垃圾焚燒發電飛灰處理現狀及技術選擇

祝興林

(安徽皖能環保電力有限公司，安徽 合肥 230001)

0 引言

隨著我國城市化和人民生活水平的不斷提高，城市垃圾產生量與日俱增，其基本處理方式主要有填埋、焚燒和堆肥。垃圾焚燒發電技術是通過將垃圾放在焚燒爐中燃燒并釋放熱能后，將余熱回收以供熱或發電；同時將凈化后的煙氣排出，將少量剩余殘渣排出填埋或用于其他用途。焚燒處理技術處理量大、減容性好、無害化徹底，且有熱能回收作用。因此，對生活垃圾實行焚燒處理是無害化、減量化和資源化的有效處理方式。

近年來，隨著我國垃圾焚燒處理技術的迅猛發展，焚燒飛灰產量巨大，焚燒飛灰處理技術成為環保領域研究的熱點之一。由于垃圾焚燒飛灰中含有較高濃度的二噁英和重金屬，是危險固體廢棄物，將其直接填埋會對周邊環境造成嚴重的二次污染，因此需要對垃圾焚燒飛灰進行無害化處理。

1 垃圾焚燒飛灰簡介

垃圾焚燒飛灰是指在垃圾焚燒廠的煙氣凈化系統中收集的殘余物，一般包括除塵器飛灰和吸收塔飛灰，其中含有煙道灰、加入的化學藥劑及化學反應產物等。垃圾焚燒飛灰作為一種高比表面積物質，不僅富集大量的汞、鉛和鎘等有毒重金屬，也富集了大量的二噁英類物質，是一種同時具有重金屬危害特性和環境持久性有機毒性危害特性的雙料危險廢物，對人體健康和生態環境具有極大的危害性。

垃圾焚燒飛灰是含水率很低的細小塵粒，呈淺灰色粉末狀。從理化性質看，一般所取灰樣的含水率為10 %～23 %，熱灼減率為34 %～51 %。飛灰是由顆粒物、反應產物、未反應產物和冷凝產物聚集而成的不規則物體，粒徑大小不均，基本在100 μm以下，表面粗糙，呈多角質狀，孔隙率較高，比表面積較大，其表面易凝結富集Pb和Cd等易揮發性金屬。焚燒飛灰的主要化學成分為：SiO2，24.5 %；Fe2O3，4.01 %；Al2O3，7.42 %；TiO2，0.62 %；CaCl2，3.37 %；MgO，2.72 %；SO3，12.03 %；CaO，0.5 %；Cl2，10.56 %。焚燒飛灰中各種重金屬的含量大不相同，其中Zn，Pb，Cu，Cr和Cd等有害物質濃度較高，這與焚燒溫度和各種重金屬物質的蒸發點有關。蒸發點低于焚燒溫度的重金屬物質，受熱后將全部蒸發而進入煙氣。煙氣中的重金屬蒸汽，隨煙氣溫度的降低，凝結成均勻的小顆粒并附著于煙塵上，最后被煙氣除塵設備捕集下來，形成焚燒飛灰。飛灰中的水溶態重金屬含量較少，可浸出的Pb和Zn主要以酸溶態形式存在。而Cd主要以酸溶態和離子交換態形式存在，這說明在酸性條件下，飛灰的重金屬浸出毒性會大大增加。

2 垃圾焚燒飛灰處理技術現狀

2.1 固化與穩定化法

固化與穩定化技術是國際上處理有毒廢物的主要方法之一，而膠凝材料是目前應用最廣、最重要的固化與穩定化材料。國外已經開展過以垃圾焚燒飛灰作為水泥混凝土集料或混合材的研究，也報道了運用熱處理技術把垃圾焚燒飛灰資源化的方法。

2.1.1 水泥固化法

固化處理是利用固化劑與垃圾焚燒飛灰混合后形成固化體，從而減少重金屬的溶出。水泥是最常見的危險廢物固化劑，因此工程中常采用水泥對焚燒飛灰進行固化處理。飛灰被摻入水泥的基質中后，在一定的條件下，經過一系列的理化作用，減小污染物在廢物水泥基質體系中的遷移率，如形成溶解性比金屬離子小得多的金屬氧化物等。

此外，還可添加一些輔料以增進反應過程，最終使粉粒狀物料變成堅固的混凝土塊，從而使大量的廢物因固化而穩定。對垃圾焚燒飛灰進行穩定化處理研究，結果表明：盡管采用了水洗、粉碎等飛灰前處理工藝，處理后的砌塊仍難以達到較高強度。另外，由于受氯離子的影響，固化砌塊中的Fe2+，Cu2+，Zn2+等離子容易浸出，導致污染物超標。

研究表明，垃圾焚燒飛灰可作為輔助材料代替水泥加入混凝土，用這種垃圾焚燒飛灰代替45 %水泥時，其耐壓強度與原來的相當。用重金屬及氯化物含量高的焚燒飛灰替代水泥材料時，應進行適當處理，如水洗或加入添加劑。

研究指出，垃圾焚燒飛灰與礦渣等材料復合，可改善水泥的后期強度。從強度發展趨勢看，垃圾焚燒飛灰與其他混合材復合，在一定程度上改善了單摻垃圾焚燒飛灰導致水泥后期強度增長緩慢的情況。垃圾焚燒飛灰與礦渣或低鈣粉煤灰復合可改善水泥后期強度，與礦渣復合后其效果更加顯著。

盡管水泥固化處理焚燒飛灰具有工藝成熟、操作簡單、處理成本低等優點，但由于垃圾焚燒飛灰中含有較高的氯離子，所以采用水泥固化法處理焚燒飛灰時，必須進行前處理，以減少氯離子對固化后砌塊的機械性能影響以及后期重金屬離子浸出等問題。這就在很大程度上提高了對焚燒飛灰處置場所建設和運行的要求，造成成本增加，限制了該方法的應用。

2.1.2 凝石穩定化法

凝石是將具有火山灰活性的固體廢棄物，包括粉煤灰、冶金渣、煤矸石、油頁巖渣、預處理過的尾礦、黃河砂、城市建筑垃圾以及天然火山灰等硅鋁質物料，加入少量或不加水泥熟料，再配入1 %～5 %的成巖劑，分別磨細再混勻或一起混磨而成的。凝石是基于仿地成巖原理制備的硅鋁基膠凝材料，能夠在許多場合替代水泥。

目前，在中國已形成幾十條凝石生產線和每年數百萬噸的生產規模。凝石技術體系推廣應用的基本模式是：凝石成巖劑由區域性工廠集中生產，將生產好的凝石成巖劑運往凝石膠凝材料工廠，在凝石膠凝材料工廠內將1 %～5 %的凝石成巖劑與上述固體廢棄物磨細后的微粒一起混磨均勻，加入少量或不加水泥熟料，就可得到凝石膠凝材料。

垃圾焚燒飛灰在凝石成巖劑中的加入量為1 %～10 %，這樣其在成巖劑中就得到了10～100倍的稀釋。成巖劑在凝石膠凝材料中的加入量為1 %～5 %，這樣垃圾焚燒飛灰在凝石膠凝材料中就得到了200～10 000倍的稀釋。

該技術初步研究的結果表明：凝石對垃圾焚燒飛灰中重金屬物質的處理效果良好。當焚燒飛灰的摻加量為1 %～5 %時，凝石中的重金屬得到了有效處理，滲濾結果均符合固體廢棄物浸出毒性鑒別標準，浸出液中的重金屬濃度都遠遠低于城市污水排放的標準，對環境不會造成危害。該技術被認為在固體廢棄物資源化利用方面非常有應用前景。

2.1.3 熔融固化技術

經加熱熔融，焚燒飛灰中的二噁英等有機污染物會發生高溫分解，再將熔渣快速冷卻形成致密且穩定的玻璃體，從而有效控制重金屬的浸出。熔融固化技術不僅可以控制污染，而且熔融使灰渣變得致密，減容效果非常顯著。此外，根據生產需要，可以將熔渣制成建筑材料或作為玻璃、陶瓷等生產行業的原料，實現灰渣的資源化利用。

研究表明：灰渣熔融后，僅因其密度增加即可減容約70 %。如果再考慮到熔渣綜合利用，對于填埋負擔而言，可以達到1/20的減容比。目前發達國家已經研究出2種成熟的熔融技術。

(1)燒結法，是將待處理的危險廢物與細小的玻璃質，如玻璃屑、玻璃粉混合造粒成型后，在1 000～1 100 ℃高溫下熔融形成玻璃固化體，以借助玻璃體的致密結晶結構，確保固化體的永久穩定。但該方法需充分結合化學穩定和熔融處理工藝，才能降低垃圾焚燒飛灰對環境的危害。

(2)熔融法，是在燃料爐內，利用燃料或電能將垃圾焚燒飛灰加熱到1 400 ℃左右，使飛灰熔融后經過一定的程序冷卻變成熔渣，然后將熔渣作為建筑材料，以實現飛灰減容化、無害化、資源化。熔融固化需要將大量物料加熱到熔點以上，一般采用電或其他燃料，需要的能源和費用都相當高。相對于其他處理技術，熔融固化的最大優點是可以得到高質量的建筑材料。

國外已研制出多種垃圾焚燒飛灰處理的高溫熔融爐，并在日本和歐洲有少量使用。但由于此工藝需要消耗大量能源，且對Pb，Cd，Zn等易揮發重金屬元素需進行嚴格后續的煙氣處理，導致飛灰處理成本較高，目前只能在經濟發達的國家應用。

2.1.4 燒制陶粒技術

專利CN1830885《利用垃圾焚燒飛灰為原料的陶粒及其制備方法》中提出了一種利用垃圾焚燒飛灰為原料的陶粒及其制備方法。其原料組成為：飛灰20 %～80 %，其余為黏土。這些原料經配料、造粒、高溫煅燒后即可制成陶粒產品。所需高溫煅燒的燒結溫度為1 000～1 400 ℃。此專利將危險廢棄物-垃圾焚燒飛灰作為陶粒原料再生利用，實現了對固體廢棄物飛灰的無害化、資源化處理，避免了二次污染，減少了資源浪費。這樣，既可安全處置垃圾焚燒飛灰，又經濟、可行地利用城市垃圾焚燒飛灰制備陶粒產品，減少了陶粒工業對天然原料的需求量。

2.2 濕式化學處理法

飛灰濕式化學處理法包括加酸萃取法、煙氣中和碳酸化法等。該工藝將飛灰中的重金屬(如酸、堿等)提取后，再將剩余飛灰和重金屬分別進行資源化利用。該工藝運行成本較低，可回收重金屬和鹽類。

研究表明：飛灰經過磷酸洗滌后，Zn的溶出率由水洗時的112.65 mg/kg降低至2 mg/kg，且未檢出Pb的溶出，固留在灰樣中重金屬的殘留態和有機態的比例都有不同程度的提高。由此可見，磷酸洗滌不但能有效抑制重金屬的溶出，還有助于改善重金屬的化學穩定性和飛灰的熱穩定性。研究還指出，由于大多數有害離子的浸出率較低，對安全填埋影響不大，也可作為建材、筑路材料。

采用濕式化學處理法提取飛灰中的重金屬，主要具有以下優點：

(1)飛灰中的可溶鹽溶解于水中，提高了處理效果，增加了處理物的穩定性；

(2)處理物中的可溶鹽較少，且形態為脫水濾餅狀，易于操作、搬運、填埋；

(3)工藝簡單，可操作性強，但也存在需對可溶鹽和排水進行處理的弊端，一般只用于重金屬濃度較高、有必要進行回收的情況下，目前很少應用。

2.3 安全填埋法

安全填埋法是將垃圾焚燒飛灰在現場進行簡單處理后，送入安全填埋場進行填埋的方法，是目前處理垃圾焚燒飛灰最安全可靠的手段之一。但安全填埋場的建設和運行費用較高，垃圾焚燒處理廠難以承受，同時也不能達到減容化和資源化的目的，因此今后會逐漸減少此方法的應用。

2.4 其他

國外曾研究在焚燒飛灰中加入SiO2，MgO，TiO2制造玻璃，并將其進一步轉化為玻璃陶瓷制品，作為建筑材料。

隨著經濟的發展和人們環保意識的提高，對于未來垃圾焚燒飛灰的處理應該是隨污染物排放標準的提高，無害化程度也進一步提高，同時盡可能減少處理和控制二次污染物的運行費用。

3 結束語

我國現有垃圾焚燒廠對含有重金屬、二噁英等的垃圾焚燒飛灰，采用堆存或簡單處理的方法極易造成嚴重的環境污染，因此應發展適宜的焚燒灰熔融處理配套設施。

結合我國實際情況，垃圾焚燒飛灰處理的發展方向應該包括以下3個方面：

(1)開發先進的焚燒爐，并加強對入爐垃圾的控制；

(2)開發穩定效果好、處理成本低的化學穩定劑以減少垃圾焚燒飛灰中的重金屬遷移；

(3)開發安全可靠、能耗低、效益好的資源化技術，資源化處理垃圾焚燒飛灰，變廢為寶。

國外通常將醫療垃圾消毒處理后和生活垃圾一起進行焚燒，但因我國生活垃圾未進行分類收集，垃圾焚燒灰組成與國外有一定的區別，不能直接引進國外技術。因此，必須結合垃圾焚燒飛灰的組分、生活垃圾的處理規模、能量來源、建設投資費、運行費用、操作復雜性、金屬回收以及熔融產物利用等方面的因素，綜合考慮，慎重選擇適宜的焚燒飛灰熔融處理技術，真正做到垃圾焚燒飛灰處理的安全、經濟、實用、可靠。

1 姜宗順，崔向東，韓學成．垃圾焚燒飛灰分析及治理[D]. 第一屆國際固體廢物處理技術與設備研討會論文集，2002．

2 張若冰，池 涌，陸勝勇，等．垃圾焚燒過程中重金屬分布特性的研究[J]．工程熱物理學報，2003．

3 蔣建國，王 偉．重金屬螯合劑處理焚燒飛灰的穩定化技術研究[J]．環境科學，1999.

4 李卓然，陳國安．利用非金屬礦物特性對垃圾焚燒飛灰中Pb2+穩定化處理[J]．中國非金屬礦工業導刊，1999.

5 蔣建國，王 偉，李國鼎．重金屬螯合劑處理焚燒飛灰的穩定性實驗研究[J]．上海環境科學，2001．

6 張瑞娜，趙由才，許 實．生活垃圾焚燒飛灰的處理處置方法[J]．蘇州科技學院學報(工程技術版)，2003.