生活垃圾焚烧炉渣资源化利用技术发展现状

金兴乾

(青岛康恒再生能源有限公司，山东 青岛 266111)

1 前 言

随着我国城市化进程的加快，城市生活垃圾的产生量正在迅速增加。2015年我国生活垃圾清运量已经达到1.8亿t，国内多个城市的生活垃圾填埋场存在库容不足的问题，超过200个城市出现“垃圾围城”的现象[1]。作为生活垃圾卫生填埋的替代技术，生活垃圾焚烧技术逐渐成为生活垃圾实现无害化、减量化的主要方案，丹麦与荷兰接近100%的生活垃圾由焚烧处置[2]。

焚烧发电技术作为一种较为成熟的生活垃圾处理，目前在我国也已得到广泛应用。截止2015年底，国内投产、在建及签约的生活垃圾焚烧发电项目共计330座，分数要生活垃圾能力超过30万t/d[3]。垃圾焚烧发电技术减量化效果明显，焚烧后可使垃圾减容80%至90%，质量减少约75%，并可对焚烧过程中产生的热能进行回收利用。2014年我国生活垃圾焚烧无害化处理量为5 300万t，焚烧过程中约有20%的质量转化为灰渣，其中炉渣约占80%，焚烧1t生活垃圾约产生200～250kg炉渣，日处理量为1 000t的生活垃圾焚烧厂，一年产生约7～9万t的炉渣[2]。

中国《生活垃圾焚烧污染控制标准》明确规定：焚烧炉渣按照一般固体废弃物处理。基于资源有效再生利用及节约填埋处理土地资源的理念，欧美等国在20世纪下半叶便已开始对生活垃圾焚烧炉渣资源化利用的研究；我国在2010年10月颁布了《生活垃圾焚烧炉渣集料》(GB/T25032-2010)，为生活垃圾焚烧炉渣的合理综合利用提供了国家标准[1]。随着生活垃圾焚烧发电技术的应用与推广范围不断扩大，炉渣的产量也将与日俱增，如何在依托相关国家标准的基础上实现炉渣的综合利用便成了亟待解决的问题。

2 国内生活垃圾焚烧炉渣特点

生活垃圾焚烧炉渣是焚烧炉上残留的焚烧残渣，包括炉排上的残留物和从炉排间掉落的颗粒物，是一种浅灰色的锅炉底渣，随着含炭量的增加颜色变深。大颗粒炉渣(>20mm)以陶瓷、砖块和铁为主，小颗粒炉渣主要为熔渣和玻璃和其他一些不可燃无机物及未完全燃烧的有机物组成[2]。炉渣密度约为2.3g/cm3，pH值约为8～13，主要成分为二氧化硅、氧化钙、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化镁及少量的氧化钾、氧化钠等[3]，见表1。

生活垃圾焚烧炉渣元素组成较为复杂，含有多种重金属，Zhang等针对上海一处生活垃圾焚烧设施的研究表明，生活垃圾焚烧炉渣富集了生活垃圾中70%以上的重金属(主要为Zn、Cr、Cu和Pb)[4]。

根据对生活垃圾焚烧炉渣的浸出毒性检测结果可知，炉渣浸出液中镉、总铬、镍、锌、铜、钡、铅、硒、汞、六价铬、砷、铍均未超出《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)“表1 浸出毒性鉴别标准值”。分析结果如表2所示，且结果表明生活垃圾焚烧发电厂炉渣不属于危险废物。

表1 炉渣全成分分析结果Tab.1 Analysis results of MSW slag component (%)

此外，炉渣中的铅、铜和锌的含量是土壤平均含量的26、14和13倍。因此炉渣的直接填埋将造成极大的生态风险。我国每年炉渣产量巨大，而实际利用率较低。目前国内对炉渣的利用主要集中在简单的堆积、填埋或用于建筑材料[2]。

表2 生活垃圾焚烧炉渣浸出毒性检测结果及分析Tab.2 The results and analysis of leaching toxicity test of MSW slag (mg/L)

3 国内生活垃圾焚烧炉渣资源化利用技术

经焚烧产生的炉渣组分较为混杂，其处理工艺需要经过水力跳汰与磁选工艺可去除大部分金属杂质，再经研磨、筛分等处理后，可以多种途径进行综合利用。

为便于炉渣的深度资源化利用，需要对炉渣进行预处理。通过筛分装置将直径小于100mm的炉渣颗粒筛选出来进入下一道工序；而体积较大的渣块、石块、混凝土块及大块的金属则进行一级破碎；未完全燃烧的垃圾被人工捡出，集中后送回垃圾焚烧炉重新焚烧。该工艺完成后对于直径小于100mm的炉渣颗粒进行一级磁选，利用磁力除铁器磁选炉渣中的磁性金属。经过一级磁选后的炉渣，进行二级破碎，目前的技术可将破碎后的颗粒细度调整到1～4mm左右。接着对二级破碎后的颗粒进行二级磁选工艺技术，经二级磁选后的炉渣依次进行浮力重选其他金属、非金属尾沙沉淀工艺技术、工艺水流程等。整个工艺处理过程没有对外排放污水的情况，做到了污水的“零排放”。相应工艺流程如下图。

图 垃圾焚烧炉渣资源化利用工艺流程Fig. MSW slag resource utilization flow diagram

3.1 炉渣预处理及金属回收

炉渣中的废旧金属，主要为铁、铜和铝等，通常可回收金属含量为5%～8%，具有一定的资源化回收价值，往往通过回收处理使其再次利用[5-6]。夏溢等对生活垃圾焚烧炉渣中有价金属铁、铝、铜的可回收性进行了研究，结果显示生活垃圾焚烧炉渣中铁的磁选回收率为14.8%，Al和铜的回收率为73.1%和52.7%[7]。

3.2 生活垃圾焚烧炉渣制作环保砖

经过预处理后的炉渣含水率2%左右，密度为1 250kg/m3左右，吸水率为9%左右。使用饱和硫酸钠溶液，连续5次循环浸泡和烘干炉渣后，炉渣质量损失约为4.31%，炉渣的坚固性可达到制造免烧砖的要求。荷兰与美国率先将生活垃圾焚烧炉渣用作建筑材料，较为常见的利用方式是将炉渣和其它骨料按照一定比例混合后，与水和水泥共同制作成混凝土砖。自1985年起，美国开始评估应用生活垃圾焚烧炉渣所制成的免烧砖在应用过程中对陆地和海洋环境的影响。研究人员在海底用炉渣制成的免烧混凝土砖建成了两座人工暗礁，并对周边环境进行了持续6年的跟踪监测，结果表明并无有毒有害成分由混凝土砖中浸出并释放入环境。之后一系列对生活垃圾焚烧炉渣作为混凝土替代骨料的可行性研究表明，生活垃圾焚烧灰渣制成的免烧砖符合美国材料试验标准(ASTM)[8]。Rothel等利用生活垃圾焚烧灰渣制成的免烧砖建造了一个船库，并对库内空气质量进行30个月的监测。监测结果表明，库内空气的TSP、颗粒态和气态PC-DD/PCDF、挥发性Hg及挥发和半挥发有机物等无明显变化，该研究结果说明灰渣中的污染物被有效截留在了水泥砖中[9]。上述研究结果证明，从工程实践及环保角度而言，生活垃圾焚烧炉渣制作环保砖或建筑材料是可行的。

3.3 生活垃圾焚烧炉渣路基填充料

生活垃圾焚烧炉渣的物理化学性质与工程特性与常见的轻质天然骨料(如黄沙等)相似[10]。炉渣通过上述工艺处理后，可与沥青或水泥及其它骨料混合用于铺装路面。对这种混合料进行金属元素浸出的跟踪测试，结果表明其铅、镉和锌的释放量较低。利用其对环境和人类健康的影响及生命周期评价，发现只要管理技术得当，该混料利用的各项风险均低于可接受风险的标准值，可以避免对环境造成二次污染[11]。将炉渣用作道路、停车场等地基的填充材料在欧洲和美国都有成功应用的经验，在我国也较为常见[12]。位于上海浦东的苗圃路试验段是生活垃圾焚烧炉渣应用的案例之一，通过观测路面状况、路表弯沉、基层强度和模量，证实了生活垃圾焚烧炉渣集料用于道路基层材料的部分替代骨料在道路工程建设上是可行的，且可以获得良好的长期使用效果[13]。

4 生活垃圾焚烧炉渣资源化时应注意的问题

生活垃圾焚烧炉渣的资源化利用已被证实是可行的，而且存在着多种资源化利用的方式。但由于其含有重金属等有毒有害物质，在极端条件下存在一定的浸出风险；同时，其中含有的铝、锌等元素会发生化学反应生成氢气，造成建材开裂，影响使用性能；炉渣中含有大量玻璃等脆性成分，只有去除这些杂质，才能够将炉渣应用为道路工程材料[12]；未经处理的炉渣尚不能全面满足各种综合利用方式的技术要求。炉渣必须经过充分预处理，从而消除或降低其对人群健康和环境的不利影响[1]。

同时，目前的湿法预处理工艺通过水流的冲击作用，可以实现铁、锌和铜等有价金属的高效回收，但该工艺尚存在铝流失、水耗高、设备占地面积大、污泥污水产生量大等问题[14]，在此基础上探索炉渣的新型预处理技术也是未来的一大课题。

5 结论与展望

生活垃圾焚烧炉渣经过合理预处理后可进行多种资源化综合利用，此举既解决了炉渣的出路问题，又节约了物料。相关研究结果已表明，只要预处理工艺合理、运行管理得当，生活垃圾焚烧炉渣的综合利用不会对环境造成二次污染。随着生活垃圾焚烧技术在国内的不断推广，生活垃圾焚烧炉渣如何处置已逐渐成为突出的环保问题，如何因地制宜地设计生活垃圾焚烧炉渣的综合利用方案将成为未来的研究热点。