城市固体垃圾焚化炉灰渣制砖使用的可行性研究1

城市固体垃圾焚化炉灰渣制砖使用的可行

性研究

中国台湾宜兰260号公立宜兰大学环境工程部

2005年12月7日接受；2007年5月7日修正接受；2005年5月8日认可；

2005年5月16日网络许可发表

摘要

这项研究论及城市固体垃圾焚化炉灰渣在粘土砖上煅烧的结果。样品砖被加热到800℃-1000℃持续6小时，热效率为每分钟10℃。接下来合成材料的物料性质确定了，包括形状变化，灼烧损耗，收缩，密度增大，日吸附速率和抗压力。毒性典型滤除程序也同样进行了测试。结果表明滤出液中的重金属凝聚物符合当前规定范围。增加城市焚化炉灰渣的量导致了砖块水吸附速率的降低和抗压力的增加。在1000℃下烧结而成含有炉渣灰的样品砖在日吸附速率和抗压力上全部达到了中国国家现行建筑用砖二级要求.混合物种城市固体垃圾焚化灰的加入降低了焚烧收缩程度.这表明城市固体垃圾焚化灰确实可以代替砖块种的部分粘土.

2006年Elsevier B.V.保留所有权利.

关键词:余渣、烧结、收缩、抗压力、水吸附;毒性典型滤除过程.

1、简介

焚化有两个主要的优点：减小了城市固体垃圾将近90%的体积并且削减了几乎所有含在里面的所有有机化合物的放射性破坏。但是，城市固体垃圾的焚化任然存在问题，主要是焚化炉底部灰渣（大约每千克垃圾200-300千克）和飞扬灰【1】。此外，在台湾找到一块固定用地越来越困难【2】。焚化灰通常含有大量的有害物质比如重金属和二氧杂芑。现已发现飞灰中滤出的镉含量超过了美国现行标准，它还表明他应被归类为有害废弃物【3】。因此，这些废物如果不能妥善处置的话将对环境造成危害。

混合法也许是解决这些问题的最好办法。混合处理是一种被认为具有现实可行性的将重金属固定到不可滤出灰渣中的技术。这种技术要求将废弃物加热到1300-1400℃，这样不挥发性的物质就化合到化合物种了，效果就是不可滤出【4】。这些过程中长时间的高温导致有毒有机化合物额的完全破坏。但是初期投资和设备花费仍然比较昂

贵。所以为了使这种方法具有现实性，混合工艺应该含有产生可循环产品的方法。这个资源循环的目标有助于延长土体使用寿命。这种工艺已经被用于生产多种产品比如陶器、五金和多种合成物。最近，这种工艺也被成功应用于城市固体垃圾焚化灰的聚集【5】，沥青路面、防水砖和石板、沙子、水泥以及其他建筑材料。

通常，玻璃花处理中的晶体有不同形成方式。(1)在慢速冷却中发生成型；在熔融物的逐渐冷却中各种矿产品的形成。火成岩石的结晶化，例如花岗岩，也属于这种类型。

(2)晶体在过冷状态下形成。为了避免形成高温结晶性物相，例如磁铁矿或者橄榄石，熔融物快速冷却至合适的温度来获得确定的矿物相。(3)结晶化发生在玻璃化的加热处理过程中【9】。为了形成较好的光亮陶这些矿产品的性状需要更高的热处理温度来促成.提高热处理温度使得多孔性和水吸附速率两种属性都得到了改善【10】。为了提高压实物粒的抗压性和其他一些工程特性，烧结工艺构成了一个连贯黏合物粒的热处理过程。这是一种废弃资源循环利用的有效选择处理方式。热处理破坏了有机残留物质并且通过将原材料中的氧化物吸收到像陶瓷一样的物质中以使无机物固定下来【11-14】。在这项研究中，在800-1000℃温度下热处理持续6小时，加热速率为10℃/分钟，并且检验将粘土和城市固体垃圾焚化灰结合的可行性。

2、原料及其方法

2．1原材料

这项研究中所使用的飞灰是从位于台湾北方的一个大批量焚化炉的风口收集来的。这台每天能够处理1350公吨当地城市固体垃圾的焚化炉配备了包含气旋口、半干式冲洗系统和滤网过滤器的大气污染控制设备。大部分气旋口灰和洗涤器灰（称作飞灰）被用于这项研究。粘土和焚化灰的物理属性包括PH值、密度、含水量和烧失量都概述在表格1中。粘土和焚化灰的颗粒尺寸分布也在图1中表示出来了。

表1 粘土以及焚化灰参数表

焚化灰渣在1400℃下混合30分钟用作准备。接下来融熔物在水中急速冷却以形成较好的熔渣。接下来急速冷却下来的熔渣在球形磨粉机中粉碎知道可以通过16号的筛网。焚化灰就被均匀混合，并且具有化合物特性。粘土样品是从当地一个制砖厂中获取的。原料的尺寸在图1中列出。为了使颗粒大小比较一致，焚化灰和粘土都被粉碎成小颗粒直到可以通过16号筛孔。在使用之前都经过干燥。以1:100的稀释比将4克样品和4克透光度为100的参比夜混合用作X射线分析。混合均匀的混合物被放钻铂金坩埚中，然后再电炉上以1000℃的温度处理1小时。性质均匀的混合物在32mm直径2mm厚的玻璃胚中重铸。通过X射线分析，原材料的化学组成列在表2中。焚化灰和熔渣样品中的重金属凝聚量通过原子发射光谱法测定。样品被粉碎，并且重金属也在酸(HF:HClO4 :HNO3 = 2:1:1)中萃取出来。每项试验中至少3份样品被测验。

表2 焚化灰飞灰、熔渣的组成、重金属含量和滤出凝聚物

列表3

关于化学和物理测试的中国国家标准方法

重金属被提取附近的的酸(HF:HClO4 :HNO3 = 2:1:1)至少三个样品在每个实验被检验

图表2 粘土模型 MSWI矿渣和样本砖

2.2样本加工

使用mswi矿渣制砖的可行性调查。MSWI矿渣含量在黏土-MWSI矿渣混合物中含量从0-40%（按重量）。这些混合物当时同质化在一个混合器和模下在60 kg/cm2的压力下被塑造成50 mm (L) ×25 mm (W) ×50 mm(H)的形态。从实验室测试获得的结果可以使用于商业规模砖从它被同一种元件兴建过程的开始。因此，按比例增加的样本将在本研究中被接受。样本砖在室温下被干燥了24小时，然后在80?C的情况下再干燥24小时来消除含水量。干标本在特定的温度下加热(800, 900 和 1000 ?C).

2.3 分析方法

样本砖经过一系列的测试，包括环收缩量，重量烧失量，吸水率，堆积密度，抗压强度，来确定他们的质量相比中国国家标准条例（列表3）。经过所有热处理阶段的热处理样本和未处理的土地混合物一起被X-射线衍射分析。

3。结果与讨论

3.1. 克莱和MSWI矿渣规格参数表

粘土和mswi矿渣的界限含水量被列举在列表4中。粘土的界限含水量高于在研究中使用的黏土-MWSI矿渣混合物。对于黏土-MWSI矿渣混合物的极限缩水量是

5,14,22%。而NWSI矿渣各自的代替水平分别为10,20和40%。列表2显示了粘土和mswi矿渣的成分。XRF分析报告说明粘土的主要成分是SiO2（61.5%）Al2O3（15.8%）Fe2O3（6.1%）。接下来含量高的就是K2O（2.7%）MgO（1.3%）CaO （0.36%）。此外，X射线衍射分析显示用于研究的粘土主要由 SiO2, Al2O3and

Fe2O3，比较适合接下来的烧结过程。观察到的MSWI矿渣的主要是由SiO2(35%), CaO(25%)和Al2O3(16.5%)组成。接着含量比较多的就是Fe2O3(4.9%), K2O(3.2%)和MgO(2.9%)。图表2显示的MSWI矿渣灰烬没有任何结晶高峰。

在列表2显示的毒性浸出测试结果表明在废渣矿灰铬和镉的浓度含量较高。镉的含量达到了1.8 mg/L，超过了台湾环保局的调整的标准。天然的MWSI矿灰应该被被处理在最后的清理以前，毒性浸出过滤浓度为目标金属在粘土和mswi矿渣的含量满足环保局的当前调整的标准，这些标准在列表2中提到。组合的矿渣被稳定因为很多重金属被固定化在Si–O模型中，明显预处理的熔化过程构造重金属少浸。

3.2。重量烧失量

在烧结后出现在制品中的重量损失与致密化的发展和多孔性有关，对热处理和重压下的标本[15,16]有很大的影响.重量烧失量为一个标准粘土砖的15%。图表3说明标准粘土砖的重量烧失量和MSWI矿渣的总量加强了混合物在各个温度的设定。对标准粘土砖来说，在经过800，900或1000?C的高温灼伤后的重量烧失量对于粘土有机质含量分别在4.8，5.6，6.0%。结果表明增加的MSWI矿渣导致在烧结中不明显的重量烧失量减少。据推测由于温度被提高碳酸盐在粘土中产生了CO2.所以重量烧失量在研究中满足中国国家标准。这些数据表明粘土和MSWI矿渣可以兼容，所以 MSWI矿渣可以作为一个粘土的替代品存在.

3.3砖的收缩

砖质量可通过砖收缩的测试进一步被检测。基于台湾的规定砖收缩须小于8%，表4 显示的是在不同温度下砖的收缩量。普通黏土砖在加热到800，900，1000℃后各自的收缩为1.0，0.5，6.9%当混合物中MSWI矿渣含量的比例在0到40%变化时，砖的收缩的变化是0.83到1.17，1.05到1.47，3.1到3.6% ，相对于的加热温度为800，900，1000℃。这显示MSWI矿渣的添加不应明显降低重量损失，在1400℃下熔化时。

3.4砖的密度

在烧结过程中，会形成开着的和封闭的毛孔。最小密度与样品中闭孔的最大容积相一致。致密化是一个毛孔填充的过程，它出现在液体相流动的时候，通过毛孔的收缩[17]。不同温度下不同粉煤灰部分的样品密度的测量值显示在表5中。黏土砖通常密为1.8-2.0g/cm3。结果表明温度的升高回导致密度的升高（表5）。加热的温度会影响砖的密度。当MSWI矿渣的量高于10%并且砖在1000℃下烧制时，它的密度满足期望标准。结果表明砖密度随着MSWI矿渣含量的增大而增大。当混合物中MSWI矿渣含量的比例在0到40%变化时，砖的收缩的变化是0.83到1.17，1.05到1.47，3.1到3.6% ，相对于的加热温度为800，900，1000℃。这显示MSWI矿渣的添加不应明显降低重量损失，在1400℃下熔化时。

3.5. 砖块的吸水率

吸水率指的是在气孔里的水分的重量与烧结试样的重量之比，是一个评价砖块质量的有效的标志。砖块深入的水分越少，那么它被期望的耐用性和抵抗自然环境的阻力就越好。图6展示了各种红褐色的MSWI 炉渣粘土混合物在三个不同温度下的吸水率测试的结果。吸水率为分别为17.8%-20.1%、16.9%-19.0%、16.4%-14.3% ，其所对应的温度分别为800?C、 900?C 和1000?C，而不含MSWI炉渣的样本被加热到1000 ?C就满足了头等吸水率标准。这个测试结果表明了当砖块中的MSWI 炉渣含量减少时，其吸水率就会增大。当MSWI 炉渣的含量高于10%，即使将温度加热到1000 ?C，砖块的吸水率也只能达到二等标准。另外，随着加热温度的增加，砖块中吸水率的量在减小。较小的吸水率出现在温度较热到较高温度（1000 ?C）之后，这就意味着局部液相烧结的发生，结果促使气孔中体积和吸水率减少。显然混合物的黏合能力与混合物中MSWI 炉渣的含量有关。

3.6. 砖块的压缩强度

压缩强度是评定建筑材料质量最重要的标志。由MSWI 炉渣粘土混合物制成的砖块的压缩强度都符合CNS 1127-R3042标准：一级压缩强度的标准为150 kg/cm2，一级压缩强度的标准为100 kg/cm2。

由粘土和MSWI 炉渣混合物制成的砖块的压缩强度由图7列举出来。当加热温度增加到800和900?C时，砖块的压缩强度会逐渐的增加。当加热温度超过900?C时，由粘土和MSWI 炉渣混合物制成的砖块样品的压缩强度符合头等转的标准。当添加了40%MSWI 炉渣的砖块加热到1000 ?C，砖块的压缩强度和正常泥土砖的相似。这个结果表明最大压缩强度下的最适加热温度为1000 ?C。结果也显示了MSWI 炉渣确实被转换成一个玻璃陶瓷的工艺路线。类似的结晶化反应在MgO-Al2O3-SiO2系统[18]的晶体矿渣中被发现过。测试结果还显示MSWI 炉渣可以被添加到泥土中生产砖块。

3.7. 砖块的X-射线衍射图案

图表2展示了砖块加热到1000 ?C时X-射线衍射图案，MSWI 炉渣由硅酸钙和未知的晶体成分组成。粘土是SiO2，Al2O3，Fe2O3的主要成分。当砖块样本中添加的MSWI 炉渣的百分比增加时，SiO2的含量也会增加。当大量的MSWI 炉渣添加到砖块中并加热到1000 ?C，在Ca(Mg，Al)（Si，Al）2O3中的最大值也会增加，这也意味着增加的数量被结晶了。MSWI 炉渣是一种高温制作比较稳定的产品，它防止产品形成新的结晶体。一个在1000 ?C烧结的MSWI 炉渣粘土砖块混合物可以被认为是一种可能运用于陶器制作厂的原材料。

3.8. 砖块的电子观测

为了得到一个更容易理解的形态学微结构，进行了电子研究。加热到1000 ?C的砖块样品在各种替代水平下的电子图片如图8所示。结果发现当砖块样品中被添加的MSWI 炉渣增加时矿物水晶的含量也会增加。当超过40%的MSWI 炉渣被添加到加热到1000 ?C的砖块中，矿物水晶的增加量就与正常粘土砖块的相似。这是由于更高的推动力和渐增的晶体生成率。这允许好的晶体的形成，导致了晶体范围区域的增加。因此，物理的和机械的性能特征会更好。

4.结论

本研究表明了MSWI 炉渣作为粘土替代品生产砖块的一个可行性的方法。砖块样品以10 ?C/min的速度在6个小时内加热到800-1000 ?C内不同的温度。由前面提到的实验得出的结论列举如下：

1.目标金属在粘土和MSWI矿渣中的毒性浸出过滤浓度全符合环保局的当前调整的门槛。

2.结果表明，在燃烧的重量损失中

3.结果表明当MSWI矿渣的含量增加时，砖的堆积密度也随着增加。

4.当加入到砖中MSWI矿渣的含量超过40％，加热到1000℃，此强度与普通粘

土砖的强度相近。

5.加热到1000％时，会出现明显的致密化，导致总的体积减小，水的吸收率减

小，砖的密度和抗压强度增大。

6.在抗压强度、燃烧收缩和表面密度的关系中展示了抗压强度的增加随着燃烧收缩和密度的增加，然而，随着水的吸收率增加抗压强度在减小。

7.在不久制砖时，MSWI矿渣粘土砖的烧制收缩越少、燃烧重量损失越少和更大的抗压强度的优点是随着MSWI矿渣的增加。这表明MSWI矿渣粘土砖应该增加在MSWI矿渣作为制砖的使用基础上。

8.保证节约能源和最大的矿渣使用量，在800℃时煅烧的含40％MSWI灰的混合物是满足砖的质量标准和是最好的方案，这个是显而易见的。