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城市生活垃圾焚烧炉渣工程性质研究 ＊ 石爱娟 何品晶 邵立明 李忻洁 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092 章灿钢 上海市浦东新区固体废弃物管理署, 上海 200129 摘要 本实验研究了上海市垃圾焚烧发电厂炉渣工程性质, 测试了原状炉渣及经几种规格方孔筛过筛后炉渣的 粒径分布、物理组分、有机质含量、含水率、密度、吸水率和坚固性等指标。 实验结果显示 原状炉渣粒径分布均匀, 含 有一些大颗粒, 物理组分复杂、强度高、坚固性好; 与天然石料相比 , 含水率和吸水率高、密度小; 过筛后炉渣的工程性 质优于原状炉渣。 同时讨论了生活垃圾焚烧炉渣用作公路基层集料的技术可行性, 确定采用 26. 5 mm 方孔筛过筛可 以作为炉渣用作公路基层集料时的一种预处理方法。 关键词 城市生活垃圾 焚烧炉渣 工程性质 过筛 集料 ＊国家“863”计划课题 编号 2001AA644010 、国家建设部 2003 年科 学技术项目计划科技攻关项目 城市建设, 03 -2 -051 、上海市科 学技术 委员会 2003 年度 环境 保护领 域重 点科技 攻关 课题 032312043 和上海市重点学科建设项目 环境工程专业 资助。 1 前言 为了缓解日益增加的城市生活垃圾处置的压力, 近几年来我国一些城市开始兴建或计划兴建大型现 代 化 生 活 垃 圾 焚 烧 厂 Municipal Solid Waste IncineratorMSWI 。焚烧减量化效果显著, 但仍有 20～ 30 的质量转化到灰渣中 ,其中炉渣又占到灰 渣总质量的 80左右 [ 1] 。MSWI 炉渣重金属和溶解 盐含量低, 属一般废弃物 [ 2,3] 。同时, 炉渣的工程性质 与天然集料类似 ,因而常被视为是灰渣中最有利用价 值的部分, 在欧美一些国家得到了很好的应用 ,主要 用于公路基层中, 替代天然集料或部分替代天然集 料 [ 1,3,4] 。 本研究以上海市 垃圾焚烧发电厂 垃圾混合 焚烧 ,炉排为倾斜逆推往复式 的炉渣作为对象,对其 工程性质进行了实验研究 ,并分析了炉渣用作公路基 层中集料的技术可行性。 2 实验方法与设备 测试项目与实验方法见表 1。 表 1 实验方法与设备 项 目测试方法主要设备 粒径分布 粗集料筛分试验[ 5] 标准筛 物理组成水洗法筛分后, 人工分选烘箱 热灼减率600 ℃, 3 h[ 6]马弗炉 含水率105 ℃烘干至恒重[ 5]烘箱、天平 密度粗集料密度及吸水率试验[ 5]吊蓝、天平 吸水率细集料表观密度试验[ 5]容量瓶 粗集料松方密度及空隙率试验[ 5]10 L 容器 抗冻性粗集料坚固性试验[ 5]烘箱、 细集料坚固性试验[ 5] 三脚网蓝 3 实验结果与分析 3. 1 粒径分布 粒径分布与抗压能力、剪切强度 、渗透性和抗冻 性等密切相关。一般认为, 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, 且抗剪能力 高,抗冻性好,稳定性高 [ 4,7] 。 本研究采用水洗法 方孔筛 测定炉渣粒径分布。 图1 为炉渣的粒径分布和级配曲线, 表2 为用幂函数 拟合级配曲线得到的相关指标 。 图 1 炉渣的粒径分布和级配曲线 表 2 粒径分布相关指标 项目级配指数 n方差 R2 CuCc 炉渣0. 381 50. 978 6109. 62 . 89 标准 0. 3～ 0. 7[ 7] 5[ 8]1～ 3[ 8] 由图 1 和表 2 可知, 炉渣粒径分布比较均匀, 级 配曲线比较平缓 ,拟合效果好 。 根据最大密度曲线理论 [ 7,8] , 级配指数 n 0. 5 时,为抛物线最大密度理想曲线, 即集料能够达到最 大密度,能够形成较高的强度 ; n 0. 3 ～ 0. 7 为允许 波动范围。炉渣级配指数 n 0. 381 5 ,在允许波动范 围内 ,能够形成较大密度和较高强度 。 不均匀系数 Cu和曲率系数 Cc是反映土壤相对 粒径分布的两种指标 ,同样适用于炉渣 [ 4,9] 。Cu反映 47 环 境 工 程 2004年 2 月第22 卷第1 期 粒径分布曲线上的颗粒分布范围 , Cc反映粒径分布 曲线上的颗粒分布形状, 计算公式分别为 [ 8] Cu d60 d10 1 Cc d30 2 d10d60 2 式中 dx 通过率为 x 对应的粒径 mm 。 根据表 2中 Cu和 Cc可以判断出炉渣级配良好。 在公路基层中 ,大颗粒易损坏施工设备 ,难以平 整,同时易导致粗细颗粒离析 。公路路面基层施工 技术规范 JTJ0342000 规定了不同应用途径中集 料的最大允许粒径值 。 由图 1 可知 ,炉渣中还含有少量的大颗粒 。这些 大颗粒不利于炉渣资源化应用 ,使得在公路基层中炉 渣只适用于二级公路及二级以下公路的底基层中。 只有去除一定粒径以上的大颗粒后 ,炉渣才能用于基 层及二级以上公路的底基层中 。 粒径小于 0. 075 mm 的颗粒在集料中质量百分含 量称为集料的含泥量 。含泥量太大 ,容易发生毛细孔 吸收水分现象 ,抗冻性降低 [ 3] 。公路路面基层施工 技术规范规定了不同应用途径中集料相应的最大允 许含泥量分别为 7、10、 15、 30、 50。 由图 1 可知, 炉渣含泥量为 6. 49, 能够满足路 面基层中各种应用途径中的应用条件。 3. 2 物理组成 炉渣物理组成可以为选择资源化应用时预处理 方法提供依据。炉渣的物理分布见表 3。 表 3 炉渣物理组成分布 粒级 mm 粒级 质量含量 粒级中组分含量 黑色 金属 有色 金属＊ 有机质 塑料 橡胶 陶瓷砖块石头玻璃熔渣其他 37. 59. 915. 470. 000. 720. 285. 6868. 3612. 341. 555. 190. 00 31. 5～ 37. 53. 247. 930. 001. 510. 0011. 1251. 690. 000. 0033. 570. 00 26. 5～ 31. 52. 701. 410. 000. 100. 1210. 0332. 598. 220. 0030. 440. 00 19～ 26. 58. 9112. 785. 230. 100. 0027. 0637. 4715. 0510. 7544. 400. 14 16～ 192. 992. 200. 000. 820. 0017. 4211. 8111. 4110. 6524. 720. 00 13. 2～ 164. 711. 290. 150. 570. 0513. 0012. 573. 9224. 0538. 850. 24 9. 5～ 13. 28. 433. 661. 610. 780. 034. 868. 746. 3525. 6139. 530. 20 4. 75～ 9. 513. 172. 010. 001. 250. 001. 2411. 797. 6522. 0455. 810. 40 0＊＊1002. 320. 460. 420. 044. 7114. 994. 637. 5764. 780. 09 注 ＊铝含量极低,＊＊粒径在4. 75 mm 以下的炉渣按熔渣计算。 由表 3 可知 ,炉渣是由熔渣 、 砖块 、 玻璃、陶瓷 、 石 头、 金属和有机质等组成 ,各组分在不同粒级中含量 是不同的 。 由于炉渣主要物理组分质地坚硬, 因而炉渣作为 集料使用时能够具有一定的强度。 炉渣中还含有少量的金属 , 主要是铁皮 、 铁钉和 铁盖 。铝含量极低, 炉渣在公路基层应用过程中由于 铝和碱反应产生氢气而破坏路面的可能性较低 [ 9] 。 大颗粒金属可能会破毁施工设备, 对施工的危害较 大,应该尽可能地除去。 3. 3 有机质含量 炉渣中有机质会影响集料的工程性质,降低集料 本身及经无机结合料 水泥、 石灰或二灰 稳定后所得 到的稳定土强度 , 因而集料中有机质含量不宜过 高 [ 8,10,11] 。 公路路面基层施工技术规范规定 在用作水泥 稳定土集料时有机质的最大允许含量为 2, 否则需 要先用石灰进行处理 ; 用作石灰或二灰稳定集料时有 机质的最大允许含量为 10。 在国外 ,有时采用热灼减率 LOI 反映炉渣中有 机质含量。热灼减率 LOI 是指炉渣中未燃烬分的质 量含量 ,有机质属于未燃烬分 , 故 LOI 能够从一个侧 面反映炉渣中有机质含量 。表 4 为 3 个国家或地区 对用作路面基层集料的炉渣 LOI 所作规定 。 表 4 炉渣在路面基层使用时热灼减率规定[3 ,4] 国家 地区丹麦德国弗罗里达州 U. S. LOI≤10 1 000 ℃ 4. 75 mm4. 75 mmgcm- 3 吸水率＊ 炉渣18. 92. 632. 392 . 171. 891. 1914. 97 天然石料[8] 2 . 5～ 3. 32. 1～ 3 . 70. 20～ 7 . 0 注 ＊粒径在 4. 75 mm 以上的炉渣。 由表 5,炉渣含水率为 18. 9 ,在应用时, 必须根 据应用途径作进一步分析确定是否需要通过风干降 低炉渣的含水率 。 集料密度大小影响强度的高低 ,同时密度是混合 料配比计算时需要的参数之一。吸水率则反映了集 料的吸水性,会影响含水率的变化 。集料这些性质最 终会影响混合料的强度和稳定性 [ 8,11] 。 与天然石料相比 , 炉渣的密度较小 , 吸水率高。 这与炉渣的物理组成情况密切相关 。 3. 5 坚固性 坚固性是衡量集料抗冻性的重要指标之一。经 过几次循环浸泡于饱和硫酸钠溶液和烘干后 ,质量损 失越低,集料的抗冻性越高。 在我国的公路路面基层施工规范中,并没有对 集料的坚固性提出相应标准。为了判断炉渣的抗冻 性优劣,参照公路面层中规定 一般要求 ,用于水泥混 凝土、高级公路和一级公路中的沥青面层中 ,集料在 5 次循环浸泡和烘干后质量损失必须在 12以下 [ 8] 。 5 次浸泡和烘干循环后, 炉渣质量损失为 4. 32, 故炉渣坚固性好,能够用于公路面层和基层中。 从上述工程性质来看, 炉渣级配良好 ,具有一定 的强度,有机质含量低,坚固性好, 能够作为公路基层 集料进行使用。但原状炉渣由于含有大粒径砖块 、 石 头和金属 ,使得其只能用作二级公路及二级以下公路 的底基层集料, 只有去除这些大颗粒后 , 炉渣才能用 作基层和二级公路以上公路底基层集料 。 3. 6 过筛后炉渣的工程性质 炉渣中少量的大颗粒 尤其是金属大颗粒 会限 制炉渣的资源化应用范围。实验中, 分别采用 37. 5、 31. 5、 26. 5、 19 mm 方孔筛对炉渣进行过筛 ,研究经过 筛后炉渣的工程性质 。 3. 6. 1 粒径分布 37. 5、 31. 5、 26. 5 mm 和 19 mm 方孔筛过筛后的炉 渣粒径分布情况见图 2 和表 6。 图 2 原状炉渣和经过筛后的炉渣级配曲线 由图 2和表 6 可知, 随着过筛孔径减小, 过筛后 的炉渣质量回收率有所降低, 但仍然均在 75以上 。 表 6 过筛后炉渣的回收率和粒径分布 项 目 粒级 mm 0～ 37 . 50～ 31. 50～ 26. 50～ 19 质量回收率90. 0986. 8584. 1575. 24 级配指数 n0. 38150. 39470. 39980. 4047 Cu99. 393. 688. 483. 7 Cc 2. 832. 792. 762. 72 这4 种过筛后炉渣的粒径分布仍然是均匀良好 的。随着过筛孔径减小, 级配指数 n 值越接近 0. 5, 则越容易具有较大的密度和形成较高的强度 [ 7,8] 。 根据公路路面基层施工技术规范 , 经 37. 5 mm 方孔筛过筛后, 炉渣能够满足用于二级或是二级以下 公路基层和各种等级公路底基层中的水泥稳定土和 二灰稳定土的集料级配要求; 除了满足上述几种应用 途径中集料要求外, 其他 3 种过筛后炉渣还能够满足 高级公路或是一级公路基层中二灰稳定土中集料级 49 环 境 工 程 2004年 2 月第22 卷第1 期 配要求。 随着过筛孔径的降低 ,含泥量有所增加。对于高 级公路或是一级公路水泥稳定土基层来说,这 4种过 筛后的炉渣含泥量都均略高于 7的上限值 , 使用时 可通过添加粗集料来降低含泥量, 以避免高含泥量降 低水泥稳定土的强度和弹性模量 [ 11] 。 从粒径分布 尤其是最大粒径 和质量回收率两 个角度考虑,采用 31. 5 mm 和 26. 5 mm 方孔筛进行过 筛比较合适, 过筛后炉渣的质量回收率能分别达到 86. 9 和 84. 2。 3. 6. 2 物理组成 原状炉渣与经方孔筛过筛后的 4 种炉渣中金属 和有机质含量比较结果可见图 3。由图 3 可知 , 这 4 种过筛后的炉渣中有色金属和有机质含量与过筛 前的原状炉渣差别不大, 而黑色金属含量随着过筛孔 径降低而减少。 从物理组成以及大颗粒金属的危害判断 , 采用 26. 5 mm 和 19 mm 的方孔筛过筛比较合适 。 图 3 原状炉渣及过筛后炉渣中金属和有机质质量含量 3. 6. 3 含水率 、 密度 、 吸水率和坚固性 这4 种过筛后炉渣的含水率、密度、吸水率和坚 固性测试结果见表 7。 表 7 4种孔径方孔筛过筛后炉渣含水率、密度、吸水率和坚固性 粒级 mm 含水率 表观密度＊ 表干密度＊ 毛体积密度＊ 堆积密度 gcm- 3 吸水率＊ 坚固性试验中 质量损失 0～ 37. 519. 52. 562. 201. 971. 2511. 654. 08 0～ 31. 519. 72. 532. 181. 951. 2311. 744. 58 0～ 26. 518. 62. 532. 171. 941. 2911. 975. 37 0～ 19 19. 92. 542. 201. 971. 2511. 354. 65 注 ＊相应粒级中粒径大于 4. 75 mm部分。 由表 7 可知 ,分别采用 4 种孔径方孔筛对炉渣进 行过筛,过筛前后炉渣的含水率、 密度、吸水率和坚固 性等指标没有很大变化 。同时这些指标值与所采用 的过筛孔径值之间不存在相关性, 因而无法作为选择 过筛尺寸的判断依据 。 综合考虑上述工程性质, 采用 26. 5 mm 方孔筛过 筛可以作为炉渣的一种预处理方法 ,以提高炉渣在公 路基层作为集料使用的潜力。 4 结语 实验用炉渣粒径分布均匀 , 物理组分复杂, 具有 较高的强度,金属和有机质含量低 、 坚固性好 ; 与天然 石料相比 ,含水率和吸水率高 、密度小 。生活垃圾焚 烧炉渣具有作为公路基层中集料使用的潜力 。 采用 26. 5 mm 方孔筛过筛能有效地改善炉渣的 工程性质, 提高炉渣作为集料使用的品级 ,可以作为 炉渣在公路基层资源化应用时的一种预处理方法 。 致谢 本研究过程中, 上海市浦东新区固体废弃物管理署和 上海市浦东新区垃圾焚烧发电厂在炉渣取样等方面提供了多 方面的支持和配合。 参考文献 1 章骅, 何品晶. 城市生活垃圾焚烧灰渣的资源化利用. 环境卫生工 程, 2002. 10 1 6～ 10. 2 何品晶, 宋立群, 章骅, 石爱娟, 张沛君. 垃圾焚烧炉渣的性质及其 利用前景. 中国环境科学, 2003. 23 4 395～ 398. 3 章骅, 何品晶. 城市生活垃圾焚烧灰渣及其性质分析. 上海环境科 学, 2002. 21 6 356～ 360. 4 Chandler A J, Eighmy T T , Hartlen J, et al. Municipal Solid Waste Incinerator Residues. The Netherlands Elsevier Science B. V. , 1997. 203～ 221. 5 公路工程集料试验规程 JTJ0582000 , 国家交通部. 2000. 6 生活垃圾焚烧污染控制标准. 国家环保总局. GWKB32000, 2000. 7 李立寒, 张南鹭. 道路建筑材料. 上海 同济大学出版社, 1999. 8 工程材料. 长安大学. 北京 人民交通出版社, 2001. 9 J. Pera , L . Coutaz, J. Ambroise , et al. Use of Incinerator Bottom Ash in Concrete. Cement and Concrete Research, 1997, 27 1 1～ 5. 10 公路路面基层施工技术规范 JTJ0342000 , 国家交通部. 2000. 11 沙庆林. 高等级公路半刚性基层沥青路面. 北京 人民交通出版 社, 1999. 作者通讯处 何品晶 200092 上海市四平路 1239 号 同济大学环 境科学与工程学院 电话 021 65981383 E -mail solidwastemail. tongji. cn2003- 09-16 收稿 50 环 境 工 程 2004年 2 月第22 卷第1 期 THE DESIGN AND APPLICATION OF SYSTEM FOR ABSORBING FLUORIDE UNDER THE CONDITION OF SILICOFLUORIC ACID RECYCLINGXu Ning et al 39 Abstract The combination of absorption room and turbulent ball tower is applied in the process of producing single superphosphate in recycling silicofluoric acid with the consistency of H2SiF6at 16～ 20 to meet the exhaust standard. Keywords recycling of silicofluoric acid, absorption, design and application DESIGNAND APPLICATION OF DEDUSTING SYSTEM FOR MOBILE UNLOADER Fu Haiming et al 41 Abstract Through analysis of the characteristics of an unloader and comparision of different control schemes the design scheme of a dedusting system for the unloader isdetermined, which breaksupthe traditional way of controlling dust by pressure -vacuumgas flow andway of air curtain -ventilation is used for the design of the dedusting system for the unloader. A good dust-control effect is obtained. Keywords unloder, pressure -vacuum gas flow, air -curtain and dedusting system STUDY AND SELECTION OF ASPHALT-REGENERATING AGENTLiu Jun et al 44 Abstract To save energy and protect environment, old asphalts from Shenyang -Dalian Expressway asphalt pavements are extracted and recycled using combined additives. Several regenerative agents are selected using four -component analysis according to the gel theory of asphalt. Their contents are determined and optimized by a mathematical regression model. Test results prove that the combined regenerative agent including recycling agent A and C is satisfactory . All perances of a regenerated asphalt completely meet the technical requirements when the dosage of the regenerative agent is in the range of 7～ 8. Keywords asphalt-regenerating agent, regressionmodel and perance testing ENGINEERING CHARACTERISTICS OF CINDER FROM MUNICIPAL DOMESTIC REFUSE INCINERATORShi Aijuan et al 47 Abstract Engineering characteristics of the cinder from Shanghai Pudong New Area MSWI Plant are studied. Particle size distribution, organic content, water content, density, water absorption and soundness are tested for both bottom cinder and siftings through standard test sieves separately. It is concluded that the bottom cinder has even particle size distribution, complex constitutents, high strength, good soundness, higher water content, higher water absorption and lower density as compared with natural aggregates. Engineering characteristics of the siftings are better than that of the original cinder. It is also discussed that the cinder has a good technical feasibility of being used as aggregate of road base, and sifting through 26. 5 mm standard test sieve is the most suitable pretreatment step correspondingly. Keywords municipal domestic refuse, cinder from incinerator, engineering characteristics, sieving and aggregate STUDY ON FILLING TREATMENT OF HEAP LEACHING TAILINGS OF URANIUM ORE Zhang Xiaowen et al 51 Abstract The process and the resultsof filling treatment of heap leaching tailings of uranium ore are described in thispaper. When hydrated lime with the amount of 1 of the tailings during the filling course is added and the circle processwith percolatedwater is used, it can make them mix evenly, neutralize the remaining acid in the tailings, so as to meet the requirements of filling technology and reduce the influence on environment of heap leaching tailings of uranium ore. Keywords neutralization, tailings and filling ELEMENTARY STUDY ON MAKING ADSORPTIVE MATERIAL BY ACTIVATION OF GANGUE Li Weiqing et al 53 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 22,No. 1, February , 2004