是目前处理垃圾焚烧飞灰最安全可靠的手段之一,但安全填埋场的建设和运行费用较高,垃圾焚烧处理厂难以承受,同时也不能达到减容化和资源化的目的,因此今后会逐渐减少此方法的应用。

5、其他

国外曾研究在焚烧飞灰中加入SiO,MgO,TiO,制造玻璃,并将其进一步转化为玻璃陶瓷制品,作为建筑材料。

随着经济的发展和人们环保意识的提高,对于未来垃圾焚烧飞灰的处理应该是随污染物排放标准的提高,无害化程度也进一步提高,同时尽可能减少处理和控制二次污染物的运行费用。

展望

基于中国城市垃圾焚烧飞灰的性质和处理特性,焚烧飞灰的处理与利用技术必须从资源化利用和环境影响两方面加以考虑,既要考虑焚烧飞灰资源化利用的可行性,在经济成本与环境保护中找到最佳平衡点,又要使焚烧飞灰处理产物的环境特性达到所限定的标准。结合我国实际情况,垃圾焚烧飞灰处理的发展方向应该包括以下3个方面:

(1)开发先进的焚烧炉,并加强对入炉垃圾的控制;

(2)开发稳定效果好、处理成本低的化学稳定剂以减少垃圾焚烧飞灰中的重金属迁移;

(3)开发安全可靠、能耗低、效益好的资源化技术,资源化处理垃圾焚烧飞灰,变废为宝。

国外通常将医疗垃圾消毒处理后和生活垃圾一起进行焚烧,但因我国生活垃圾未进行分类收集,垃圾焚烧灰组成与国外有一定的区别,不能直接引进国外技术。因此,必须结合垃圾焚烧飞灰的组分、生活垃圾的处理规模、能量来源、建设投资费、运行费用、操作复杂性、金属回收以及产物利用等多方面的因素,综合考虑,真正做到垃圾焚烧飞灰处理的安全、经济、实用、可靠。
 
标签: 焚烧飞灰

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