城市生活垃圾焚烧底渣特性试验研究.pdf

城市生活垃圾焚烧底渣特性试验研究 徐谦肖衡林 湖北工业大学 土木工程与建筑学院 岩土与地下工程研究所，武汉 430068 摘要 以武汉市某垃圾焚烧厂的垃圾焚烧底渣为研究对象， 进行了 SEM 扫描电镜分析、 EDX 检测、 颗粒筛分试验、 击实 试验、 直剪试验以分析其化学成分、 物理性质、 表观特征和工程特性。城市垃圾焚烧底渣是由许多小粒子团聚成的大 颗粒， 颗粒表面凹凸不平， 主要化学元素有 C、 O、 Ca、 Si， 有害元素含量少。底渣颗粒级配按照土的分类， 属于粗砂， Cu4. 24， Cc0. 9。容易进行粒径调整、 含泥量少。由试验结果可知 底渣击实性能较好， 最优含水率为 21. 2， 最大 干密度 1. 47g/cm3。抗剪指标 C 7. 95KPa， φ 7. 0， 介于砂土和黏土之间， 抗剪切能力较弱， 属于良好的路基填充材 料和混凝土、 沥青路面的替代骨料等。 关键词 城市生活垃圾; 底渣; 重金属; 土工特性 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201410024 EXPEＲIMENTAL STUDY ON PＲOPEＲTIES OF MUNICIPAL SOLID WASTE INCINEＲATION BOTTOM ASHES Xu QianXiao Henglin Institute of Geotechnical Engineering and Underground Construction， School of Civil Engineering and Architecture，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China AbstractThe subject of the study is waste incineration MSWIbottom ashes from a waste incineration plant in Wuhan． It was carried out SEM analysis，EDX analysis，particle screening test，compaction test and direct shear test． It was analyzed its chemical composition，physical properties，and the apparent characteristics and engineering properties． Municipal solid waste incineration bottom ashes were composed of many small particles with uneven surface． The principal chemical elements were C， O， Ca， Si，harmful element content was comparatively lower． Classification of particle size distribution of bottom ashes was as soil belonging to coarse sand，Cu 4. 24， Cc 0. 9， easy adjustment of particle size，low clay content． According to the test results，the slag compaction perance was good，the optimum moisture content was 21. 2，and the maximum dry density was 1. 47 g/cm3． The shear index of the bottom ash，C 7. 95 KPa， φ 7. 0，which were between sand and clay，with weak ability to resist shear， which was a good subgrade filling material and alternative aggregate for concrete and asphalt roadbed， etc． Keywordsmunicipal solid waste;bottom ashes;heavy metal;geotechnical characteristic 收稿日期 2013 －11 －15 0引言 垃圾焚烧发电相比传统的垃圾填埋可以节省大 量土地。目前， 武汉市区每天约 7 000 t 生活垃圾采 用焚烧处理 ［1 ］。垃圾焚烧技术有望成为未来我国处 理垃圾的主要方式。焚烧技术是指一定的过剩空气 量与被处理的有机废物在焚烧炉内进行氧化燃烧反 应， 废物中的有害有毒物质在高温下热解、 氧化而被 破坏， 垃圾经焚烧后可以减量 90， 减重 85。 我国将垃圾焚烧灰渣分为飞灰和底渣［2 ］。飞灰 是指烟气净化系统收集到的焚烧残余物， 包含烟灰、 注入的吸附剂、 烟道气的冷凝产物等。底渣是指焚烧 后炉床上的剩余物， 由熔渣、 玻璃、 陶瓷等不可燃物和 部分未燃有机物组成。其中垃圾焚烧底渣占焚烧垃 圾总质量的 8 ～ 9［3 ］， 所以垃圾焚烧底渣的产量 也在持续增长。根据国家 GWKB32000生活垃圾 焚烧污染控制标准 ， 焚烧飞灰属于危险废弃物， 焚 烧底渣可按一般固体废物处理。国内外对底渣的处 置方式包括卫生填埋和资源化利用。随着底渣产量 401 环境工程 Environmental Engineering 的增加， 越来越提倡对其资源化利用。与天然砂砾和 骨料相比， 底渣是一种比较轻质的材料， 并且容易进 行粒径调整。相关研究表明， 欧美国家对底渣的资源 化利用途径 ［4- 5 ］主要有石油沥青路面的替代骨料、 水 泥或混凝土的替代骨料、 填埋场覆盖材料和路堤、 路 基填充材料等。陈德珍 ［6 ］等人从生命周期分析的角 度研究得出， 采用垃圾焚烧炉渣替代碎石铺路可以节 约 53. 9的石料资源， 降低 47左右的能耗， 各种大 气污染物及有机污染物排放较碎石集料工艺低 42 ～50。而我国的大多数底渣是直接填埋， 资源 化利用率低。主要原因是我国垃圾未进行分类处理， 不同城市的生活垃圾组分有所差别， 底渣中的化学成 分及含量因地而异， 导致部分生活垃圾焚烧底渣含有 浓度较高的危险废弃物， 需进行稳定化处理后再利用。 综上所述， 垃圾焚烧底渣的资源化利用具有可观 的经济效益， 同时具有较高的环境效益。本文针对武 汉某垃圾焚烧发电厂的垃圾焚烧底渣物理化学特性 和微观形态、 工程特性进行了详细研究， 了解其相关 特性并得出结论， 验证了资源利用的可行性， 为其无 害化处理及资源化利用提供了参考。 1垃圾焚烧底渣的物理化学特性 1. 1垃圾焚烧底渣的物理特性 本文研究的武汉某大型垃圾焚烧厂采用循环流 化床焚烧炉， 该焚烧炉日处理城市生活垃圾 1 000 t 以上， 占武汉城市垃圾总量的 1/6， 焚烧温度保持在 850 ℃以上。试验研究所用的底渣取自焚烧炉炉渣 排出口。城市垃圾焚烧底渣呈灰黑色， 干燥后呈灰白 色， 有轻微刺鼻气味。底渣主要由玻璃、 陶瓷碎片、 黑 色及有色金属和熔融块等组成。实验前应去除底渣 中明显未燃烧的金属制品和陶瓷、 玻璃碎片等。通过 含水率试验得知， 底渣自然含水率范围是 7 ～ 16， 这可能是由于底渣贮存时间较长所致。 1. 2垃圾焚烧灰渣的 SEM 检测 使用 SEM 扫描电镜 JSM- 6390LV 对底渣的微 观形态进行了分析， 分辨率为 3. 0 nm， 结果见图 1。 如图1 所示， 垃圾焚烧底渣放大到50 倍可以看出底 渣呈不规则角状， 大小不一。其中含有的少量球形 颗粒应该是铝硅酸盐 ［7］， 是去除重金属吸附剂的主 要成分。部分颗粒比较光滑平整， 是底渣中残留的 玻璃碎片; 放大到 400 倍观测到底渣是由许多小粒 子团聚成的大颗粒组成， 颗粒表面凹凸不平， 表面 布满孔洞， 孔隙率较高; 放大到 2000 倍可以进一步 观察到底渣表面的形貌细节， 底渣晶体发育较好， 由针状， 粒状和团聚状晶体等多种不规则晶体组 成， 由于焚烧过程温度和空气的分布不均， 导致晶 体发育不太均匀。 图 1焚烧底渣 SEM 分析 Fig． 1SEM analysis results on bottom ashes 1. 3垃圾焚烧灰渣的 EDX 检测 由于城市生活垃圾组分差异， 焚烧过后的底渣成 分也会有所差别。何品晶 ［3 ］等人对上海地区垃圾城 市垃圾焚烧底渣研究发现其主要的化学元素有 O、 Si、 Fe、 Ca、 AI、 Na、 K、 C， 此外含有少量的 Pb、 Cr、 Cd、 As 等有害元素。张锐 ［8 ］等人对哈尔滨某垃圾焚烧厂 的底渣研究发现， 其主要元素包括 Ca、 Fe、 C、 Zn、 N、 Na、 K。为了进一步精确地确定武汉地区垃圾焚烧底 渣化学成分组成， 对底渣进行了 EDX 能谱分析， 其化 学成分见表 1。经统计底渣的主要元素 质量分数超 过 1 有 C、 O、 Ca、 Si， 此外还含有少量的 I、 Mg、 Fe、 Zn、 Al、 Cl、 K 等。底渣中 C 含量较高， 达到 58. 44， 这可能与流化床型焚烧炉焚烧过程中添加煤作为辅 助燃料有关 ［9 ］。Si、 Al、 Fe 等元素沸点高、 难以挥发， 容易留在底渣中。由于国内尚未实行垃圾分类， 焚烧 垃圾中尚存在废旧电池等产品， 所以底渣中含有少量 的 Zn［10 ］。垃圾焚烧底渣 EDX 能谱分析见图 2。由 图 2 可知 底渣的元素组成形态主要有 CaCO3、 SiO2、 MgO、 Al2O3、 KCl 等。 501 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 表 1垃圾焚烧灰渣 EDX 化学组成含量表 Table 1MSWI- bottom ashes chemical composition 元素COMgAlSiClKCaFeZnI 质量分数/58. 4436. 35 0. 290. 571. 870. 240. 163. 050. 260. 040. 71 摩尔分数/65. 5531. 69 0. 170. 30. 930. 090. 061. 060. 070. 010. 08 图 2垃圾焚烧底渣 EDX 能谱分析结果 Fig．2The results of EDX analysis of MSWI- bottom ashes 2垃圾焚烧灰渣工程特性 2. 1颗粒粒径 粒径分布影响到材料的抗压能力、 剪切强度、 渗 透性和抗冻性等 ［11 ］。粒径分布均匀、 级配好的集料 易压实到具有高承载能力的状态、 抗剪能力高、 抗冻 性好、 稳定性强。根据土工试验规程 ［12 ］， 对于垃圾焚 烧底渣采用筛分法进行颗粒分析。底渣粒径范围分 布见表 2。试验数据表明， 垃圾焚烧底渣类似于砂 土分类中的粗砂 粗砂的定义是粒径大于 0. 5 mm 的颗粒含量超过总质量的 50 。通过计算， 得知 本底渣不均匀系数 Cu 4. 24， 曲率系数 Cc 0. 9， 属于级配不良， 说明底渣缺少部分粒径。但是底渣 容易进行粒径分配， 制成商业化产品。未经粒径分 配的原始垃圾焚烧底渣同样具有一定的使用前景。 根据 TB 1000199铁路路基设计规范 ［13］将填料 分为 A、 B、 C、 D、 E 5 组类型。垃圾焚烧底渣的粒径 组成填料组别属于 B 组良好填料。公路基层中， 粒 径小于0. 075 mm的颗粒在集料中的质量分数称为 集料的含泥量。底渣的含泥量为 0. 6 ， 远远小于 规范［14］中要求的最低限值， 说明底渣抗冻性好， 不 容易发生毛细现象。JTG D302004公路路基设 计规范 ［14］中， 填方路基填料的选择也有规定， 填 料最大粒径小于150 mm， 本文研究的垃圾焚烧底渣 亦满足此要求。 表 2垃圾焚烧底渣粒组成分 Table 2MSWI- bottom ashes grain composition 粒径范围/mm10 ～205 ～10 2 ～51 ～20. 5 ～10. 2 ～0. 50. 1 ～0. 250. 075 ～0. 10. 075 以下 质量分数/0. 96. 1 12. 41625. 16. 3120. 60. 6 2. 2击实工程特性 为了解垃圾焚烧底渣的压实特性， 进行了击实试 验。采用室内击实试验， 可以测出垃圾焚烧底渣的最 大干密度和最佳含水率。试验选用风干的底渣， 过 20 mm筛， 去除明显的大块玻璃、 陶瓷碎片。配置 6 组 不同含水率的试样， 每组含水率相差 2左右， 分别加 入一定量的水搅拌均匀， 闷料24 h， 然后采用重型击实 仪进行击实试验。根据试验结果绘制底渣的击实曲线 见图5， 斜线为饱和含水率拟合直线 见图3 。 如图 3 可知 垃圾焚烧底渣的最优含水率为 21. 2左右， 最大干密度为 1. 47 g/cm3。垃圾焚烧底 渣的击实曲线平缓， 干密度受含水率变化的改变较 小， 说明底渣具有较好的击实特性。 2. 3抗剪强度指标 大量的工程实践和室内试验证明， 土体是由于受 图 3垃圾焚烧底渣击实曲线 Fig．3MSWI- bottom ashes compaction curve 剪而产生破坏， 而土体强度破坏的重要特点就是剪切 破坏 ［12 ］。构成土体抗剪强度的两个重要指标是土的 黏聚力 C 和内摩擦角 φ 。本研究采用直剪快剪试验 测定垃圾焚烧底渣的抗剪强度。试验设备采用 STJY─5型土工合成材料直剪仪 浙江土工仪器制造 有限公司 ， 试验装置主要由剪力盒、 水平加载系统、 601 环境工程 Environmental Engineering 垂直加载系统和测量系统组成。上、 下盒尺寸为 30 cm 30 cm 6 cm， 盒壁厚 2. 5 cm。准备 4 个含水率 相同的垃圾焚烧底渣试样， 分别在垂直压力 50， 100， 150， 200 kPa 时施加水平剪切力， 测得试样破坏时的 剪切力， 绘制剪应力与剪切位移的关系曲线 图 4 ， 拟合抗剪强度与垂直压力关系曲线 图 5 。 图 4底渣的剪应力与剪切位移的关系曲线 Fig．4The MSWI- bottom ashes of shear stress and shear displacement relationship curves 图 5底渣的抗剪强度与垂直压力关系曲线 Fig．5The shear strength of bottom ashes and vertical stress curve 图 4 可以看出 在快剪试验中， 剪应力随着剪切 位移的增长而增长， 随着后期剪切位移的增加， 剪应 力持续平稳。根据试验说明书规定， 当位移达到 20 mm前剪力未出现峰值， 取 20 mm 处剪应力为最大 抗剪强度。根据库伦公式 τ c σtanφ 和图5 的分 析结果可知， 垃圾焚烧底渣的摩擦角为 7. 0， 黏聚力 为 7. 95 kPa。试样的摩擦角和黏聚力均较小， 可能与 0. 075 mm 以下的黏粒含量较少有关。 3结论 1SEM扫描电镜分析表明， 底渣呈不规则角 状， 由许多不规则针状、 粒状和团聚状晶体等多种不 规则粒子组成， 孔隙率高。 2武汉地区城市垃圾焚烧底渣主要化学元素组 成为 C、 O、 Ca、 Si， 此外含有微量的有害元素， 特别是 Zn 的含量如果控制在一定范围内， 底渣可以资源化 利用。这些元素的主要组成方式有 CaCO3、 SiO2、 MgO、 Al2O3、 KCl 等。底渣中含有有害元素是因为城 市垃圾来源和组成复杂造成的， 强化垃圾分类处理更 有利于底渣的资源化利用。本文所研究的底渣有害 元素含量少， 适合对其资源化利用。 3底渣的含水率为7 ～16， 吸水能力强。本 文研究的底渣不均匀系数 Cu4. 24， 曲率系数 Cc 0. 9， 含泥量 0. 6， 底渣中粒径的主要分布为 0. 5 ～ 5 mm， 按土的分类底渣可归类为粗砂， 可以作为良好 的铁路、 公路路基填料。 4底渣的最优含水率为 21. 2， 最大干密度为 1. 47 g/cm3， 击实特性较好。垃圾焚烧底渣的摩擦角 为 7. 0， 黏聚力为 7. 95 kPa， 抗剪指标参数数值较 小， 抗剪切能力弱， 介于砂土和黏土之间。快剪试验 中， 底渣剪应力随着剪切位移的增加而增加， 当达到 峰值持续平稳。 参考文献 ［1］李卫中． 武汉 6 座垃圾焚烧厂均启动 三镇生活垃圾全部焚烧 处 理 ［EB/OL］． http / /hb． people． com． cn/n/2013/1023/ c194063- 19751484． html. ［2］GWKB32000 生活垃圾焚烧污染控制标准［S］ . ［3］何品晶， 章骅． 城市生活垃圾焚烧灰渣及其性质分析［J］． 上海 环境科学， 2002， 21 6 356- 360. ［4］Whiticar D M， Ｒalph J． Waste to EnergyA Technical Ｒeview of Municipal Solid Thermal Treatment Practices- Final Ｒeport［Ｒ］． Canada Stantec Consulting Ltd， 2011. ［5］Wiles C C，Shepherd P． Beneficial Use and Ｒecycling of Municipal Waste Combustion Ｒesidues A Comprehensive Ｒesource Document ［Ｒ］． Golden，Colorado National Ｒenewable Energy Laboratory， BK- 570- 25841， 1999. ［6］陈德珍， 耿翠洁， 孙文州， 等． 焚烧炉渣集料用于道路铺筑的节 能减排定量［J］． 建筑材料学报， 2011， 14 1 71- 77. ［7］范晓平， 邢介明， 童琳， 等． 生活垃圾焚烧灰渣的物理化学特性 ［J］． 环境卫生工程， 2009， 17 3 4- 6. ［8］张锐， 张涛． 垃圾焚烧炉渣的性质及对混凝土抗压强度影响 ［J］． 公路， 2010， 7 7 ， 145- 148. ［9］秦宇飞． 大型城市生活垃圾焚烧炉焚烧过程仿真及控制［D］． 北京 华北电力大学 北京 ， 2011． ［ 10］Chimenos J M，Fernndez A I，Nadal Ｒ．Shortterm natural weathering of MSWI bottom ash［J］． Waste Management， 2003， 23 10 887- 895. ［ 11］李立寒， 张南鹭． 道路建筑材料［M］． 上海 同济大学出版社， 1999. ［ 12］GB/T 501231999 土工试验方法标准［S］． ［ 13］TB 1000199 铁路路基设计规范［S］ . ［ 14］JTG D302004 公路路基设计规范［S］． 第一作者 徐谦 1989 － ， 女， 硕士研究生。qinkecandy sina． com 通讯作者 肖衡林 1977 － ， 男， 副教授， 主要从事环境岩土工程和光 纤传感技术等方面的教学和科研工作。xiao- henglin163． com 701 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal