利用生活垃圾焚燒發(fā)電廠爐渣制備免燒磚的研究.doc

利用生活垃圾焚燒發(fā)電廠爐渣制備免燒磚的研究全國中文核心期刊桿建巍利用生活垃圾焚燒發(fā)電廠爐渣制備免燒磚的研究楊媛,吳清仁,曹旗,吳啟堅(1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州510640;2.華南理工大學(xué)特種功能材料教育部重點實驗室,廣東廣州510640)摘要:在對廣州李坑生活垃圾焚燒發(fā)電廠爐渣的成分和特性分析的基礎(chǔ)上,進行了利用該爐渣制備焚燒爐渣免燒磚的初步研究,探討了不同激發(fā)劑(NaiO,NaSO,NaOH)對焚燒爐渣免燒磚性能的影響,分析了焚燒爐渣磚的環(huán)境安全性.研究結(jié)果表明,當焚燒爐渣和Na2SiO,的摻量分別為原料總量的7O%和5.5%時,28d抗折強度和抗壓強度分別達3.24MPa和2(】.56MPa,其重金屬溶出量符合GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準V類水要求.這為城市生活垃圾焚燒爐渣的高效資源化利用提供了一種技術(shù)途徑.關(guān)鍵詞:城市生活垃圾焚燒爐渣;性能;免燒磚;激發(fā)劑;制備中圖分類號:TU522.1+9文獻標識碼:A文章編號:1001702X(2010)08004004StudyonpreparationofnonburntbrickbytheslagofwasteincinerationpowerplantYANGYuan,Qingren,CA0Qi,Q(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China:2.TheKeyLaboratoryofSpecialFunctionalMaterialsforMinistryofEducation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China)Abstract:OnthebasisofanalyzingthecompositionandpropertiesofthegratefurnaceslagfromthemunicipalsolidwasteincinerationpowerplantofLiKenginGuangzhou,preliminarystudyonthepreparationofincineratorslagnon-burntbricksWasconducted.Theeffectofdifferentactivators(Na2SiOs,Na2SO,NaOH)onthepropertiesoftheincineratorslagnon-burntbrickswereinvestigatedandtheenvironmentalsafetyoftheincineratorslagnonburntbrickwereexplored.Theexperimentalresultsshowthatwhentheamountofincineratorslagisupto70%andNaiO3is5.5%,thetensilestrenhandcompressivestrenhafter28daysCanreach3.24MPaand20.56MParespectively,andtheamountofheavymetalleachingmeetsVtypeoftheEnvironmentalQualitydardforSurfaceWater(GB3838-2002).Thisprovidesatechnicalapproachforthehighefficientcomprehensiveutilizationofslagofmunicipalwasteincinerator.Keywords:slagofmunicipalsolidwasteincinerator;properties;nonburntbrick;activator;preparation1廣州市生活垃圾焚燒爐渣特性分析1.1焚燒爐渣的組成生活垃圾焚燒爐渣取自廣州市李坑生活垃圾焚燒發(fā)電廠.原狀的爐渣呈黑褐色,風(fēng)干后為灰色.爐渣通常為不規(guī)則,帶棱角的蜂窩顆粒狀,表面大多為玻璃質(zhì),主要是不可燃的無基金項目:廣州市重大科技專項計劃項目(2008A1一DO011)收稿日期:20100323作者簡介:楊嬡,女,1985年生,湖北隨洲人,碩士.地址:廣州市華南理工大學(xué)五山校區(qū)麟鴻樓209號,電話?40?新型建筑材料2010.8機物和部分未完全燃燒的可燃有機物,主要來源于垃圾中的玻璃,裝修雜物(如銹鐵釘?shù)?,陶瓷片,磚塊,熔渣等,還含有一定的金屬物質(zhì)和未完全燃燒的紙,塑料,纖維,木頭等有機物,此外含有少量的有害物質(zhì),如重金屬等.1.2焚燒爐渣的吸水率,密度和含水率測得該廠爐渣的吸水率約為15%,密度約為2g/cm3,含水率約為20%,在應(yīng)用時必須根據(jù)應(yīng)用途徑作進一步分析,確定是否需要通過曝曬,風(fēng)干來降低爐渣的含水率.1.3有機質(zhì)含量爐渣中有機質(zhì)會影響集料的工程性質(zhì),主要會影響無機結(jié)合料硅酸三鈣的穩(wěn)定性,因此有機質(zhì)含量不宜過高1.楊媛,等:利用生活垃圾焚燒發(fā)電廠爐渣制備免燒磚的研究在國外,經(jīng)常會采用熱灼減率(LOI)來反映爐渣中的有機質(zhì)含量,LOI是指爐渣中未燃盡成分的質(zhì)量含量,有機質(zhì)屬于未燃盡的成分,故LOI能夠從一個側(cè)面反映爐渣中有機質(zhì)含量閉.測得本試驗爐渣的LOI為1.73%,表明其有機質(zhì)含量較低.1.4堅固性堅固性是衡量集料抗凍性的指標之一.將爐渣浸泡于飽和硫酸鈉溶液后,再進行烘干,如此循環(huán),爐渣的質(zhì)量損失越低,說明其抗凍性越好【3I.經(jīng)過5次浸泡和烘干循環(huán)后,試驗用爐渣的質(zhì)量損失約為4.65%,說明爐渣堅固性較好.1.5焚燒爐渣的礦物組成將待測爐渣樣品研磨至通過200目篩,進行干燥后,對其礦物組成進行分析.分析得知,主要含有方解石,石英,鈣長石.1.6焚燒爐渣的化學(xué)成分比較城市生活垃圾焚燒爐渣中含有的有害物質(zhì)可能在其進入環(huán)境或利用過程中對環(huán)境帶來危害,故需進行化學(xué)分析.廣州,北京,上海,深圳和昆明5城市生活垃圾焚燒爐渣的化學(xué)成分比較見表1.由表1可見,城市生活垃圾焚燒爐渣主要由堿金屬及堿土金屬的氧化物構(gòu)成.表15城市生活垃圾焚燒爐渣的化學(xué)成分比較%1.7焚燒爐渣的火山灰活性測試通過測試得知,爐渣火山灰活性不合格.資料顯示,爐渣屬于含有活性氧化硅及氧化鋁的隱型活性廢渣,需要進行激發(fā)嘲.2焚燒爐渣免燒磚的制備方法通過以上分析表明,焚燒爐渣主要物理組分的質(zhì)地堅硬,具有一定強度.有機質(zhì)含量低,堅固性好,符合GB/T189682003(墻體材料術(shù)語中硅酸鹽磚原材料的要求,盡管含有一些重金屬,但是根據(jù)我國的規(guī)定,爐渣僅屬于一般廢棄物阿,可以進行資源化利用,作為生產(chǎn)免燒磚的主要原料.由于不具備火山灰活性,除選擇水泥外,還選擇石灰,石膏和激發(fā)劑作為原料.生活垃圾焚燒爐渣的主要化學(xué)成分為SiO:,CaO和A】:O,其中SiO:和A1:O.能與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)發(fā)生二次水化反應(yīng),反應(yīng)過程如下7-81:SiO2+xCa(OH)2+(n)H2O=xCaO?Si02nH20A1203帆Ca(0H)2+(n-x)H2O=xCaO?A1203?nH2O石灰的主要作用是其有效氧化鈣與硅質(zhì)材料發(fā)生反應(yīng),生成含水硅酸鹽凝膠及結(jié)晶連生體,從而膠結(jié)未反應(yīng)完全的爐渣,提高早期強度.石膏屬于一種硫酸鹽激發(fā)劑,用來激發(fā)爐渣的活性,以免過程緩慢導(dǎo)致早期強度低.在激發(fā)劑(Na28iO,Na2s0,NaOH)的作用下,激發(fā)生活垃圾焚燒爐渣的活性,非活性的SiO和Al20,在堿性條件下可反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣.整個水化過程就是焚燒爐渣在硫酸鹽激發(fā)劑和堿激發(fā)劑的作用下,和水泥,石灰的水化產(chǎn)物進行一系列復(fù)雜的二次反應(yīng),生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,氫氧化鈣及水化鋁酸鈣等析出針狀晶體伸入硅酸鈣凝膠體內(nèi)使磚硬化而具有強度.2.1原材料及設(shè)備生活垃圾焚燒發(fā)電廠排放的焚燒爐渣需破碎篩選,以調(diào)整焚燒爐渣顆粒粗細分布.篩選38mm的爐渣備用,3mm以下加生石灰粉及水輥碾攪拌及陳化.水泥既是焚燒爐渣磚的膠結(jié)料,同時也是焚燒爐渣的活性激發(fā)劑.水泥的質(zhì)量要符合GB1751999酸鹽水泥,普通硅酸鹽水泥的規(guī)定.選用新鮮生石灰,確保其高活性,有效氧化鈣含量不低于70%,過火灰小于5%,欠火灰小于7%,細磨過0.08mm篩.石膏:選用CaO含量大于32%,SO含量大于45%,含水量小于20%,雜質(zhì)含量小于3%.采用NaiO,NaSO和NaOH作為激發(fā)劑,將NaiO,Na2SO,NaOH固體配成溶液,通過試驗選擇最佳的激發(fā)劑.制備生活垃圾焚燒爐渣磚的設(shè)備主要有:(1)破碎設(shè)備:粉碎機,震擊式標準振篩機,球磨機;(2)混料設(shè)備:雙臥軸攪拌機;(3)成型設(shè)備:液壓制磚機,標準磚模具;(4)養(yǎng)護設(shè)備:托板,噴水器.2.2壓制成型使用液壓制磚機,標準磚模具按設(shè)定配比方案每組壓制6塊.本實驗制備焚燒爐渣免燒磚既不燒結(jié),也不蒸壓,因此前期強度的形成主要依靠成型壓力,后期的強度主要依靠水泥的膠結(jié)及焚燒爐渣活性的激發(fā).2-3養(yǎng)護制度磚坯成型后具有一定強度(澆水時磚淋不壞)時就可以開始灑水養(yǎng)護,一組成品隔5h灑水1次,3d后每隔8h灑水1次,10d后每隔10h灑水1次,15d后自然干燥至28d,外觀完整,無裂紋,無明顯變形,該組成功;另一組成品早晚各灑水NEWBUILDINGMATERIALS?41?楊媛,等:利用生活垃圾焚燒發(fā)電廠爐渣制備免燒磚的研究1次,15d后自然干燥28d,該組養(yǎng)護品外觀部分有缺角,裂紋及明顯凹凸變形,該組失敗.3結(jié)果與討論3.1焚燒爐渣免燒磚激發(fā)劑的選擇在焚燒爐渣免燒磚基礎(chǔ)配方中分別加入不同的激發(fā)劑Na2SiO,NaSO和NaOH,激發(fā)劑摻量分別控制為爐渣,石灰,水泥和石膏總量的2.6%,3.3%和4%.焚燒爐渣免燒磚較佳激發(fā)劑選擇的A系列實驗研究方案及測試結(jié)果分別見表2,表3.表2焚燒爐渣免燒磚A系列實驗研究方案%編號石灰爐渣水泥石膏Na:,SiONa2SONaOH表3焚燒爐渣免燒磚A系列試驗樣品強度測試結(jié)果從表2,表3可見,當激發(fā)劑摻量相同時,摻有NaSiO的焚燒爐渣磚樣品7d,28d抗折強度和抗壓強度都高于單摻NaSO和NaOH的樣品強度.Na2SiO對焚燒爐渣的活性激發(fā)效果優(yōu)于Na:S04,而NaOH的激發(fā)效果較差些.雖然焚燒爐渣不具有火山灰活性,但其不僅受到硫酸鹽激發(fā)及外加激發(fā)劑帶來的堿激發(fā)作用,而且受到水泥水化生成的堿產(chǎn)生的激發(fā)作用,爐渣的活性得到一定程度的激發(fā).因為水泥水化產(chǎn)物既可激發(fā)焚燒爐渣的活性,又可為焚燒爐渣免燒磚提供強度,所以,當外加激發(fā)劑和水泥水化生成的堿及硫酸鹽使生活垃圾焚燒爐渣的活性充分激發(fā)時,焚燒爐渣免燒磚的強度可達到最佳值.?42?新型建筑材料2010.8NaOH強堿性激發(fā)劑對焚燒爐渣的激發(fā)效果比較理想.這是由于焚燒爐渣的化學(xué)成分呈弱酸性,其活性在堿性環(huán)境中易被激發(fā).焚燒爐渣顆粒表面的SiO和A1一O鍵在OH的作用下發(fā)生斷裂,使siOAl網(wǎng)絡(luò)聚合體的聚合度降低,OH一濃度越大,Si一0和Al一0鍵的受破壞程度越強.此外,Na離子對提高玻璃體的反應(yīng)活性也有促進作用,它作為硅酸鹽玻璃網(wǎng)絡(luò)的改性劑,促使網(wǎng)絡(luò)解聚.Na2SiO的激發(fā)效果比NaOH更好,是因為Na2SiO水解產(chǎn)生大量的OH一,因此Na2SiO激發(fā)本質(zhì)上屬于強堿激發(fā);此外,它水解生成的硅膠與Ca反應(yīng)生成CSH凝膠,在一定程度上加快了焚燒爐渣與Ca(OH)的反應(yīng).由于Na2SiO,具有的雙重作用,故其激發(fā)效果明顯優(yōu)于NaOH.Na2SO的激發(fā)實際上是強堿和硫酸鹽的雙重激發(fā),一方面Na2SO易溶于水,可與體系中的Ca(OH)反應(yīng)生成高度分散的CaSO;另一方面,Na2S04與體系中Ca(OH)反應(yīng)生成NaOH,使整個體系的堿性增強.具體來說,硫酸鹽的激發(fā)機理主要是SO?-,Ca2.與溶解于液相中的A102-和夾雜在焚燒爐渣顆粒表面的凝膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成水化硫鋁酸鈣;部分水化鋁酸鈣也可與石膏反應(yīng)生成硫鋁酸鈣,其在焚燒爐渣顆粒表面會形成網(wǎng)絡(luò)狀或纖維狀的包裹層,由于其緊密度小于水化硅酸鈣層,利于Ca2+擴散到爐渣顆粒內(nèi)部與內(nèi)部活性Si0和A10.充分接觸并反應(yīng):其次,S042一可以置換出CSH凝膠中部分Si042-,被置換出的Si04一在外層又與Ca2作用生成CSH,同時Si042一促使活性Al2O的不斷溶出,這樣焚燒爐渣的活性激發(fā)得以繼續(xù)發(fā)揮.3.2焚燒爐渣免燒磚激發(fā)劑較佳摻量及配方選擇Na2si0,作為焚燒爐渣免燒磚的較佳激發(fā)劑,該激發(fā)劑較佳摻量B系列實驗研究方案及測試結(jié)果見表4.表4焚燒爐渣免燒磚B系列實驗方案及結(jié)果對焚燒爐渣免燒磚B系列樣品進行強度檢驗,每組樣品有6個小樣.從表4可見,優(yōu)化配方B4制作的焚燒爐渣免燒磚樣品28d抗折強度和抗壓強度分別達3.24MPa和20.56MPa,可在承重墻體結(jié)構(gòu)中使用.分析表4可知,加入激發(fā)劑后,焚燒爐渣免燒磚的強度隨激發(fā)劑Na2SiO摻量的增加呈現(xiàn)先上升然后下降的趨勢,o00o粥o00oooo.oo粥o00o777777777777777777555555555888888888444444444:.=.:.:2:2123456789楊媛,等:利用生活垃圾焚燒發(fā)電廠爐渣制備免燒磚的研究Na2SiO摻量為5.5%時出現(xiàn)峰值.NaSiO摻量從2.6%一5.5%的增加過程中,焚燒爐渣免燒磚各齡期強度得到提高.當NaSiO摻量從5.5%提高到6.5%時,焚燒爐渣免燒磚的強度反而降低.究其原因,主要是濃度效應(yīng)例引起的.因為加入Na2SiO激發(fā)劑后,水玻璃可提供大量的可溶堿離子,并提高pH值,使整個體系達到較高的堿度,溶液中部分OH一離子得以穿透爐渣顆粒的表面,與內(nèi)部的Can離子作用,使玻璃體解體,Ca和si0離出來,由于ca擴散速度較大,能較快進入溶液中,并與緩慢釋放的活性Si032-反應(yīng),生成低堿度的CSH凝膠,從而加速早期的水化反應(yīng).隨著Na2SiO摻量進一步增大,OH一離子的濃度逐漸增大,在爐渣物料顆粒表面快速反應(yīng),產(chǎn)物形成1層保護膜,阻止水化反應(yīng)的進一步進行,所以制品強度反而有所降低.根據(jù)上述分析,實驗結(jié)果表明,Na2SiO的合理摻量為5.5%,焚燒爐渣免燒磚的較佳配方為B-4.3.3焚燒爐渣免燒磚試驗樣品重金屬溶出分析對配方B-4所制備的焚燒爐渣免燒磚樣品中重金屬溶出進行測試分析,結(jié)果如表5所示.從表5可見,焚燒爐渣免燒磚試驗樣品重金屬溶出量符合GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準V類水要求.表5焚燒爐渣免燒磚重金屬溶出分析結(jié)果g,L項目HgPbCdCrCuZnAsSePB一4O.452.570.72O.154465.9182.81.763l7.68127.8?001000-000200.0004004結(jié)論(1)J州市李坑生活垃圾焚燒發(fā)電廠的焚燒爐渣與天然河砂的表觀密度和表干密度相近,可作為集料替代部分天然河砂生產(chǎn)焚燒爐渣免燒磚.(2)3種不同激發(fā)劑NaOH,Na2SiO和Na2SO中,以Na2SiO,對焚燒爐渣免燒磚的激發(fā)效果最佳,Na2SO激發(fā)效果次之;隨著NaSiO激發(fā)劑摻量的增加免燒磚強度先上升后下降,NazSiO摻量為5.5%時強度最大.(3)以較佳配方(石灰15.4%,爐渣71.8%,水泥5.1%,石膏7.7%,Na2SiO5.5%)制備的焚燒爐渣免燒磚28d抗折強度和抗壓強度分別達3.24MPa和20.56MPa,可在承重墻體結(jié)構(gòu)中使用,其重金屬溶出量符合GB3838-2002地表水V類環(huán)境質(zhì)量標準要求.參考文獻:【1KossonDS,VanderSlootHA,EighmyTT.Anapproachforestimationofcontaminantleasedu6ngutilizationanddisposalofmunicipalwastecombustionresiduesJ.JournalofHazardousMmefiMs,1996,47(13):4375.【2】徐福華,肖燕.利用生活垃圾焚燒灰渣和廢玻璃制備彩色道磚J.中國資源綜合利用,2003,2(6):2021.【3】章燁,何晶.城市生活垃圾焚燒灰渣及其性質(zhì)分析J_上海環(huán)境科學(xué),2002,21(6):356360.4】楊嬡,吳清仁,吳啟堅.資源化利用城市生活垃圾焚燒灰渣的技術(shù)途徑【c】.廣州:國際建材研討會論文集,2008:251256.51閏振甲,何艷君.免燒磚生