飛灰應用在陶粒生產中的風險點控制

劉蓮香(廣州建材企業集團有限公司，廣東 廣州 510055)

1 前言

自上世紀90年代以來，由于城市生活垃圾的處理量大幅度提高、政府政策的傾斜和能源緊張等原因，生活垃圾焚燒技術在國內的城市生活垃圾處理中逐漸得到廣泛應用。焚燒法的優點在于：焚燒后可使垃圾減容80% ～90%，可解決目前垃圾填埋法土地成本高、容量無法滿足要求等問題，并可利用垃圾焚燒產生的高溫回收熱能進行利用。但是，焚燒過程將產生大量的飛灰和底灰。城市生活垃圾焚燒后，會產生約占垃圾焚燒前總量20%～30%的焚燒灰渣，其中約3%為危險廢物—飛灰，飛灰的有害特性帶來了處置困難。

廣州市某垃圾發電廠日處理垃圾約為1000噸，日產生飛灰量約為30噸；飛灰含有重金屬和多種有害物質，屬危險廢棄物；該廠垃圾焚燒產生的飛灰采用螯合劑穩定化固化處理：具體是將飛灰加入一定配比的螯合劑溶液，與飛灰中重金屬充分反應后，再加入一定量的水泥漿，對產物進行定型化；最后運往符合環保要求的處置場地進行暫存；飛灰固化后填埋的處置方式，不僅占用大量土地，而且存在有毒物質滲出的隱患。飛灰中氯鹽含量較高，氯鹽的大量存在對穩定化產物在填埋場區域內的形態穩定存在負面影響；在飛灰水泥漿中發現一種類似于硅鋁釩的物質，可以導致固化體的抗壓強度大大降低，這些問題必將影響到飛灰產物長期穩定性，存在對環境造成二次傷害的隱患。

因此，對垃圾焚燒飛灰進行徹底的穩定化、無害化和資源化處置利用，才是最終的出路。目前，多個發達國家、以及我國一些研究機構對飛灰進行了資源化利用研究，開發飛灰的實用價值。本文主要介紹在廣州市某陶粒生產企業，如何將危險廢物飛灰加入到陶粒生產過程中，找出從運輸到生產成品整個工藝流程存在的風險點，采取一系列工藝措施嚴格做好各風險點的控制，在不影響陶粒傳統性能的前提下，滿足對飛灰進行無害化、資源化處理，既節省了投入處置飛灰的財政資金；又消除了飛灰對填埋場區域內的環境壓力，達到了在陶粒生產中利用飛灰無害化處理的目的。

2 陶粒生產中利用飛灰無害化處理技術創新方案

本方案涉及陶粒生產和垃圾焚燒飛灰處理技術領域，研發出在陶粒生產中利用垃圾焚燒飛灰的技術創新方法。

2.1 陶粒特性與生產工藝

陶粒屬于人造輕骨料，由于陶粒密度輕、相對強度高，隔熱、保溫性能好，耐火、抗凍性能好，抗震性能和抗滲性能強等特點，用途廣泛。陶粒生產原料從最初采用天然的粘土、頁巖為主，已經成功改變為采用河道淤泥、造紙污泥等廢棄物、粉煤灰、硫鐵礦渣等工業廢渣為主要原料，陶粒行業積累了豐富的利廢經驗。

本方案研制的陶粒生產線是以粘土質材料為原料，采用回轉窯工藝生產陶粒，包括計量配料、攪拌均化、回轉窯煅燒、熟料冷卻和分級篩選等工藝過程。陶粒正常生產時，投料量約為400噸/日，干基大約是260噸/日，產出陶粒600方/日。產品燒成溫度大約是1200度，尾氣排放溫度大約是140度，物料在回轉窯內大約停留2小時。

2.2 飛灰特性

飛灰中有害成分主要是鉛、鉻、鎘、汞等重金屬，內含有一定濃度的二惡英，而二惡英是一類數百種的在環境中高度穩定的化合物的總稱，目前被認為是危害性較大的危險廢物。

從理論上分析，垃圾焚燒爐膛溫度在200℃左右時，二惡英開始形成；而當爐溫超過700℃以上時，開始進入二惡英的分解期。若在陶粒廠回轉窯1050-1030℃高溫氛圍，保持煙氣在爐膛內停留幾微秒，二惡英基本完全分解。

表1 主要原料物化分析結果%

2.3 技術創新方案特點

有效地控制和阻止二惡英再產生是對飛灰進行無害化資源化處理之關鍵。在陶粒生產中利用垃圾焚燒飛灰之創新方法，其特點在于：在回轉窯煅燒過程中，按原料干基比例4%-15%加入垃圾焚燒飛灰。在回轉窯煅燒過程中，將垃圾焚燒飛灰噴入回轉窯內不低于1000℃的高溫段，同時控制陶粒燒成溫度為1100—1300℃，物料在回轉窯內停留1.5—2.5小時。垃圾焚燒飛灰迅速被高溫分解處理，其大部分直接和粘土質原料進行高溫反應形成陶粒。在陶粒高溫煅燒時，飛灰中有害物質在料球中熔融并固化，冷卻后被陶粒的釉質外殼包裹，將不再發生浸出污染。

表2 實驗室試燒配方及陶粒檢驗結果

3 利用飛灰生產陶粒工藝參數的確定

3.1 飛灰作為在陶粒生產中原料投入的探討

一種原料能否用于陶粒實際生產，關鍵是看化學成分、水分、細度是否符合要求。飛灰通常為含水率較低的細小塵粒，化學成分以硅、鈣、有機質為主，由于鈣質成分太高，不大適合作為陶粒生產的主要原料，通過實驗室試驗研究，可以小比例摻入，合理配比形成適合燒制陶粒的生料。主要原料物化分析結果和陶粒生料合格要求如表1。

3.2 處置飛灰的最佳配方和燒成制度

通過實驗室里調整原料配比和升溫曲線，進行多次試燒，研究處置飛灰的最佳配方和燒成制度。試驗結果發現，相對主要原料河道淤泥(干基)，添加飛灰(干基)比例為4%-10%，適當添加硫鐵礦渣、造紙污泥，有時添加少量特殊外加劑時，可以燒制與普通陶粒物理性能相當的產品。

部份試驗結果(已經去除炸裂不成形、熔融過燒或生燒超標的失敗例子)如表2。

4 飛灰在陶粒生產應用中的風險點控制

4.1 飛灰在陶粒生產應用中的風險點

由于飛灰存在的危害特性，利用飛灰進行陶粒生產，必須對利用飛灰各個環節的風險點加以控制，本方案找出了飛灰的運輸儲存、投料方式及煙氣粉塵循環利用等三個環節，其工藝設計必須確保這三個環節在利用飛灰生產陶粒的全過程實行密閉作業，避免飛灰的逸出而產生二次污染；既使飛灰陶粒產品檢測達標，又能使煙氣排放達標。

4.2 飛灰投入陶粒生產的方法是安全處置的關鍵

陶粒生產過程中，有兩種途徑可以加入垃圾焚燒飛灰，一是在原材料混和過程中加入，飛灰和其他原材料從回轉窯的窯尾加入，逐步從低溫區進入高溫區煅燒；另一種是從窯頭的高溫區噴入，飛灰直接進入回轉窯中超過1000度的煅燒區，垃圾焚燒飛灰迅速被高溫分解處理，其大部分直接和粘土質原料進行高溫反應形成陶粒。后一種途徑相對更安全，但是操作比較困難，加入的參數如果不合適，會增加看火難度以及降低陶粒的質量。為了安全利用飛灰進行資源化處理，本方案選擇了后一種更安全處置途徑。

利用飛灰生產陶粒的工藝流程如圖1所示。

圖1 飛灰應用在陶粒生產中的工藝流程

4.3 飛灰在陶粒生產應用中的風險點的控制方法

4.3.1 飛灰的運輸儲存

將飛灰從垃圾焚燒發電廠的儲罐內卸載入帶氣力輸送泵的散裝罐車后，車送到陶粒生產車間，泵送入生產現場的立式工作儲罐，全程密閉，確保飛灰轉移過程中無揚塵泄露。

4.3.2 飛灰的投料方式

為了防止飛灰投入生產時的外泄，從密閉貯罐取料時，采用葉輪給料機和密閉螺旋輸送機調速喂料，采用變頻調速技術，實現飛灰的精確定量噴送窯爐給料，其給料量可根據工藝要求隨時通過調速設定，通過羅茨風機和低壓管道輸送將飛灰直接噴射入陶粒回轉窯窯頭的高溫區。

4.3.3 利用飛灰生產陶粒煙氣粉塵循環利用方法

飛灰在1050-1030℃高溫中迅速分解，其中部分混入了從回轉窯窯尾加入的生料球，進行高溫反應生成陶粒；另一部分混合在煙氣中，被窯尾風機抽取經過電收塵系統收集，與其它回灰一起輸送到配料工序，再與其它原料混合均化，最終從窯尾進入回轉窯燒制陶粒。

5 利用飛灰生產陶粒中試及結果

按照投入飛灰生產陶粒的工藝要求，進行了兩次生產中試，得出的結果是適量利用飛灰生產陶粒是可行的。

5.1 第一次中試

1)時間是9：00-12：00，逐步增加飛灰噴入量，其實際加入量約為2T，噴射加入速度最終定為1.25噸/小時，產品檢驗符合標準要求。如表3。

表3 第一次中試陶粒檢驗結果

2)通過對其固體物質進行樣品采集和成份分析、并對陶粒進行樣品采集并制備浸出液，分析其浸出毒性。如表4、表5。從表中數據說明陶粒的浸出毒性未有超出危險廢物鑒別標準－浸出毒性鑒別GB 5085.3-2007(發布稿)浸出毒性鑒別標準值。

表4 第一次中試飛灰浸出毒性結果

表5 第一次中試陶粒浸出毒性結果

5.2 第二次中試

1)第二次中試是根據第一次中試確定的最佳原料配方及燒成制度，連續生產較長時間，在穩定陶粒生產的同時檢測煙氣排放情況。時間是11：00—15：00，飛灰的加入量基本穩定在1.25噸/小時，飛灰加入量共5T。摻加比例相當于干基物料的12%。如表6、表7、表8、表9。

2)根據國標《輕集料及其試驗方法第1部分：輕集料》GB/T 17431.1-1998的要求，堆積密度≤400kg/m3，筒壓強度≥1.0MPa，1h吸水率≤20%，陶粒產品質量完全滿足國家標準的要求，粒級分布合理，輕質高強；通過對其固體物質進行樣品采集和成份分析、對陶粒進行樣品采集并制備浸出液，分析其浸出毒性；陶粒的浸出毒性未有超出危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別GB 5085.3-2007(發布稿)浸出毒性鑒別標準值；通過對煙囪廢氣進行樣品采集和檢測分析，煙氣排放未有超出國家標準要求。

6 技術創新方案效果

本技術創新方案通過對陶粒、飛灰成分的分析，實驗室多次對比試驗，找到了利用飛灰生產陶粒風險點，通過采用優化的風險點環節的工藝控制，以及對相關設備的比例)的工藝要求，將飛灰從陶粒回轉窯高溫區噴入，使飛灰迅速被高溫分解，在料球中熔融并固化，冷卻后被陶粒的釉質外殼包裹，不再發生浸出污染；通過對陶粒生產工藝的嚴格控制，確保陶粒各項指標符合技術改造，經過進行小規模生產試驗，驗證了在陶粒回轉窯高溫段適當添加飛灰不會影響陶粒產品的主要性能，而且在生產試驗過程中，窯爐的尾氣排放附合國家標準的要求，沒有產生二次污染；本方案研究結果是成功的，可對飛灰進行無害化、資源化處理，環保效果和社會效益十分顯著。

表6 第二次中試陶粒檢驗結果

表7 第二次中試陶粒浸出毒性結果

表8 第二次中試飛灰浸出毒性結果

表9 第二次中試煙囪廢氣樣品采集和檢測結果

該方案的研究結果有了滲有飛灰陶粒產品的達標數據和生產過程中的環保監測數據，為下一階段擴大規模投入飛灰在陶粒生產中的資源綜合利用提供了良好的基礎條件。

7 結 語

該技術創新方案的成功，關鍵是對飛灰中關鍵含有二噁英危廢物的分析，把握了二噁英只要在1050-1030℃高溫氛圍停留幾微秒，將有效控制和阻止二惡英的產生，同時在利用飛灰生產陶粒過程中，成功設計了飛灰運輸貯存、投放生產及煙氣粉塵循環利用等環節全程密閉的風險點控制措施，按照投入飛灰比例不超過12%(干基國家標準。

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