生活垃圾焚烧炉渣制砖工艺及案例分析

周　旭，李　军，周圣庆（中国天楹股份有限公司，江苏　南通　226600）



生活垃圾焚烧炉渣制砖工艺及案例分析

周旭，李军，周圣庆
（中国天楹股份有限公司，江苏南通226600）

【摘要】垃圾焚烧发电厂产生的炉渣不能资源化利用只被用来提取金属，提取完金属的炉渣大量堆积，造成很大的二次污染。中国天楹的江苏省海安炉渣制砖项目很好地解决了这个问题，炉渣经过预处理后加入活化剂Na2SiO34.5%、水泥3.7%、石灰13.7%、石膏4.3%和水搅拌均匀后进入液压制砖机，成型压力为20 MPa，加压时间60 s，保压时间为120 s，洒水养护28 d，这样制成的砖硬度比普通砖高2～3倍，既实现了经济效益，又减轻了环境的负担。

【关键词】炉渣；免烧砖；资源化

每吨生活垃圾产出20%炉渣，主要由陶瓷、玻璃、金属、未完全燃烧的有机物和不可燃的无机物组成。炉渣密度为2.3 g/cm3，pH为8～13，含有约38%的SiO2、22%的CaO、10%的Al2O3、4.6%的Fe2O3、3%的MgO，还有少量的K2O、Na2O等［1］。此外，炉渣中的Pd、Cu和Zn的含量是土壤平均含量的26、14和13倍。因此炉渣直接填埋或利用将污染环境。随着生活垃圾焚烧发电厂建设的加快，炉渣的产生量也与日俱增。炉渣的再生处理成为了必须要解决的问题。

1　国内炉渣的处理现状

1.1建筑上的利用

1.1.1与沥青或水泥混合作路基及路面料

炉渣通过分拣、筛分后获得合适的粒径，与沥青或水泥及其它骨料混合用作铺装路面工程。基层和粘结层的灰渣含量不宜超过20%，表层的灰渣含量不宜超过15%。对这种混合料进行金属元素浸出的跟踪测试，发现其铅、镉和锌等的释放量较低。利用其对环境和人类健康的影响及生命周期评价，发现只要管理技术恰当，这种混料利用的所有风险均低于可接受风险的标准值，炉渣中最有可能存在潜在危险的铅的浸出量也远低于标准值，有效地避免了对环境的二次污染［2］。

1.1.2填埋场的覆盖材料

一些具有防渗层及渗沥液回收系统的填埋场，炉渣可以不经过处理直接作为覆盖材料。对处理炉渣来说，这是一种最快捷的方法。通过对其渗沥液分析，发现渗沥液中的重金属浓度低于TCLP（毒性浸出测试）的最大允许值。但其溶解盐的浓度会远高于饮用水标准值，因此此方法处理炉渣需要监测渗沥液中溶解盐的浓度。炉渣在装载、运输、卸载和覆盖过程中容易产生飘灰。研究者对其进行分析测试及评估，发现这种飘灰不会危害操作者的健康。

1.2废水处理中的利用

沸石经常被广泛用于废水处理中，沸石中主要结晶成分是铝硅酸盐，而炉渣中恰好含有大量的铝硅酸盐，且炉渣的孔隙率和比表面积较大，因此经常被用来作为生物填料对废水进行吸附处理。炉渣在除磷方面有着显著的优势，主要通过化学转化和物理吸附2种方法。炉渣的粒径越小，除磷效果越好。一方面是由于小粒径的炉渣具有更大的比表面积，使得颗粒中的无机矿物质的吸附活性中心增多，对磷的表面吸附作用增强；另一方面是小粒径的炉渣中含的重金属比例较多，同时浸出也会增多，而这些重金属可以与废水中的磷酸盐产生反应生成沉淀析出，从而去除废水中的磷元素［2］。实验证明对有机废水的除磷效果比无机废水的明显。

2　炉渣制砖工艺

2.1炉渣预处理

生活垃圾焚烧温度达1 100℃，炉渣从出渣口排出时需要经过冷却水使温度降低。由于炉渣经过高温烧结后孔隙较大，会吸收一定的水分，因此需要进行干燥处理。干燥后的炉渣经过磁选装置，分离出金属材料。同时含泥土量较高的炉渣需要进行渣土分离。根据粒径大小进行筛分，粒径3mm以下可以直接利用，粒径3 mm以上经过2～5 min的球磨。球磨后的炉渣再进行筛分，如此循环直至粒径均匀。

2.2炉渣掺杂量分析

将炉渣、石膏和石灰等按照一定的比例放入搅拌槽中混合均匀，再将水泥、水和激发剂加入搅拌槽中一起搅拌。在搅拌的时候严格控制加水量，使含水率在10%左右。一般以手握能够成团，松开手就散为宜。

炉渣比例越大，水泥凝结需要的时间越长。同时随着炉渣添加量的增加，路面砖的强度也发生了变化。当掺杂量小于20%时，路面砖的初期强度低于一般路面砖，但符合国家标准，养护28 d后，路面砖强度增加；当掺杂量在20%～40%时［1］，养护28 d，其强度相当于普通砖的强度，养护60 d或90 d后，其强度却是普通路面砖强度的1.03～1.11倍［2］；当掺杂量达40%～60%，养护28 d，强度是普通砖的2～3倍。后期强度比前期强度高主要是由于后期炉渣的隐活性被激发，形成的硅酸钙是主要原因。随着炉渣掺杂量的增加，相应的砖的强度也增加，但是炉渣掺杂量越大，重金属的浸出浓度必然也随之增大，砖坯的固化速度降低，所以一般炉渣掺杂量控制在65%以下。

2.3成型

加压是目前最常用的免烧路面砖成型方式，加压作用原理为密实填充原理、物理咬合原理和紧密接触原理［3］。密实填充原理指出压力越大，砖体的密度越大，从而砖体的强度就越高，但是成型压力也是有限度的，炉渣和其他混料间存在着一定的空气，施压时空气会排出，当排出一定量后，被压缩的空气在高压下反作用力快速增大，反作用力大于压力时会导致砖体分层或分裂。物理咬合原理指出压力过小时，砖体未被压实；当压力过大时，砖体容易压碎或压裂。紧密接触原理指出压力越大，颗粒接触间距越小，当压力增大到一点程度时点接触变为面接触，进而演变为面与面的物理咬合。

综上所述，当压力达到某个临界点时，此时的砖坯结构最紧密。根据实验证明，成型压力为20 MPa时为最佳压力值。

2.4养护

砖体内的水分蒸发后，水化能力下降，水分缺失使得路面砖缺棱掉角，甚至砖体开裂，此时选择洒水养护，有效地避免了这种情况的发生。随着养护时间的延长，砖体的强度增加。实验证明砖坯成型后养护3～7d抗压强度增幅最大；7～28d增长幅度有所下降，仍成增长趋势；28d后增长较平稳，基本保持不变。所以一般砖坯选择洒水养护28d后出成品。

3　城市炉渣制砖案例分析

江苏省海安县炉渣制砖工程建设临近海安垃圾焚烧发电厂，坐落在海安胡集，有道路与204国道相接，毗邻交通便利，场地平整。生产用电由附近的生活垃圾焚烧发电厂供给。目前海安县每天约有750 t生活垃圾实现焚烧发电，每天产生的焚烧炉渣量为150 t，每年产生的焚烧炉渣量为5.4×104t。炉渣经过预处理后加入活化剂Na2SiO3、水泥、石灰、石膏和水搅拌均匀后进入液压制砖机，成型压力为20 MPa，加压时间60 s，保压时间为120 s，洒水养护28 d，具体的物料平衡如图1所示。

图1　海安县炉渣制砖项目物料平衡

工程建设项目总投资300万元，占地面积6 050 m2，年产3.8×104m3的炉渣免烧路面砖，原料年用量如表1所示。炉渣免烧路面砖的各金属浸出率均达到地表水标准。抗折强度和抗压强度达3.12 MPa和23.19 MPa，符合《生活垃圾焚烧炉渣免烧墙体砖（企业标准）》中抗折强度大于1.9 MPa和抗压强度大于11 MPa的标准。砖的公称尺寸为：长240 mm，宽115 mm，高53 mm。

表1　海安项目原料年用量

4　结束语

垃圾焚烧后的残留物中，炉渣是目前资源回收利用主要考虑的对象，由于炉渣的物理化学和工程性质与天然骨料相似，且容易进行粒径大小控制，可以作为一种建筑材料使用。炉渣是隐活性物质，加入4.5%的活化剂Na2SiO3后激发其活性，添加到普通制砖的材料中，所制砖的强度是普通砖强度的2～3倍。海安炉渣制砖项目根据海安每天产生的炉渣量，选取对应的生产规模。这样既减轻了环境的负担，又实现了经济效益，是未来生活垃圾焚烧发电厂残留物处理的发展趋势。

参考文献：

［1］ 杨媛.城市生活垃圾焚烧炉渣制备免烧墙体砖及其对环境负荷的影响［D］.广州：华南理工大学，2010.

［2］ Kosson D S，Vander H A，Eighmy T T.An approach for estimation of contaminant release during utilization and disposal of municipal waste combustion residues［J］.J Hazard Mater，2011，47 （3）：43-75.

［3］ 李宝玲.生活垃圾焚烧炉渣建材资源化研究［D］.烟台：烟台大学，2014.

中图分类号：X799.3

文献标识码：B

文章编号：1005-8206（2016）02-0025-03

作者简介：周旭（1988—），工程师，主要从事生活垃圾焚烧发电处理相关研究。

收稿日期：2015-08-04

Process and Case Analysis of Brick Making by Bottom Ash in Waste Incineration

Zhou Xu，Li Jun，Zhou Shengqing
（China Tianying Inc.，NantongJiangsu226600）

【Abstract】The bottom ash from waste incineration cannot be resource utilization and only used for extracting metal. However，it will cause secondary pollution that the bottom ash waspiled up in large quantities.Haian slag brick project of China Tianying solved this problem.After pretreatment，4.5%of Na2SiO3，3.7%of cement，13.7%of lime，4.3%of gypsum and some water were added.Then we put them into hydraulic brick making machine with 20 MPa of molding pressure，60 s of pressing time，120 sof pressure holding time，28 daysof sprinkler maintenance.The hardnessof thiskind of brick was2～3 times higher than ordinary brick.Thismethod isnot only to achieve the economic benefit，but also to reduce the environmental burden.

【Key words】bottom ash；non-burnt brick；utilization