（材料加工工程专业论文）城市生活垃圾焚烧底灰的性能研究及资源化利用.pdf

分类号 u d c 密 级 学校代码! q ! 1 2 劣j 凄程歹大穿 学位论文 题 目城壹生活丝拯蕉缝壅这丝箜丝硒宣垄童蘧毡型届 英文题目! 坠皇卫星垡q 婴垒垒堡曼q ! 堡坠望i 竺垃型璺q ! 迪望箜圭皇 鱼堕堡垫! 皇堕篁q 望垒q ! 主q 望堡垒垒垒垒婴鱼! 皇璺q 旦! 堡皇 u t i l i z a t i o n 研究生姓名刘学慧 指导教师姓名隧螫鞋一职称咝麴受一学位 4 3 0 0 7 0 申请学位级别工堂亟圭学科专业名称挝料加王王程 论文提交e l 期 至q 羔羔生曼旦论文答辩日期至q 兰! 生墨旦至皇 学位授予单位 武这垄王盔堂学位授予e l 期 答辩委员会主席 筮迭 一评阅人 筮鏖 置塞埴 2 0 11 年5 月 武汉理工大学硕士学位 摘要 随着城市人口的增加，城市规模的扩大和居民生活水平的提高，我国城市生 活垃圾的产生量迅猛增长，城市生活垃圾焚烧底灰的量也随着迅速增长。将城市 垃圾焚烧底灰再利用不但可以解决底灰堆放占用耕地的问题，还能达到节能减 排、资源循环利用的目的。 本文首先研究了城市垃圾焚烧底灰的工程性能，包括其物理性能，如密度、 粒度、组成材料，比例分布，以及化学组成。并与天然原材料相比较探讨其作为 建筑再生骨料利用的可行性。同时研究了城市垃圾焚烧底灰的环境危害性，对城 市垃圾焚烧底灰的环境安全性进行评估。得出的结论是：城市垃圾焚烧底灰的物 理化学性能与天然骨料相似，而且重金属浸出浓度远低于固体废弃物浸出毒性鉴 别标准，可以直接用于建筑材料中替代原材料。 其次用城市垃圾焚烧底灰来替代天然原料制备烧结砖，研究城市垃圾焚烧底 灰烧结砖的制备以及制品力学性能。实验表明在其他条件保持不变，随着底灰粒 径变大烧结砖的强度呈下降趋势：底灰粒径保持变，随着底灰掺加量的增加，烧 结砖的强度变小；烧结砖微观结构显示熔融物连接紧密使得烧结砖具有良好的抗 折强度。得出的最佳配比为：膨润土4 0 - 5 0 ，底灰3 0 - 5 0 ，粉煤灰1 0 - 2 5 ，9 3 ， 成型压力l o m p a 。烧结制度为：从常温开始升温，1 5 分钟到1 0 0 ，在1 0 0 保 温2 0 分钟后以2 每分钟的速度继续升温，到4 0 0 后保温2 0 分钟，以同样速 度升温到6 5 0 之后保温2 0 分钟，此后以5 每分钟升温到9 0 0 ，并保温2 小 时，然后随炉冷却。 最后研究了城市垃圾焚烧底灰的潜在水化活性，并用城市垃圾焚烧底灰初步 制备了养护砖。研究表明：城市垃圾焚烧底灰的具有一定的水化活性，其早期水 化活性要强于粉煤灰的水化活性；用城市垃圾焚烧底灰作为辅助胶凝材料和支撑 骨料可以制备出抗压强度超过2 0 m p a 的养护砖。 关键字：城市生活垃圾，垃圾焚烧底灰，烧结，烧结砖，水化活性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fp o p u l a t i o n , t h ee x p a n s i o no ft h ec i t ys c a l ea n dt h e i m p r o v e m e n to fr e s i d e n t s l i v i n gs t a n d a r d s ，t h ea m o u n to ft h em u n i c i p a ls o l i dw a s t e o fc h i n ai si n c r e a s e dr a p i d l y m u n i c i p a ls o l i dw a s t ei n c i n e r a t o rb o t t o ma s hi sa l s o g r o w i n gr a p i d l y r e u s eo ft h em u n i c i p a ls o l i dw a s t ei n c i n e r a t i o nb o t t o ma s hc a l ls a v e t h el a n df o rw a s t eo c c u p a t i o n t h e r ea r eb e n e f i t st or e u s eb o t t o ma s hs u c ha se n e r g y s a v i n g ，e m i s s i o nr e d u c t i o na n dr e s o u r c er e c y c l i n g i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , w es t u d i e dt h ee n g i n e e r i n gp e r f o r m a n c eo ft h em u n i c i p a l s o l i dw a s t ei n c i n e r a t i o nb o t t o ma s h ，i n c l u d i n gi t sp h y s i c a lp r o p e r t i e s ，s u c ha sd e n s i t y , p a r t i c l es i z e ，c o m p o n e n t si nt h ea l a sa n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o n w ee x p l o r e dt h eu s e o fr e c y c l e da g g r e g a t ea st h ef e a s i b i l i 哆o fb u i l d i n gb yc o m p a r i n gt ot h en a t u r a lr a w m a t e r i a l s a tt h es a m et i m ew es t u d i e dt h eh a r m f u l n e s st oe n v i r o n m e n to ft h e m u n i c i p a ls o l i dw a s t ei n c i n e r a t i o nb o t t o ma s h t h ec o n c l u s i o ni st h a t ：t h ep h y s i c a l a n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f m u n i c i p a ls o l i dw a s t ei n c i n e r a t i o nb o t t o ma s hi ss i m i l a rt o t h en a t u r a la g g r e g a t e , a n dt h el e a c h i n gc o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a l si sf a rl e s st h a n t h es t a n d a r dl e v e l ，t h ea s hc a l lb e d i r e c t l yu s e da ss e c o n d l yb u i l d i n gm a t e r i a l s s e c o n d l y , f i r e db r i c k s a r ep r o d u c e db yu s i n gt h e m u n i c i p a ls o l i dw a s t e i n c i n e r a t i o nb o t t o ma s ht or e p l a c et h en a t u r a lr a wm a t e r i a l sa n dw et h e ns t u d i e dt h e p r e p a r a t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ef i r e db r i c k e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ：i fo t h e r c o n d i t i o n sr e m a i nu n c h a n g e d ，、析廿lt h es i z eo f b o t t o ma s hi n c r e a s i n g , t h es t r e n g t ho f f i r e db r i c kw i l lb er e d u c e d ；i ft h e s i z eo fb o r o ma s hv a r i e s ，w i t ht h ei n c r e a s i n g a m o u n to fb o t t o ma s h ，t h es t r e n g t ho ff i r e db r i c kw i l lb er e d u c e d 1 1 1 es e mo ff i r e d b r i c k sa r ed e n s e ，t h es t r e n g t ho ft h eb r i c k si sh i g l l t h eo p t i m u mr a t i oc a l lb ea s f o l l o w s ：t h ec o n t e n t so fb e n t o n i t ei s4 0 - 5 0 ，b o a o ma s hi s3 0 一5 0 ，f l ya s hi s 10 2 5 ，g l a s si s3 ，m o l d i n gp r e s s u r ei sio m p a s i n t e r i n gs y s t e mi s ：s t a r t i n gf r o m r o o mt e m p e r a t u r e ，t e m p e r a t u r er e a c h e st o10 0 w h i tm i n u t e s ，a t10 0 ，i ti sk e p t f o r2 0m i n u t e s ；1 1 1 ep r e s i n t e r i n gh e a t i n gr a t ei s2 m i nt o4 0 0 ，k e p tf o r2 0 m i n u t e s ；r e a c h e st o6 5 0 b yu s i n gt h es a m er a t e ，k e p tf o r2 0m i n u t e s ；1 1 1 e p r e s i n t e r i n gh e a t i n gr a t ei s5 m i nt o9 0 0 ，k e p tf o r1 2 0m i n u t e s f i n a l l y , t h e f i r e db r i c kw i l lb ec o o l e dn a t u r a l l y f i n a l l y , w es t u d i e dt h ep o t e n t i a lh y d r a t i o na c t i v i t yo fh em u n i c i p a ls o l i dw a s t e i n c i n e r a t i o nb o a o ma s ha n dp r e l i m i n a r yp r o d u c e dc u r i n gp r o d u c t ss i n gb yu s i n gt h e u 武汉理工大学硕士学位论文 m u n i c i p a ls o l i dw a s t ei n c i n e r a t i o nb o t t o ma s h t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h em u n i c i p a l s o l i dw a s t ei n c i n e r a t i o nb o t t o ma s hh a sh y d r a t i o na c t i v i t y , a n dt h ee a r l yh y d r a t i o n a c t i v i t yo fb o t t o ma s hi ss t r o n g e rt h a nf l ya s h t h ec u r i n gb r i c kc o m p r e s s i v es t r e n g t h o ft h ep r o d u c t sc a nb ea c h i e v e dt o2 0 m p ab yu s i n gt h eb o t t o ma s ha ss u p p l e m e n t a r y c e m e n t i n gm a t e r i a la n ds u p p o r ta g g r e g a t e k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t eb o t t o ma s h ，s i n t e r i n g ，f i r e db r i c k ，h y d r a t i o n a c t i v i t y i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第l 章前言1 1 1 城市生活垃圾以及城市生活垃圾焚烧底灰概述1 1 1 1 城市生活垃圾状况及危害1 i 1 2 城市生活垃圾的处理2 1 1 3 城市垃圾焚烧的概述3 1 1 4 城市垃圾焚烧底灰3 1 2 城市生活垃圾焚烧底灰资源化利用国内外现状4 1 3 研究目的及意义5 1 4 研究内容和技术路线6 1 4 1 主要研究内容：6 1 4 2 技术路线及研究方法7 第2 章城市垃圾焚烧底灰的工程性能研究8 2 1 城市垃圾焚烧底灰的物理性能8 2 2 底灰的物理组成与前期处理1 1 2 3 城市垃圾焚烧底灰的表观形貌研究1 3 2 4 城市垃圾焚烧底灰的化学组成1 3 2 5 底灰环境危害性的研究1 4 2 6 结论1 5 第3 章用城市垃圾焚烧底灰制备烧结砖1 6 3 1 烧结砖的制备1 6 3 1 1 原材料1 6 3 1 2 仪器设备1 8 3 1 3 工艺流程1 8 3 1 4 配合比设计1 9 3 1 5 成型制度2 0 3 1 6 坯体的干燥2 0 3 1 7 烧成制度2 1 3 2 烧结制品性能分析2 2 3 2 1 抗折强度2 2 3 2 2 吸水率与显气孔率2 3 3 2 3 烧结砖性能的影响因素2 5 3 2 3 烧结砖微s e m 及x r d 分析研究3 1 3 3 小结3 3 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章用城市垃圾焚烧底灰制各养护砖3 4 4 1 原材料3 4 4 1 1 胶凝材料3 4 4 1 2 其它：3 4 4 2 工艺流程3 5 4 2 1 振动成型制品3 5 4 2 2 压制成型制品3 6 4 3 底灰水化活性的研究3 6 4 4 用城市垃圾焚烧底灰制备养护砖4 0 4 4 1 抗折强度分析4 0 4 4 2s e m 级x r d 分析4 2 4 5 小结4 5 第5 章结论4 6 参考文献4 7 附录一：攻读硕士期间发表论文5 0 致谢5 1 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 城市生活垃圾以及城市生活垃圾焚烧底灰概述 1 1 1 城市生活垃圾状况及危害 近年来，由于人口的快速增加、城市规模的不断扩大和人民生活水平日益的 提高，城市生活垃圾的产量也在高速增长。目前我国城市人均生活垃圾日产量为 0 6 - 1 2 k g 左右，而且我国产生出来的城市生活垃圾量占全世界城市垃圾产 生总量的2 7 ，而年增长速率为8 1 1 5 ，超过欧洲和北美地区6 - - 1 0 的增长速度【l 】。2 0 0 5 年我国城市生活垃圾产生量已达1 5 2 亿吨【2 】，2 0 1 0 年，年 产生达到2 5 - 5 5 亿吨，紧随美国之后排在全世界的第2 位。当前我国的建制市 为6 6 0 个，其中就有2 0 0 多个城市已经陷入城市垃圾的包围之中，而且历年来城 市垃圾垃圾堆存总量量已达6 6 亿吨并占用耕地5 亿多平方米，约折合7 5 万亩耕 地。我国的耕地面积约有2 0 亿亩，相当于全国每l 万亩耕地就有3 7 5 亩用来堆 放垃圾。我国已成为世界上垃圾包袱最重的国家之一。 我国城市垃圾主要由易腐的有机物、煤灰、脏土、砖瓦，塑胶、纸类、纤维 金属和玻璃及危险废物组成。 如此多城市生活垃圾的产生，如果疏于管理，放任自流，将会对生活环境和 人类的健康造成危害。危害主要以下几个方面： 1 ) 城市垃圾大量侵占土地，会污染土壤及农作物。我们知道，土地资源的 总量是有限的，随着环境的恶化，部分土地资源还在不断退化，而人口的数量在 不断的增长，这就必然会使人均土地资源的占有量越来越少，危害到人类的生存 和发展。另外由于垃圾里化学药品含量越来越高，填埋后数十年甚至上百年都不 会降解，加上有毒成分和重金属含在其中，这些耕地就失去了使用价值。 2 ) 堆放或者被填埋的城市生活垃圾，随着雨水的下渗，垃圾渗出液中的有 机污染物和重金属离子将影响地下水和土壤，破坏环境，并危害人类的健康。 3 ) 失控的垃圾场几乎是所有微生物孽生的温床。包括病毒、细菌、支原体 和蚊蝇、蟑螂等疾病传播媒体，啮齿类动物如老鼠，也在其中大肆繁衍，横行霸 道，使人得病，有碍健康。其中有近8 0 的流行病是因此传播的。例如由于垃圾 在大街上大量堆放，无人管理，最终导致塞拉利昂首都弗里敦连续两次发生大霍 乱，造成大量人1 ：3 死亡。1 9 8 3 年我国贵阳也曾因垃圾污染而致使痢疾大流行【l 】。 4 ) 垃圾在腐化过程中，产生大量热能，主要是氨、甲烷和硫化氢等有害气 体，浓度过高形成恶臭，严重污染大气，散发热量，从空中包围城市。这也是 气候变暖的一个原因。 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 危险废物直接或间接危害人体健康。如废灯管、废油漆，特别是废电池。 因为电池中含有汞、镉、铅等重金属物质。汞具有强烈的毒性，铅能造成神经紊 乱、肾炎等，镉主要造成肾、肝损伤以及骨疾，如骨质疏松、软骨症等，放射性 会致癌【3 1 。 1 1 2 城市生活垃圾的处理 正因为城市生活垃圾对于城市和居民有很大危害，因此世界各国都在采取各 种方法解决这个问题。目前，世界各国处理城市垃圾的方式大致有卫生填埋、焚 烧处理、堆肥、厌氧消化等，而其中前三种使用最多【4 6 1 。 1 ) 填埋法是将垃圾填埋人地下的处理垃圾的方法。人们很早以前就会将垃 圾填埋处理，既简单又经济，同时它也是最普遍的处理方法之一。填埋法可以处 理各种类型的垃圾，一般选择天然或人工开发的洼地，开发资源后的废矿坑以及 废石场等。将垃圾填埋于坑中，一般有利于恢复地貌，维持生态平衡。但是填埋 法对于填埋场场地要求高，相关费用巨大，同时对于城市的扩展以及耕地的使用 造成压力，同时容易产生二次污染，甚至引发事故。填埋法是我国垃圾处理的主 要技术。目前我国的填埋技术水平相对较低。同时填埋场渗滤液及填埋气对大气、 土壤、地下水污染较为严重，而且选址也越来越困难，同时该法也埋掉了大量可回 收利用物。虽然垃圾处理最终都会产生一部分难以处置的残渣，只有采用填埋方 式。但卫生填埋的合理途径应该是经过资源化、减量化之后的垃圾，即进综合处 理后的垃圾残余物。填埋处理作为最终处理技术有着某种程度的不可替代性，但 随着能源和资源回收工作的加强，它在垃圾处理中所占的比例将会越来越小睁 7 】 o 2 ) 堆肥法是利用微生物分解垃圾有机成分的生物化学过程处理垃圾的方 法。堆肥的关键在于提供微生物的活跃生长环境，促进致菌分解过程。堆肥主要 受到废物中养分、温度、湿度、p h 等因素控制。堆肥技术的工艺简单，适用于 易腐烂有机物含量高的垃圾。但是堆肥法只是用于垃圾中的可腐成分，因此减容 减量无害化有限，同时堆肥周期长，占用大量土地，得到的肥料肥效差，经济效 益低。好氧堆肥法是目前我国堆肥普遍采用的方法【8 】。 3 ) 焚烧法是利用热能处理垃圾的方法。焚烧法通过垃圾中可燃部分的燃烧， 转化其热能价值。它有良好的减容减质性，有效去除垃圾中有害成分，并且资源 再利用效率高，使其工业产业化的同时能和其他方法很好的结合。焚烧法需要相 当的投入来进行配套设施的建设，运行成本较高。 由于城市生活垃圾成分的复杂性，并受到经济发展水平、能源结构、地理环 境、自然条件及传统习惯的影响，国外对城市生活垃圾处置一般是随国情不同而 不同，往往一个国家中各城市也采用不同的处置方式，但最终都是以垃圾减量化、 2 武汉理工大学硕士学位论文 资源化、无害化为目标【9 】 1 1 3 城市垃圾焚烧的概述 垃圾焚烧法是目前最为广泛用于城市垃圾处理的方法之一。它是指利用垃 圾中的可燃物在焚烧炉中与氧进行燃烧来处理垃圾的一种方法。焚烧法可有效减 少城市垃圾的体积和重量，一般可减少垃圾9 5 的体积和7 5 到8 0 的重量【1 0 1 ， 达到减量化目的。焚烧法还可以分解、破坏某些垃圾中的有毒成分，而且焚烧产 生的气体和残渣中的一些有害副产物处理较原垃圾的直接处理要相对容易，达到 无害化目的。概括地说，垃圾焚烧法应达到以下几个目的【l l 】： 1 ) 减少有机物质的含量 2 ) 破坏有机污染物 3 ) 浓缩无机污染物 4 ) 减少废弃物的质量和体积 5 ) 重新利用废弃物中的能量 6 ) 保存生料和原料 垃圾焚烧是在焚烧炉中进行的，目前国内外使用较多的是机械炉排炉和流化 床焚烧炉。另外，焚烧技术往往与发电相结合，大大增加了焚烧法的资源化利用 效率。焚烧法很好的满足了垃圾处理的三个原则目标，而发达国家多年的研究和 实践也反复证实了焚烧法在垃圾处理方面的优越性，因此它在许多国家处理垃圾 方法的比例占主导地位，如瑞士达8 0 、日本达7 3 、丹麦达7 0 。我国的焚 烧技术的应用起步较晚，这主要是受经济条件的制约，导致理论研究的支持、工 业厂房的投资、人才专家的培养，相关政策的出台等等受到影响，加上公民垃圾 分类意识的淡薄造成的垃圾难以焚烧等等的限制，我国从1 9 8 8 年才开始采用焚 烧技术来处理生活垃圾，相比于西方和日本起步较晚。但随着我国经济的发展、 城市化进程的加快、生活垃圾问题的严重性凸显，城市垃圾焚烧技术有了很大的 发展，据统计，目前我国城市生活垃圾焚烧总容量已达每天1 4 1 8 0 吨。截至2 0 0 7 年底，中国垃圾焚烧发电厂总数已达7 5 座，其中建成5 0 座，在建2 5 座盯1 。随 着中国经济的进一步发展和城市居民环保意识的提高，垃圾焚烧法将会受到更多 的关注【1 2 - 1 3 1 。 1 1 4 城市垃圾焚烧底灰 垃圾焚烧法中，垃圾中的可燃物在炉膛内与氧反应后，会残留一部分灰渣。 国际上通常按照其收集来源将灰渣分为底灰、烟气净化系统飞灰和混合灰渣。底 灰是指焚烧后从炉床尾端排出的残留物，质量约占灰渣总重的8 0 左右，因此它 是灰渣的主要成分。底灰按照收集来源可分为炉排渣和炉排间掉落灰；底灰按照 武汉理工大学硕士学位论文 焚烧温度可分为普通焚烧残渣和烧结残渣，。烟气净化系统飞灰是指由烟气净化 装置所吸收的细微颗粒，它大约占灰渣总重的1 0 - 2 0 e m 。1 引。混合灰渣是底灰和 烟气净化系统飞灰等的混合物，其中底灰占其大部分比例，因此其外观与底灰相 似。 城市垃圾焚烧底灰一般呈灰黑色，在干燥后呈灰白色，有轻微异味。底灰的 主要成分为熔渣、黑色及有色金属、陶瓷碎片、玻璃和其它不燃物质，一般来说 还存在有2 - - 4 未燃烧的有机物。底灰中玻璃相占4 0 ，为主要物相，而晶相 种类多，主要有硅酸盐、氧化物、碳酸盐和盐类。底灰中的主要元素为o 、s i 、 f e 、c a 、a l 、n a 、k 、c ，此外还含有一定量的a g 、b 、b a 等元素，这些元素大多 以氧化物的形式存在。底灰中含有大量的可溶性盐，其溶解度一般为3 - 1 4 西1 。 由于焚烧垃圾中存在废旧电池等产品，所以焚烧后的底灰当中存在有一定的重金 属元素，包括z n 、m n 、c u 、p b 、c r 、c d 、a s ，其中z n 在底灰中是最主要的重金 属元素，然后依次是、c u 、p b 等元素，不过重金属含量也与底灰本身的垃圾 来源有关【i 州。 一般底灰就我国现行标准属于无毒无害的废物，可以铺路、填坑、堆放等。 从以前的一些研究可以看出，底灰的物质组成多样复杂，底灰中熔融快和灰分浸 出液的重金属浓度非常低，远远低于固体废物浸出毒性鉴别标准，可认为基本上 没有什么毒性。因此，可以将底灰直接送至垃圾填埋场进行填埋，或用作路基和 建筑材料，而不致对环境造成什么危害。相对飞灰来说底灰有物质组成多样复杂、 毒性小的特点，可按照一般固体废弃物处理。底灰比较符合用作骨料和砾石的很 多技术要求，并且其重金属浸出量小，有机毒物含量低【2 0 】，适合资源化再利用。 1 2 城市生活垃圾焚烧底灰资源化利用国内外现状 在欧美日本等发达国家城市垃圾焚烧底灰的资源化利用已有几十年的发展 历史，而且日本，瑞士，美国，法国和荷兰等国家都已经采用国家法规的形式来 规定垃圾焚烧底灰的利用【2 0 - 2 2 1 。在国外发达国家城市垃圾焚烧底灰的资源化利用 主要有以下几种方式： ( 1 ) 石油沥青铺装路面的替代骨料。底灰经筛分、磁选等方式去除其中的 黑色和有色金属并获得合适的粒径后，可以与其它骨料相混合，用作石油沥青铺 面的混合物。这在欧美及日本都有所应用：美国富兰克林研究所的实验工厂也曾 用垃圾焚烧底灰做混凝土的骨料，成本较低，用于铺设实验公路的沥青地面，效 果也良好；从7 0 年代至8 0 年代初，美国联邦公路管理局分别在休斯敦、华盛顿 和费城等地，成功地完成了至少6 项含混合灰渣( 来自物质焚烧炉) 的沥青铺装示 范工程，这些底灰被分别用于道路的粘结层、耐磨层或表层和基层，而测试结果 也表明，只要处置得当，城市垃圾焚烧底灰用于沥青中不会对环境造成危害，但 4 武汉理工大学硕士学位论文 是对底灰的用量的多少，热灼率的大小有一定要求瞄】。 ( 2 ) 水泥混凝土中的部分替代骨料。在美国和荷兰，底灰( 或混合灰渣) 被用 作混凝土中的部分替代骨料。最常见的是将底灰、水、水泥等及其它骨料按一定 比例制成混凝土砖；日本东京工业试验所对城市垃圾焚烧底灰做混凝土轻骨料进 行了研究，产品表现出来的性能良好。城市垃圾焚烧底灰如果不经处理就用于生 产混凝土，可能会出现膨胀和开裂现象，在生产混凝土土轻骨料时必须要进行预 处理，并确定出最佳生产方案1 2 4 圯q 。 ( 3 ) 填埋场覆盖材料。美国目前用的较多的资源化利用方式，由于填埋场地 自身的有利卫生条件：含环境保护设施如防渗层及渗滤液回收系统等，灰渣因重 金属浸出而对人类健康和环境的不利影响可以得到很好的控制。但填埋场混合灰 渣渗滤液的溶解盐浓度较高，常高出饮用水标准几个数量级以上，因此在用底灰 作为填埋场覆盖材料时，必须监测其渗滤液中溶解盐的情况。由于填埋厂占用的 土地量巨大，且花费资金比较多，因此这种方法在一些发展中国家并不可行 ( 4 ) 路基、路堤等的建筑填料。底灰用作停车场、道路等的建筑填料，成为欧 洲目前底灰资源化利用的主要途径之一，在美国也有一些示范工程应用。另外日 本东京工业实验室利用焚烧底灰制作墙砖和地砖进行了研究。结果表明，烧制出 的墙砖地砖，性能符合日本国家标准j i s a 5 2 0 9 的要求，质量虽有所下降，但成 本大大的降低了；用焚烧底灰制作成透水砖的资源化利用在日本也有实际的应 用，并取得了一定的效果 2 7 。3 2 1 。 我国生活垃圾焚烧污染控制标准( g b1 8 4 8 5 2 0 0 1 ) 明确规定“焚烧炉渣 按一般固体废物处理 ，因此目前我国的城市垃圾焚烧炉渣大多数用于填埋，不 但占用了很多的土地资源而且填埋费用花费巨大【l 够3 1 。焚烧底灰的资源化利用研 究相对较少，一些应用也基本都是用作路基材料，部分作为制砖材料。例如：我 国上海有关单位在作了大量研究与试验的基础上，经努力，已完成“生活垃圾焚 烧炉渣集料在公路路基基层中应用”的课题研究，并通过鉴定；由大量炉渣集料 制成的“水泥稳定级配料和“三渣 材料应用于各类道路；用炉渣集料制作凝 固剂，以替代水泥来稳定路基和其他炉渣制品的研究也在进行中；我国贵阳，西 安等地地区利用垃圾焚烧底灰配上其它的原料制出了符合国家标准的硅酸蒸养 垃圾砖，其工艺比普通的多一道垃圾筛选工序，在价格上略高于普通蒸养砖【2 l 搏 3 5 】 o 1 3 研究目的及意义 随着城市生活垃圾焚烧量的不断增长，焚烧底灰的产生量也越来越多，而且 底灰中存在一定量的p b ，c r ，c d ，a s 等重金属元素，这些重金属元素需要进行得当 的处理，以减少其环境危害性。如果进行大量填埋可能会对环境造成一定的影响， 5 武汉理工大学硕士学位论文 而且填埋场地占用耕地也浪费资金。而城市垃圾焚烧底灰的坚固性，耐久性好、 化学性质也较稳定，并具有一定的强度，其成分、工程特性与天然砂石料具有较 大的相似性。对城市垃圾焚烧底灰进行有效的资源化利用，固化有害金属离子， 可以减小其环境危害性，并可以制出工艺简单，重量轻，价格低，废物利用率高 的符合国家标准的建筑用砖。与此同时随着我国经济的高速发展，我国能源形势 的日益严峻，建筑天然原材料资源也日趋紧张，国务院也发布了国务院批转国 家建材局等部门关于加快墙体材料革新和推广节能建筑意见的通知( 国发 【1 9 9 2 1 6 6 号、国务院办公厅关于进一步推进墙体材料革新和推广节能建筑的通 知( 国发 2 0 0 5 1 3 3 号) 等政策文件大力支持倡导发展新型墙体材料，禁止使用 实心粘土砖以节约建筑能源 1 7 , 3 6 - 3 9 】。 因此城市垃圾焚烧底灰的资源化利用在节省日益紧张的填埋场地，降低底灰 的处置费用，节约建筑原材料资源的同时，又不会对环境造成不利的影响不但比 较符合我国实际国情而且符合国家有关节能减排政策，更能贯彻我国可持续发展 战略的思想，具有重要的社会意义。但是由于我国在城市垃圾焚烧底灰方面的发 展研究相对较晚，有关底灰的资源化利用的研究与国外发达国家相比还比较落 后，城市垃圾焚烧底灰的再生利用也主要用于路基基层材料，部分用作填埋场的 覆盖材料，作为替代骨料或再生骨料的应用相对较少，如此大量城市垃圾焚烧底 灰如果能够应用于再生骨料可能在很大程度上减缓我国对骨料的需求，节约大量 的资源。 于是对城市垃圾焚烧底灰的性能、环境危害性等方面进行系统研究并制备相 应的烧结砖、养护砖以节能利废保护环境成为我们研究的课题。 1 4 研究内容和技术路线 1 4 1 主要研究内容 ( 1 ) 研究城市垃圾焚烧底灰的环境危害性，对城市垃圾焚烧底灰的环境安全 性进行评估。 ( 2 ) 研究城市垃圾焚烧底灰的工程性能，包括其物理性能，如密度、粒度、 组成材料及其比例分布等，以及化学组成，研究底灰的微观结构，探讨其结构与 力学性能的机理；研究底灰与天然原材料的差异及底灰作为建筑再生骨料利用的 可行性。 ( 3 ) 研究底灰用于烧结砖的制备，探讨各工艺参数如原料配比、粒度分布 及烧成制度对制品性能及微观结构的影响，确定最佳原料配比范围。 ( 4 ) 研究底灰的水化活性，比较底灰与粉煤灰的水化活性的差异。以底灰 配以水泥、石灰及粉煤灰等掺和料，初步配制养护砖砖，测定其强度并对微观结 6 武汉理工大学硕士学位论文 构进行分析。 关键问题：通过对底灰性能的系统研究，确定其作为再生原材料的可行性， 同时掺加粉煤灰增加利费率。 1 4 2 技术路线及研究方法 ( 1 ) 对所研究的城市垃圾焚烧底灰进行重金属浸出值实验测定其有害重金 属含量，以研究评估其环境安全性。 ( 2 ) 对所研究的城市垃圾焚烧底灰的粒径分布、含水率、堆积密度、表观 密度等物理性能进行测定；对底灰进行化学成分分析，进行x 射线衍射技术测定 其矿物组成；用扫描电镜分析其表观形貌，与天然骨料相比较，研究其与天然骨 料的差异及其作为建筑再生骨料的可行性。 ( 3 ) 以城市垃圾焚烧底灰为替代骨料，再配以粘土、木屑和粉煤灰制备透 水砖。确定透水砖的物料配方，成型制度，对掺和物料进行差热分析已确定的陶 瓷透水砖配方制定其烧结制度；对成品进行抗折强度、吸水率、气孔率，并用扫 描电镜分析其抗折实验后的断面微观结构；研究不同工艺条件对烧结砖的性能的 影响，确定最佳配方及制备工艺。 ( 4 ) 以城市垃圾焚烧底灰用作辅助胶凝材料和细骨料，对养护后的成品进 行抗压实验测定不同养护龄期养护砖的抗压强度，研究底灰的水化活性。最后制 备出具有一定强度的养护砖并对断面进行电镜扫描分析其结构。 7 闷 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章城市垃圾焚烧底灰的工程性能研究 底灰的组成成分影响底灰的性能，底灰的性能影响了底灰的应用，因此本章 主要对底灰的物理化学等性质进行分析测定。 2 1 城市垃圾焚烧底灰的物理性能 测定的物理性能包括底灰的含水率、粒度分布、表观密度和堆积密度。测定 底灰的这些物理性能，并以与天然砾石相比较。 1 ) 含水率： 含水率是指底灰中所含水的质量占底灰样品总质量的百分比。实验的具体方 法为在收集来的底灰中任意称取1 0 0 克底灰各两组置于两个托盘上，然后放入烘 箱中烘干至恒重后取出，冷却至室温，在电子天平上分别称量烘干后的两组底灰 质量并记录数据并处理。 表2 1 底灰的含水率 组别干燥前质量( g )干燥后质量( g )含水率( ) 11 0 09 4 2 5 8 21 0 09 3 66 4 平均值无无 6 1 由上表知所用城市垃圾焚烧底灰的平均含水率约为6 1 ，因此使用前需要 将其烘干。 2 ) 堆积密度 堆积密度是指把粉料或粉尘自由填充于容器中，在刚填充完成后所测得的单 位体积质量。 实验器材：电子秤一个，容量筒一个( 金属制成，圆柱形，内径1 0 8m i l l ，净 高1 0 9 衄，筒壁厚2 衄，容积约为1 l ，筒底厚为5 衄) ，标准漏斗( 见下图) 一 个，烘箱一台，铝制料勺、直尺、不锈钢浅托盘等。 实验中是将待测的干燥过的底灰徐徐倒入标准漏斗中，底灰通过标准漏斗自 由落入放置在标准漏斗正下方的圆柱形金属制的量筒内( 容积约为1 l ) ，待底灰 装满容量筒并溢出筒口时，用直尺将高于量筒口平面的多余的底灰沿筒口中心线 向两个相反方向刮平，之后称取装于容量筒内底灰的质量并作记录。 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 标准漏斗 实验测得：m l = l k gm 2 = 2 6 3 k g v = 1 l 根据堆积密度计算公式： m,-ml1000pr- 。 v 式中m l 客量筒的质量，k g ： m 广- 容量筒和砂的总质量，k g ； v 容量简体积，l 。 可计算出底灰的堆积密度为p1 - - 1 6 3 0 k g m - 3 3 ) 表观密度 实验器材：电子称一台，5 0 0 m l 的容量瓶一个，烘箱一台，5 0 0 m l 烧杯一个 在盘 专宁。 试验中称取烘干试样3 0 0 9 ( m o ) ，装入盛有半瓶冷开水的容量瓶中。转动容 量瓶，使试样在水中充分搅动以排除气泡，塞紧瓶塞，静置2 4 小时左右。然后 用滴管加水，使水面与瓶颈刻度线平齐，再塞紧瓶塞，擦干瓶外水分，称其质量 ( m 1 ) 。倒出瓶中的水和试样，将瓶的内外表面洗净，再向瓶中注入与上一步水 温相差不超过2 的冷开水至瓶颈刻度线。塞紧瓶塞，擦干瓶外水分，称其质量 ( m 2 ) 。 实验测得：m i = 8 8 2 6 9m 2 = 6 7 4 2 9 实验时温度为1 5 ，查资料可得t = 1 5 时，= o 0 0 5 根据表观密度计算公式： p ：( 旦生一一口，) 1 0 0 0 p 2l 一一口fj m o + m 2 一m l 可计算出底灰的表观密度为p = 3 2 7 3 1 l k g m 弓 4 ) 粒径分布 采用筛分法。 9 武汉理工大学硕士学位论文 实验器材：标准筛一套、电子称一台、不锈钢托盘两个。 试验中称取每份5 0 0 克的试样2 分。将试样置于按筛孔大小( 大孔在上，小 孔在下) 顺序排列的套筛的最上一只筛上，手工振动2 0 分钟左右。然后称取各 筛筛余的质量，所有个各筛的分计筛余量和底盘中剩余量的总和与筛分前的试样 总量相比，其相差不得超过1 。 表2 2 底灰的粒径分布数据记录 根据以上所测得数据可绘制底灰的粒径趋势图，如下： 孔径( 咖) 图2 2 粒径分布趋势图 1 0 筋 埔 加 5 o 一水一褥求阻嘲峰骚求 武汉理工大学硕士学位论文 根据细度模数计算公式： 。怍! 壁! 丝! 望! 壁! 竺! ! 二丝 ，1 0 0 - p i 可计算出底灰的细度模数：pl = 3 4 6 l ll = 3 6 l p = ( 3 4 6 + 3 6 1 ) 2 - - 3 5 3 5 沙子的粗细按细度模数分为四级，其中细度模数为3 7 - 3 1 的为粗纱。由以 上计算数据，可以判断底灰的粒径属于粗砂范围。因此我们要要通过粉磨来得到 较小粒径的底灰用于实验。 2 2 底灰的物理组成与前期处理 底灰是指由炉床尾端排除的残余物：一般主要由熔渣、黑色及有色金属、陶 瓷碎片、玻璃和其他不燃物质及未燃有机物组成。 在本实验中，底灰的分离处理流程基本如下： 图2 3 底灰分离处理流程图 称取粒径小于4 7 5 c m 的底灰约2 2 0 克，放在烘箱中干燥。本实验的底灰的 主要组成部分是玻璃碎片、有色金属、黑色金属和熔融块等。称取干燥后的底灰 2 0 0 克，首先用通过磁选，分选出黑色金属。然后根据玻璃的外观形貌和有色金 属的特征用镊子手工分拣出玻璃碎片和有色金属。最后分别称量黑色金属、玻璃 碎片、有色金属和熔融块的质量。 武汉理工大学硕士学位论文 底灰中的玻璃碎片、黑色金属、有色金属的图片如下： 图2 4 底灰 图2 6 黑色金属 图2 5 玻璃碎片 表2 3 底灰的物理组成 图2 7 有色金属 实验中分离出的黑色金属，有色金属，玻璃等对所做的实验有影响，可以将 其回收再利用。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 的。 通过以上实验可以知道城市垃圾焚烧底灰的物理性能与天然原材料是相近 2 3 城市垃圾焚烧底灰的表观形貌研究 底灰的物理组成复杂多样，主要有玻璃高温熔体、黑色金属、有色金属和熔 融块等。在放大了2 0 0 倍的图l 中，可以看到底灰的颗粒都是不规则的，并且大 小各异。放大1 0 0 0 倍后，即在图2 上，可以看到有结构致密，表面比较平滑的 颗粒，推断应该为玻璃碎片，还可以看到表面粗糙的颗粒。在放大了2 0 0 0 倍的 图3 上，主要看到的是几个表面粗糙的颗粒，可以看出这些颗粒中有孔洞，可能 是焚烧灰渣，因此呈多孔状。 2 0 0l 0 0 0 x 2 0 0 0 图2 8 底灰的扫描电镜图 2 4 城市垃圾焚烧底灰的化学组成 实验利用x 射线荧光分析检测底灰的化学成分，结果如下表： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 从表中数据可以看出，底灰的三个含量最高的三种成分分别为s i o 。、c a o 和 a l ：0 3 ，与天然砾石的化学成分相似。 2 5 底灰环境危害性的研究 城市垃圾中所含重金属在焚烧过程中不能生成，也不能被破坏，只能发生迁 移和转化，最终以相同数量排入环境，并通过大气、饮水、食物等渠道进入人体 而造成危害。因此必须对底灰的环境危害性进行研究，分析其中重金属的含量 【3 6 】 o 本实验是利用国家标准浸出测试，测定重金属的浸出值，以此来评价其环境 安全性。 具体的操作步骤为：称取底灰l o o g 放入一个可密封的塑料瓶中，再往瓶中 加入1 5 0 9 蒸馏水。将瓶密封好，放在双层回旋振荡机上振荡8 小时后，关掉振 荡机，将瓶取出，静置1 6 小时。再将静置后的固液混合物抽滤，将抽滤出来的 液体送到材料测试中心，利用原子吸收分光光度计测其重金属浓度。 表2 5 底灰的重金属浸出值( t o g a ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 从测试结果可以看出，底灰浸出液中的重金属浓度非常低，远远低于固体废 弃物浸出毒性鉴别标准，对环境无危害，可直接处置，或送至垃圾填埋场进行填 埋，或用作路基