“飞灰难”难在哪?

飞灰处理
 
      随着城市化的高度发展,生活垃圾产量剧增,目前国内外普遍垃圾处理方式有焚烧、填埋、堆肥【1】等方法。
 
      其中,焚烧法可使垃圾减容90%,减量75%,产生的热能可以回收利用,能够最大限度地实现生活垃圾的减量化、无害化、资源化,而且占用土地资源最少。但垃圾焚烧过程中产生大量的飞灰(约占焚烧垃圾总量的3%-5%),并且飞灰中的重金属、二噁英污染物危害性强,不加以妥善处置将对环境和人体健康造成严重危害。
 
     我国的生活垃圾焚烧污染物排放执行《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2001),规定焚烧飞灰应作为危险废物处理,目前以送到危险废物填埋场进行安全填埋为较妥当的处置方式。
 
     2008年7月1日实施的《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)对焚烧飞灰的处置有了新的规定,即生活垃圾焚烧飞灰经处理后满足一定条件即可进入生活垃圾填埋场进行处置。
 
《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)
《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)
 
什么是飞灰?
飞灰
 
       飞灰是指生活垃圾焚烧后在烟气净化、热回收利用等系统中收集的焚烧残余物,包括吸收塔飞灰和除尘器飞灰,其中含有烟道灰、加入的化学药剂及化学反应物等,一般在烟气净化系统、热回收利用系统等中收集产生,为颗粒形态,形态多样且一般粒径小于300μm,含水率较低。
 
      飞灰中主要含有较大量的易溶盐类,铝、钠、钾、锌、硅等金属氧化物,还有含有对环境危害较大的重金属污染物,另外飞灰中还富集了焚烧过程中产生的二噁英类物质,研究表明其含量最高可达3.83ng/g以上,为一般土壤背景值的60倍以上。
 
飞灰的理化性质
 
      城市生活垃圾焚烧飞灰为浅灰色粉末状且粒径较小,结构复杂,有针状、板片与方柱状等形态结构,比表面积及孔隙率较大,含水率较低。
 
      飞灰中的化学元素主要包括Ca,Cl,K,Si,Na,S和Fe等【2】。飞灰的化学成分根据不同地区飞灰其化学组成不同,但主要的化学成分为CaO,Cl,SiO2,Al2O3,Fe2O3,K2O,Na2O等,其中CaO和Cl的含量较高。飞灰属于SiO2-Al2O3-Fe2O3金属氧化物体系,具有一定的胶凝活性,氯易使一些重金属形成金属氯化物,增加重金属的浸出【3】。
 
 中国不同地区飞灰化学组成
中国不同地区飞灰化学组成
 
飞灰对我们有哪些危害?
 
      飞灰同时具有重金属危害特性和持久性有机污染物特性。通过对某生活垃圾焚烧发电厂焚烧飞灰特性研究,结果发现,飞灰中Pb,Cd,Zn的浸出浓度均超过标准值。重金属释放到环境,有污染环境及危害人体健康的风险。
 
      研究发现,飞灰重金属对成人及孩子都具有强的非致癌和致癌风险,汞的非致癌风险指数为1.9244,超过标准值1,严重损害孩子的健康。飞灰中二噁英物质极易吸附在粉尘颗粒上,若二噁英排放到环境中,易经皮肤、呼吸道、消化道等暴露途径进入体内,造成人体免疫力下降、内分泌紊乱等问题。
垃圾焚烧中重金属迁移图
垃圾焚烧中重金属迁移图
 
国内常见飞灰处置技术
 
1.化学药剂稳定技术
 
飞灰药剂固化流程图
飞灰药剂固化流程图
 
     化学药剂稳定技术是利用化学药剂生成难溶、稳定的化合物,以此阻断飞灰中重金属的析出,将飞灰中有毒有害物质稳定化后使其溶解性、迁移性及毒性物质降低到安全程度的过程。
 
     化学药剂稳定化技术处理焚烧飞灰可通过改进螯合剂结构性能或选用新型螯合剂来达到强化其与飞灰中有毒有害物质化学螯合作用的目的,从而提高固化终产物的长期稳定性。该技术具有无害化、少或不增容、成本相对低廉等优点。
 
飞灰螯合剂系列
飞灰螯合剂系列
 
      长隆科技自主研发的清源?飞灰重金属螯合剂系列是一种有机接枝高分子螯合剂,由长隆科技研究院博士团队研究开发,产品于18年获得上海科学技术发明一等奖。
 
2.水泥固化技术
 
      水泥固化技术是利用水泥的水化过程中的物理化学反应使飞灰中的重金属固化于水泥水化反应生产的水化硅酸盐中,固化后一般呈氢氧化物或络合物等形态。
 
      水泥固化技术目前在全世界范围内应用广泛,也是我国目前生活垃圾飞灰主要处理技术,其优点在于原料丰富、工艺成熟、操作简便、成本低廉等,但缺点也很明显,主要表现在:需加入水泥进行固化,增加固化后体积,不利于减量化;飞灰中二噁英固化后依然存在,无法实现降解;部分重金属固化后稳定性不佳,易受酸性介质侵蚀;固化消耗大量水泥,不利于碳减排等。
 
3.熔融固化技术
 
      熔融固化技术根据温度不同,一般可分为烧结法和熔融/玻璃化两种。由于该技术采用高温处理方式,可以实现飞灰中二噁英类有机污染物的降解和重金属的有效固化,目前在发达国家发展迅速。
 
     高温熔融固化技术具有减量化程度高、重金属固定效果好、能充分分解二噁英等优点,目前已成为飞灰处理的热点,在发达国家也有少量应用,但由于该技术耗能高、成本大,且需飞灰对部分易挥发重金属进行尾气处理等,目前尚未能大规模推广【4】。
 
4.水热稳定化技术
 
      水热稳定化技术是利用飞灰中含有的Si和Al在碱性条件下,水热合成对飞灰中的重金属具有离子吸附、离子交换、沉淀和物理包裹等作用的沸石矿物类物质,从而实现飞灰无害化。
 
     有关研究表明,水热法处理飞灰不仅能稳定飞灰中重金属,使重金属浸出毒性低于我国填埋标准,还能有效降解飞灰中二噁英类有机物质。
 
5.水泥窑协同处置技术
 
     水泥窑协同处置技术是用飞灰作为水泥原料生产水泥的主要技术。将飞灰进行水洗处理(氯盐去除)后作为水泥原料,通过水泥窑高温烧成彻底分解二噁英。生产工艺中,二噁英能被有效分解,其去除率高达99%【5】,将重金属固化稳定化在水泥熟料中,而水洗废水通过处理后全部回用。
 
     水泥窑协同处置技术具有资源化程度高、环境风险小和不占用土地的特点,得到了政府部门的认可,入选原环境保护部2017年发布的固体废物治理领域的《国家先进污染防治技术名录》和工业和信息化部《建材工业鼓励推广应用的技术和产品目录(2018-2019年本)》,是国家鼓励推广应用的环保技术。
 
6.高温烧结制陶粒技术
 
      将飞灰或与工业固体废物或粘土等原料的混合物,加入助熔剂、粘结剂等添加剂后,加热至飞灰的熔点,形成可作为陶粒使用的轻质致密固体。用飞灰烧制的多孔陶粒,其强度大,在实际中应用范围广,但制作过程中能耗高,设备性能要求高,并且存在烟气污染等问题,需进一步研究。
 
7.其他
 
     飞灰除了可以用作生产水泥的原料、沥青浆料、烧制多孔陶粒轻骨料和制备混凝土,还可用作玻璃、路基吸附、污泥调理剂、复合材料的填料等。飞灰可用于公路边坡上。研究发现,飞灰掺入量5%时,对边坡防护起到了积极作用,降低基材浸出液重金属离子浓度。
 
     此外,国外还有学者研究发现,用经电渗析处理的飞灰孔隙率和吸水率低,可用飞灰代替部分粘土生产砖。
 
     随着焚烧飞灰的不断增加、土地稀缺性的不断加剧,飞灰及其固化终产物资源化利用更将成为今后飞灰处理的必然要求和趋势,且将向高适用性、高稳定性、低成本和资源化方向发展。

【参考文献】

【1】陈茜,张冰如.重金属螯合剂稳定垃圾焚烧飞灰重金属的研究[J].环境科学学报,2015,34(1): 34-37.

【2】欧阳创,张瑞娜,毕珠洁,等生活垃圾焚烧厂飞灰重金属特性分析[J].环境卫生工程,2015(5):35- 38.

【3】Jiao F,Zhang L,Dong Z,et al.Study on the species of heavy .metals in MSW 

incineration fly ash and their leaching behavior[J].Fuel Processing Technology,2016, 152: 108-115.

【4】王学涛,等.利用旋风炉玻璃化处理垃圾焚烧飞灰实验研究[J].燃料化学学报,2010,38(5):621-625.

【5】肖海平,茹宇,李丽,等.水泥窑协同处置生活垃圾焚烧飞灰过程中二噁的移和降解特性[J].环境科学研究,2017,30(2):291-297. 


飞灰处理
 
      随着城市化的高度发展,生活垃圾产量剧增,目前国内外普遍垃圾处理方式有焚烧、填埋、堆肥【1】等方法。
 
      其中,焚烧法可使垃圾减容90%,减量75%,产生的热能可以回收利用,能够最大限度地实现生活垃圾的减量化、无害化、资源化,而且占用土地资源最少。但垃圾焚烧过程中产生大量的飞灰(约占焚烧垃圾总量的3%-5%),并且飞灰中的重金属、二噁英污染物危害性强,不加以妥善处置将对环境和人体健康造成严重危害。
 
     我国的生活垃圾焚烧污染物排放执行《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2001),规定焚烧飞灰应作为危险废物处理,目前以送到危险废物填埋场进行安全填埋为较妥当的处置方式。
 
     2008年7月1日实施的《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)对焚烧飞灰的处置有了新的规定,即生活垃圾焚烧飞灰经处理后满足一定条件即可进入生活垃圾填埋场进行处置。
 
《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)
《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)
 
什么是飞灰?
飞灰
 
       飞灰是指生活垃圾焚烧后在烟气净化、热回收利用等系统中收集的焚烧残余物,包括吸收塔飞灰和除尘器飞灰,其中含有烟道灰、加入的化学药剂及化学反应物等,一般在烟气净化系统、热回收利用系统等中收集产生,为颗粒形态,形态多样且一般粒径小于300μm,含水率较低。
 
      飞灰中主要含有较大量的易溶盐类,铝、钠、钾、锌、硅等金属氧化物,还有含有对环境危害较大的重金属污染物,另外飞灰中还富集了焚烧过程中产生的二噁英类物质,研究表明其含量最高可达3.83ng/g以上,为一般土壤背景值的60倍以上。
 
飞灰的理化性质
 
      城市生活垃圾焚烧飞灰为浅灰色粉末状且粒径较小,结构复杂,有针状、板片与方柱状等形态结构,比表面积及孔隙率较大,含水率较低。
 
      飞灰中的化学元素主要包括Ca,Cl,K,Si,Na,S和Fe等【2】。飞灰的化学成分根据不同地区飞灰其化学组成不同,但主要的化学成分为CaO,Cl,SiO2,Al2O3,Fe2O3,K2O,Na2O等,其中CaO和Cl的含量较高。飞灰属于SiO2-Al2O3-Fe2O3金属氧化物体系,具有一定的胶凝活性,氯易使一些重金属形成金属氯化物,增加重金属的浸出【3】。
 
 中国不同地区飞灰化学组成
中国不同地区飞灰化学组成
 
飞灰对我们有哪些危害?
 
      飞灰同时具有重金属危害特性和持久性有机污染物特性。通过对某生活垃圾焚烧发电厂焚烧飞灰特性研究,结果发现,飞灰中Pb,Cd,Zn的浸出浓度均超过标准值。重金属释放到环境,有污染环境及危害人体健康的风险。
 
      研究发现,飞灰重金属对成人及孩子都具有强的非致癌和致癌风险,汞的非致癌风险指数为1.9244,超过标准值1,严重损害孩子的健康。飞灰中二噁英物质极易吸附在粉尘颗粒上,若二噁英排放到环境中,易经皮肤、呼吸道、消化道等暴露途径进入体内,造成人体免疫力下降、内分泌紊乱等问题。
垃圾焚烧中重金属迁移图
垃圾焚烧中重金属迁移图
 
国内常见飞灰处置技术
 
1.化学药剂稳定技术
 
飞灰药剂固化流程图
飞灰药剂固化流程图
 
     化学药剂稳定技术是利用化学药剂生成难溶、稳定的化合物,以此阻断飞灰中重金属的析出,将飞灰中有毒有害物质稳定化后使其溶解性、迁移性及毒性物质降低到安全程度的过程。
 
     化学药剂稳定化技术处理焚烧飞灰可通过改进螯合剂结构性能或选用新型螯合剂来达到强化其与飞灰中有毒有害物质化学螯合作用的目的,从而提高固化终产物的长期稳定性。该技术具有无害化、少或不增容、成本相对低廉等优点。
 
飞灰螯合剂系列
飞灰螯合剂系列
 
      长隆科技自主研发的清源?飞灰重金属螯合剂系列是一种有机接枝高分子螯合剂,由长隆科技研究院博士团队研究开发,产品于18年获得上海科学技术发明一等奖。
 
2.水泥固化技术
 
      水泥固化技术是利用水泥的水化过程中的物理化学反应使飞灰中的重金属固化于水泥水化反应生产的水化硅酸盐中,固化后一般呈氢氧化物或络合物等形态。
 
      水泥固化技术目前在全世界范围内应用广泛,也是我国目前生活垃圾飞灰主要处理技术,其优点在于原料丰富、工艺成熟、操作简便、成本低廉等,但缺点也很明显,主要表现在:需加入水泥进行固化,增加固化后体积,不利于减量化;飞灰中二噁英固化后依然存在,无法实现降解;部分重金属固化后稳定性不佳,易受酸性介质侵蚀;固化消耗大量水泥,不利于碳减排等。
 
3.熔融固化技术
 
      熔融固化技术根据温度不同,一般可分为烧结法和熔融/玻璃化两种。由于该技术采用高温处理方式,可以实现飞灰中二噁英类有机污染物的降解和重金属的有效固化,目前在发达国家发展迅速。
 
     高温熔融固化技术具有减量化程度高、重金属固定效果好、能充分分解二噁英等优点,目前已成为飞灰处理的热点,在发达国家也有少量应用,但由于该技术耗能高、成本大,且需飞灰对部分易挥发重金属进行尾气处理等,目前尚未能大规模推广【4】。
 
4.水热稳定化技术
 
      水热稳定化技术是利用飞灰中含有的Si和Al在碱性条件下,水热合成对飞灰中的重金属具有离子吸附、离子交换、沉淀和物理包裹等作用的沸石矿物类物质,从而实现飞灰无害化。
 
     有关研究表明,水热法处理飞灰不仅能稳定飞灰中重金属,使重金属浸出毒性低于我国填埋标准,还能有效降解飞灰中二噁英类有机物质。
 
5.水泥窑协同处置技术
 
     水泥窑协同处置技术是用飞灰作为水泥原料生产水泥的主要技术。将飞灰进行水洗处理(氯盐去除)后作为水泥原料,通过水泥窑高温烧成彻底分解二噁英。生产工艺中,二噁英能被有效分解,其去除率高达99%【5】,将重金属固化稳定化在水泥熟料中,而水洗废水通过处理后全部回用。
 
     水泥窑协同处置技术具有资源化程度高、环境风险小和不占用土地的特点,得到了政府部门的认可,入选原环境保护部2017年发布的固体废物治理领域的《国家先进污染防治技术名录》和工业和信息化部《建材工业鼓励推广应用的技术和产品目录(2018-2019年本)》,是国家鼓励推广应用的环保技术。
 
6.高温烧结制陶粒技术
 
      将飞灰或与工业固体废物或粘土等原料的混合物,加入助熔剂、粘结剂等添加剂后,加热至飞灰的熔点,形成可作为陶粒使用的轻质致密固体。用飞灰烧制的多孔陶粒,其强度大,在实际中应用范围广,但制作过程中能耗高,设备性能要求高,并且存在烟气污染等问题,需进一步研究。
 
7.其他
 
     飞灰除了可以用作生产水泥的原料、沥青浆料、烧制多孔陶粒轻骨料和制备混凝土,还可用作玻璃、路基吸附、污泥调理剂、复合材料的填料等。飞灰可用于公路边坡上。研究发现,飞灰掺入量5%时,对边坡防护起到了积极作用,降低基材浸出液重金属离子浓度。
 
     此外,国外还有学者研究发现,用经电渗析处理的飞灰孔隙率和吸水率低,可用飞灰代替部分粘土生产砖。
 
     随着焚烧飞灰的不断增加、土地稀缺性的不断加剧,飞灰及其固化终产物资源化利用更将成为今后飞灰处理的必然要求和趋势,且将向高适用性、高稳定性、低成本和资源化方向发展。

【参考文献】

【1】陈茜,张冰如.重金属螯合剂稳定垃圾焚烧飞灰重金属的研究[J].环境科学学报,2015,34(1): 34-37.

【2】欧阳创,张瑞娜,毕珠洁,等生活垃圾焚烧厂飞灰重金属特性分析[J].环境卫生工程,2015(5):35- 38.

【3】Jiao F,Zhang L,Dong Z,et al.Study on the species of heavy .metals in MSW 

incineration fly ash and their leaching behavior[J].Fuel Processing Technology,2016, 152: 108-115.

【4】王学涛,等.利用旋风炉玻璃化处理垃圾焚烧飞灰实验研究[J].燃料化学学报,2010,38(5):621-625.

【5】肖海平,茹宇,李丽,等.水泥窑协同处置生活垃圾焚烧飞灰过程中二噁的移和降解特性[J].环境科学研究,2017,30(2):291-297. 


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