生活垃圾焚烧飞灰资源化陶粒的制备及性能研究.pdf

摘要

摘要

随着生活垃圾产量的逐年增加，生活垃圾焚烧（MSWI）飞灰作为垃圾焚烧

后的产物，体量也与日俱增。每年庞大的飞灰处理量和安全性成为固体废物处

置领域的重要课题。因为飞灰中含有重金属等污染物，在进行填埋或回收利用

前必须经过无害化处理以避免其污染环境。现存的螯合剂固化法以及水泥固化

法都有长期不稳定的缺陷，所以通过加热烧结飞灰固化体以防止重金属浸出成

为研究热点之一，也被认为是MSWI飞灰最有前景的资源化处理技术。本文采

用玻璃化和烧结陶瓷相结合的方法，通过向MSWI飞灰中添加粉煤灰作为硅铝

补充剂、水玻璃作为联结剂来烧结制备飞灰陶粒。这种方法能利用现行陶粒制

备工艺与设备，简单易行。为了保证飞灰陶粒产品的环境安全性，本课题重点

研究了飞灰性质和飞灰固化体中重金属固化机理。

MSWI飞灰特性研究表明其是以Ca元素为主的无机物体系，具体物相组成

为KCl，NaCl，CaCO，Ca(OH)等。重金属颗粒呈纳米尺寸均匀地分布在飞灰

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颗粒的表面，同时存在多晶和单晶的形态。飞灰加热过程中主要伴随着HO挥

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发、CaClOH分解、Ca(OH)2分解、CaCO3分解、氯化物盐挥发和残余碳燃烧等。

随着对飞灰进行水洗的次数增加，飞灰中氯含量从11.28%降低至1.75%，洗后

的主要矿物由CaCO3和Ca(OH)2组成。飞灰中重金属在酸性条件下都有一定程

度的浸出，浸出浓度在5~120mg/L之间，在碱性条件只有Pb检测到明显的浸

出，浸出浓度为2~10mg/L。

制备的陶粒中形成的矿物相包括钙钠长石、硅灰石、钙铝黄长石和硅酸二

钙等。随着钙硅比的提升，晶相的转变趋势为由钙钠长石向硅灰石，进而向钙

铝黄长石，直至硅酸二钙转变。烧结体在600℃开始从初始碳酸钙相和莫来石

相转变为硅灰石相，在800℃完成晶相转变，陶粒中的晶体相较多，玻璃相较

少，存在纯度较高的单一硅灰石晶相；至900℃以上，陶粒强度才显著增强。选

取的最优配方陶粒为硅灰石相为主的配方，重金属固化效果显著，能够符合国

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家相关标准要求。陶粒堆积密度约为700kg/m，属轻集料，强度和吸水率符合

工业废渣轻集料的标准。

烧结过程中，飞灰原灰中的重金属Zn的挥发率约在30%~40%，重金属Cd

和Pb在900℃以上的高温挥发率约为50%~80%，烧结成陶粒后挥发率基本降

为零。采用量子化学价键能模拟计算，硅灰石晶胞的能量由锌、镉、铅离子取

代钙离子后发生了明显的降低，证实重金属可进入硅灰石晶格中。从元素分布

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上看，Cd元素在陶粒体系中分布均匀，Pb元素有些许团聚的区域。重金属Zn

在掺入陶粒后出现新的矿物相，如锌钙透辉石CaZnSiO，重金属Pb因离子半

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径相较Ca尺寸大，所以掺入Pb的硅灰石最强衍射峰向左偏移。元素Zn和Cd

在原始飞灰中的化学形态主要为碳酸盐态，烧结后约60%转化为残渣晶格态，

元素Pb约30%的碳酸盐态转化为残渣晶格态，显示出烧结陶粒方法对于重金

属有显著固化作用。

关键词：生活垃圾焚烧飞灰；重金属固化；烧结陶粒；硅灰石

-II-

Abstract

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Withtheincreaseofdomesticwasteproduction