MSW焚燒爐渣性質及其資源化利用的研究進展

李 彬，田盎然，薛國強，顧歡達，唐 強

(1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011；2.蘇州大學 軌道交通學院，江蘇 蘇州 215131)

0 前 言

如圖1所示,國家統計局記錄我國每年MSW清運量不斷增加，從2001年13 470萬t增加到2017年的21 520.9萬t，焚燒所占比例從2001年的1%增加到了2017年的39.3%，且增速高達8%～10%。而生活垃圾處理因其環境敏感性、與日常生活的息息相關性，已成為當下社會的熱點及焦點問題。在各類垃圾處理方式當中，焚燒處理方式具有占地面積小、大量減少垃圾的體積及質量等優勢，并將其中可燃物質與氧氣反應，最終得到無機殘渣，焚燒熱能、產生電能可以再利用以節約資源。

圖1 我國2002年至2017年MSW清運量、焚燒量及爐渣產量

為貫徹保護環境和堅持節約資源的基本國策，政府鼓勵并推廣焚燒處理設施在區域中的共建共享。巨量的MSW焚燒爐渣因此產生，而爐渣若單單進行填埋處理，則會導致土地資源被大量地占用而浪費。因此，本文主要從爐渣的物理化學性質、工程性質以及資源化再應用三個方面對國內外學者關于爐渣的資源化利用的相關研究進行了歸納與總結。

1 MSW焚燒爐渣的組成

1.1 爐渣的物理性質

1)爐渣粒徑分布。

Tay等[1]對底渣粒徑研究發現，其顆粒大小介于0.074～5 mm，其中71%是沙粒土(0.074～2 mm)，27%為礫粒土(>2 mm)，2%為粉粒土(0.002 mm～0.074 mm)。王學濤等[2]對干燥后的MSW焚燒爐渣進行了篩分試驗，分析發現大部分顆粒的粒徑處于1.0～19 mm，占比約79.7%，其次占14.2%的是0.25～1.0 mm的顆粒，小于0.25 mm和大于19.0 mm的顆粒各則占3.1%。不同地區生活垃圾種類的差異以及不同的破碎處理過程是導致MSW焚燒爐渣粒徑組成差異的主要因素。

2)爐渣的微觀形貌。許明磊[3]利用電子顯微鏡掃描底渣，發現其外表面凹凸不平，呈不規則的角狀并且內部有許多孔洞。在更大倍數的電子顯微鏡掃描圖中可以觀察到，爐渣中部分晶體呈現為針狀、團聚狀和粒狀，發育良好，但并不均勻，這是由于焚燒過程中溫度和空氣分布不均，停留時間不同導致的。而Brami等[4]利用掃描電鏡發現MSW焚燒爐渣中的熔渣是由數量眾多的小球或空心球體的復合而成。與前者研究發現的微觀形態有一些差異，這可能與垃圾成分、燃燒狀態等因素有關。徐謙等[5]通過電鏡對底渣進行了掃描，放大到400倍后觀察到許多小粒子團聚成的大顆粒組成了底渣，而顆粒表面形貌布滿了孔洞且凹凸不平，孔隙率較高；放大到更大倍數后對底渣表面的微觀形貌進行觀察，可以發現其晶體發育良好且由粒狀、針狀和團聚狀晶體等多種不規則晶體組成(見圖2)。

(a)400倍放大

1.2 爐渣的化學性質

1.2.1 爐渣的元素組成

不同城市中生產的生活垃圾種類也不盡相同，因此，燃燒產生的爐渣化學組分也有一些差別。何品晶等[6]對上海某垃圾焚燒廠生產的爐渣的化學元素進行了測定，發現其主要主要元素包含了O、Si、Fe、Ca、AI、Na、K、C，此外，還含有少量的重金屬元素Pb、Cr、Cd、As等；針對武漢地區的垃圾焚燒底渣，徐謙等[5]利用EDS能譜分析，發現其主要化學元素同樣有C、O、Ca、Si，此外還含有少量的I、Mg、Fe、Zn、Al、Cl、K等，其中，C的含量高達58.44%，與之相似的是，張建銘[9]發現浙江省某垃圾焚燒廠的爐渣中C的質量比同樣很高，達到了65.04%。這可能與焚燒過程中加入煤炭助燃的情況有關[5]。從上述幾個地區的爐渣元素組成可以發現，Si、Fe 和AI元素的存在比較普遍，這可能是由于這幾種元素的沸點很高從而難以揮發，沉淀在了底渣中。

1.2.2 爐渣的礦物組成

關于爐渣成分中含有的礦物組分問題，國內學者利用XRD即X射線衍射試驗對廣州、大連和上海市內某垃圾焚燒焚燒廠爐渣的化學組分進行了測定，具體如表1所示[7]。

表1 產自廣州、大連和上海的MSW焚燒爐渣的主要礦物組分 %

由表1可知，不同地區的MSW焚燒爐渣的礦物組成類別并不完全相同，即使相同，對應的含量也不一樣，這是因為生活垃圾成分十分復雜，且不同城市的經濟發展水平、消費的習慣、垃圾分類的落實情況等都會影響生活垃圾以及MSW焚燒爐渣的組成。

1.2.3 爐渣的浸出

由于爐渣中含有重金屬成分，而游離態的重金屬離子極易通過土壤、地下水等進入食物鏈，從而危害到人體健康，因此，對于爐渣的重金屬釋放及浸出特性前期學者們展開了大量的研究。楊媛[8]試驗采用了國標硫酸硝酸浸提法對爐渣的淋濾特性進行了測定，試驗發現MSW焚燒爐渣浸出液中的重金屬濃度都沒有達到《危險廢物鑒別標準》(GB5085.5-2007)中規定的危險廢棄物浸出毒性標準限值。并且《國家危險廢物名錄》之中并不包含爐渣，因此，MSW焚燒爐渣可以作為一般廢棄物被回收再利用。

2 MSW焚燒爐渣的工程特性

2.1 爐渣的擊實特性

由于不同地區生活垃圾的種類有差別，MSW焚燒爐渣粒徑組成也會有變化，因此，不同地區的焚燒爐渣會具有不同的擊實特性。張建銘[9]對焚燒底渣進行了擊實試驗，測定其最大干密度為1.42 g/cm3，最優含水率為22%。擊實曲線如圖3所示，曲線平緩表明底渣具有較好的水穩定性，其含水量不會對干密度造成過大的影響，從而說明MSW焚燒爐渣具有良好的擊實特性。R.Forteza等[10]通過擊實試驗測定底渣的最大干密度為1.8 g/cm3，最優含水率為12.3 %。通過上述學者的研究可知，爐渣的最大干密度為1.42～1.8 g/cm3，最優含水率為12.3%～22%。

圖3 爐渣的擊實曲線

2.2 爐渣的強度特性

2.2.1 爐渣的強度

針對浙江省內某垃圾焚燒廠生產MSW焚燒爐渣，張建銘[9]利用直剪試驗測定了爐排型和流化床型兩種爐渣在快剪和固結快剪的方式下的抗剪強度指標，如表2所示[9]。

由表2可知，流化床型爐渣試樣的粘聚力低于爐排型爐渣試樣的粘聚力，而摩擦角則略高于后者。因此，證明了不同焚燒方式生產的爐渣抗剪強度指標也不相同。

表2 兩種MSW焚燒爐渣的抗剪強度指標

張晶潔[11]通過直剪試驗對產自武漢某垃圾焚燒廠的爐渣及其混合材料的抗剪強度進行了研究。

如表3所示，爐渣加格柵的內摩擦角與純爐渣的內摩擦角相似，同時前者的粘聚力明顯高于純爐渣，由此可知，爐渣加土工格柵與爐渣加雙向格柵的抗剪強度主要是由爐渣和筋的界面粘聚力來提供的。

表3 抗剪強度指標

2.3 焚燒爐渣的綜合再生利用

國外對爐渣的資源化利用比較廣泛，比如代替碎石作為瀝青混合材料的骨料、替換不良地基土作為道路路基填料等。美國在1970年至1980年大約10年間，利用混合灰渣材料至少成功地完成了6項瀝青鋪裝工程項目，涵蓋道路結構中的粘結層、耐磨層或者表層和基層[12]。

我國在MSW焚燒爐渣材料的資源化利用方面與國外相比有著較大的局限，主要途徑是制作墻磚和地磚等。例如，徐福華等[13]對上海市某垃圾焚燒廠生產的爐渣為研究對象，將其與廢玻璃為原材料制備彩色道磚，對檢測了其有害物質含量和放射性，實驗發現其各項有害物質指標均符合規范標準；曹旗等[14]對產自廣州某生活垃圾焚燒廠的爐渣展開了研究，并分析了其作為在混凝土路面磚材料的合理性。

3 MSW焚燒爐渣研究與再利用的總結與展望

1)由于MSW焚燒爐渣產量的逐年遞增，城市周邊的庫容壓力越來越大，因此對于爐渣研究與再利用十分必要。MSW焚燒爐渣的浸出毒性符合我國固體廢物再次利用的標準《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》(GB-50853-2007)，不屬于危廢且不含放射性物質，因此，可以資源化再利用。

2)通過對爐渣及其混合材料工程性質的研究發現，它具有良好的擊實特性和各類強度，廣泛地適用于各種工程當中。

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