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一种含水洗垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰的胶凝材料及其制备方法和应用

文献发布时间：2024-04-18 19:53:33

技术领域

本发明属于资源化利用技术与建筑材料领域，涉及一种含水洗垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰的胶凝材料及其制备方法和应用。

背景技术

垃圾焚烧飞灰中含大量重金属与可溶性阴离子，根据《国家危险废物名录》，垃圾焚烧飞灰(后简称飞灰)属于危险废物。垃圾焚烧底灰从炉底收集，产量较大约占固体残渣的80～90％，一般经过物理分选出其中的大块玻璃或含铁物质，其氯盐含量与污染物浓度较低，属于一般固体废弃物。目前在城市固体废物快节奏焚烧与飞灰巨大年产量的背景下，垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰的资源化利用技术及其中的有害组分对环境和人类健康所造成的安全隐患问题成为当今固废与危废处理领域研究的热点内容。

水洗(也称中性浸出)是飞灰预处理的一种，可有效去除飞灰中部分重金属与可溶性阴离子，目前较多的水洗飞灰协同其他固废或水泥制备绿色胶凝材料的资源化利用技术为工程实施提供了较强的理论支撑。但以上研究中并未有含水洗垃圾焚烧飞灰与垃圾焚烧底灰的资源化利用技术，也未解释说明浸出液中超标重金属的后续处理方法以及水洗液中可溶性阴离子的回收手段。

目前我国的焚烧处理技术主要分为三类：炉排炉技术、流化床技术及其它焚烧技术。垃圾焚烧飞灰为气流携带的细颗粒并且收集在空气污染控制装置中，根据焚烧技术的不同主要分为炉排炉飞灰与循环硫化床飞灰。炉排炉工艺的焚烧炉通过炉排机械运动完全燃烧，产生飞灰较少，占垃圾总量的2.5％，但其氯化物(约20％)与重金属含量高。在流化床焚烧炉中，垃圾通常在煤和石英砂的帮助下燃烧，飞灰产量更多，占垃圾总量的8～12％，具有高硅铝含量与可溶性盐含量低(约5％)的性质。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的如下问题：需要水泥窑配合处理水洗垃圾焚烧飞灰、技术工艺复杂、资源化利用成本较高，并且添加过多的激发剂、螯合剂等外加剂，才能具备有害组分的固化稳定性，最后忽略了同为垃圾焚烧工艺产出的高硅酸盐物质底灰也具有协同工业固废固化飞灰的资源化利用的潜在价值。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种含水洗垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰的胶凝材料，以所述胶凝材料的质量为100％计，包括以下质量百分含量的原料：10～55％的水淬高炉渣，15～50％的垃圾焚烧底灰，20％的水洗垃圾焚烧飞灰，5～10％的精炼渣，余量为脱硫灰。

优选地，所述水淬高炉渣指28d活性指数不小于95％的任意的水淬高炉渣。

优选地，所述垃圾焚烧底灰指生活垃圾或工业垃圾焚烧处置过程中生成的底灰，主要成分为石英、碳酸钙与钙镁黄长石，活性组分含量较高，可充分激发水淬高炉渣活性。

优选地，所述水洗垃圾焚烧飞灰指生活垃圾或工业垃圾焚烧处置过程中生成的飞灰，之后进行不同水洗条件的预处理，并不限定垃圾的来源或类型。

优选地，所述精炼渣指的是钢铁冶炼厂电炉还原渣，将原料按一定比例和粒度混合后，在低于原料熔点的情况下加热，使原料烧结在一起，再破碎成颗粒粒度。主要成分是CaO-Al

优选地，所述脱硫灰指的是电厂燃煤锅炉干法烟气脱硫工艺产出的固体废物，主要成分和天然石膏类似，为二水硫酸钙。

本发明所述的水洗垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底灰、水淬高炉渣、精炼渣和脱硫灰的化学组成是指将各种金属或矿物元素以氧化物计的含量，并非指其在水洗垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底灰、水淬高炉渣、精炼渣或脱硫灰中以氧化物存在的化合物含量。

优选地，以所述水洗垃圾焚烧飞灰的质量为100％计，包括以下质量百分含量的原料：0％～20％的Cl、0％～12％的Na

优选地，以所述垃圾焚烧底灰的质量为100％计，包括以下质量百分含量的原料：25％～30％的CaO、7％～11％的Al

优选地，以所述水淬高炉渣的质量为100％计，包括以下质量百分含量的原料：28％～32％的SiO

优选地，以所述精炼渣的质量为100％计，包括以下质量百分含量的原料：12％～16％的SiO

优选地，以所述脱硫灰的质量为100％计，包括以下质量百分含量的原料：40％～50％的SO

优选地，所述水淬高炉渣的比表面积为450～500m

一种含水洗垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰的胶凝材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、对垃圾焚烧飞灰进行水洗预处理。

优选地，水与所述垃圾焚烧飞灰液固比为3～10，水洗时间为1～30min。

优选地，通过对垃圾焚烧飞灰水洗预处理，调控其重金属与可溶性阴离子成分组成。

S2、将水洗垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底灰、水淬高炉渣、精炼渣与脱硫灰按照质量比混匀，得到含水洗垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰的胶凝材料。

优选地，按质量百分比计，所述水淬高炉渣占20～60％，所述垃圾焚烧底灰占10～40％，所述水洗垃圾焚烧飞灰占20％，所述精炼渣占5～10％，所述脱硫灰占10～20％。

一种含水洗垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰的胶凝材料的应用，所述胶凝材料应用于混凝土建筑行业的胶结料，又可用于采矿充填领域提供低成本胶凝材料。

本发明与现有技术相比，本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

上述方案中，本发明提供了将含水洗垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底灰、水淬高炉渣、精炼渣与脱硫灰按照比例制备含水洗垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰的胶凝材料的方法，不仅能通过对垃圾焚烧飞灰水洗预处理调控重金属与可溶性阴离子组分，消除建筑领域胶凝材料的重金属浸出风险与避免可溶性阴离子对建筑材料的腐蚀危害，还能够解决工业固废(水淬高炉渣、精炼渣、脱硫灰)、城市危废(水洗垃圾焚烧飞灰)和城市固废(垃圾焚烧底灰)减量化、无害化和资源化的难题，推进固废和危废协同资源化利用技术发展和环境保护。

与现有技术相比，本发明提高了水洗垃圾焚烧飞灰与垃圾焚烧底灰回收利用率、简化了含水洗垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰资源化利用技术工艺、协同回收利用了较难综合利用的水洗垃圾焚烧飞灰与垃圾焚烧底灰；制备出的胶凝材料的安全性高，无重金属与可溶性阴离子浸出风险；确定了不同水洗条件下的水洗垃圾焚烧飞灰中化学成分、重金属与可溶性阴离子组分变化范围，提供了可供参考的含不同水洗垃圾焚烧飞灰胶凝材料的重金属与可溶性阴离子浸出浓度变化数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种含水洗垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰的胶凝材料的制备方法及应用工艺流程图；

图2为本发明实施例1的和实施例7的水洗飞灰的物相组成；

图3为本发明对比例1的垃圾焚烧飞灰、实施例1的水洗飞灰和实施例7的水洗飞灰的化学元素组分变化图；其中(a)为本发明对比例1的垃圾焚烧飞灰的化学元素组分变化图；(b)为本发明实施例1的水洗飞灰的化学元素组分变化图；(c)为本发明实施例7的水洗飞灰的化学元素组分变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案和解决的技术问题进行阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部实施例。

本发明实施例使用的飞灰取自国电投集团贵阳中电环保发电厂的炉排炉焚烧工艺，垃圾在炉排片不同的燃烧段进行干燥、焚烧、燃烬，通过热回用系统(热回收锅炉)与烟气净化系统(除尘器)内收集的燃烧细小颗粒，其含有的重金属、二噁英及氯盐都远远高于其他焚烧技术产生的飞灰，之后通过炉排炉工艺将垃圾焚烧飞灰通过不同水洗条件预处理，得到用于制备性能(抗压强度)最优的无水泥熟料胶凝材料的水洗垃圾焚烧飞灰。

本发明实施例使用的垃圾焚烧底灰取自国电投集团贵阳中电环保发电厂炉排炉技术中燃烧锅炉中沉聚在底部不可燃烧的混合物(炉渣)，是从炉底收集，产量较大约占固体残渣的80～90％，经过物理分选出其中的大块玻璃或含铁物质，其氯盐含量与污染物浓度较低，属于一般固体废弃物。

本发明实施例使用的水淬高炉渣取自六盘水水钢集团的处理产物，精炼渣取自贵州某钢铁冶炼厂电炉还原渣，脱硫灰取自普定县电厂燃煤锅炉干法烟气脱硫工艺。

本发明所述的胶凝材料在使用时，通常按水与胶凝材料的质量比为(1～2):5混合，利用该水胶比可大规模替代水泥固化稳定化初步结合胶结充填采矿技术或制备建筑行业用混凝土提供低成本无水泥熟料胶凝材料。

本发明实施例的含水洗垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰的胶凝材料的制备方法及应用工艺流程图如图1所示。

进一步地，在制备本实施例所需的胶凝材料前，需先对垃圾焚烧飞灰进行水洗预处理，调控其重金属与可溶性阴离子成分组成，试验方法为：

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，设置L/S与振荡时间两个变量，按照液固比(L/S)为3、6.5与10三个梯度分别缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以110±10次/min的频率分5个时间梯度分别振荡1、3、5、10与20min，按照两因素三水平共设计15个平行批次水洗条件的飞灰试样用于实施例1～实施例15中，如表1所示。

表1实施例1～实施例15中的不同水洗试验条件下的水洗垃圾焚烧飞灰

实施例1

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为3缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡1min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

将得到的水洗垃圾焚烧飞灰进行化学组成检测，检测方法为：X射线荧光光谱分析(XRF)，采用XRF-1800型X射线荧光光谱仪测定次级X射线进行物质成分分析。

结果显示：本实施例在步骤S1得到的水洗垃圾焚烧飞灰的化学组成如表2所示，主要由以下成分组成：以所述水洗垃圾焚烧飞灰的质量为100％计，包括以下质量百分含量的原料：SiO

将得到的水洗垃圾焚烧飞灰进行物相组成检测，检测方法为：X射线衍射仪技术(XRD)，采用日本理学Ultima IV X射线衍射仪测定物相组成分析；X-射线能量色谱仪(EDS)，采用JSM-6701F场发射扫描电子显微镜进行能谱分析，其物相组成如图2和化学元素组分变化如图3所示。

结果显示：本实施例步骤S1得到的水洗垃圾焚烧飞灰主要由以下物相组成：CaO、Ca(OH)

化学元素组分变化按质量百分比计，包括：O 58.47％、Na 3.64％、Al 0.49％、Si0.98％、S 0.08％、Cl 9.36％、K 2.17％、Ca 24.82％。

实施例2

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为6.5缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡1min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

本实施例得到的水洗垃圾焚烧飞灰的化学组成如表2所示，测试方法与实施例1相同，主要由以下成分组成：以所述水洗垃圾焚烧飞灰的质量为100％计，包括以下质量百分含量的原料：SiO

实施例3

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为10缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡1min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

实施例4

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为3缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡3min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

实施例5

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为6.5缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡3min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

实施例6

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为10缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡3min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

实施例7

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为3缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡5min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

本实施例得到的水洗垃圾焚烧飞灰的物相组成如图2和化学元素组分变化如图3所示。

测试方法与实施例1相同，主要由以下成分组成：CaO、Ca(OH)

化学元素组分变化按质量百分比计，包括：O 60.12％、Na 0.55％、Al 0.43％、Si1.30％、S 0.44％、Cl 4.60％、K 1.02％和Ca 31.54％。

实施例8

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为6.5缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡5min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

将水洗垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底灰、水淬高炉渣、精炼渣与脱硫灰混匀，得到含水洗垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰的胶凝材料。

实施例9

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为10缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡5min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

实施例10

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为3缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡10min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

实施例11

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为6.5缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡10min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

实施例12

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为10缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡10min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

实施例13

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为3缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡20min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

实施例14

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为6.5缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡20min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

实施例15

取20g干燥后的飞灰原料，放入容量1L的聚氯乙烯容器，按照液固比(L/S)为10缓慢加入去离子水，之后在室温条件下以100次/min的频率振荡20min，随后取下容器将水洗溶液经0.45μm滤膜真空抽滤后，剩余水洗飞灰渣连同滤膜放入温度50℃的烘箱干燥2d，随后滤渣干燥匀化后得到水洗垃圾焚烧飞灰。

表2原料化学成分分析

实施例16

一种含水洗垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰的胶凝材料，主要由以下成分按质量百分比组成：水洗垃圾焚烧飞灰20％，垃圾焚烧底灰16％、水淬高炉渣38％、精炼渣10％、脱硫灰14％。

所述水洗垃圾焚烧飞灰取自实施例1得到的预处理后的水洗垃圾焚烧飞灰。

按质量百分比计，所述水洗垃圾焚烧飞灰主要由以下成分组成：SiO

垃圾焚烧底灰主要由以下成分组成：CaO 28.24％、Al

水淬高炉渣主要由以下成分组成：SiO

精炼渣主要由以下成分组成：SiO

脱硫灰主要由以下成分组成：SO

按以上所述比例分别称量，垃圾焚烧底灰需粉磨至比表为450m

不同养护龄期的成型试块分别根据中国标准(HJ/T 557—2010)《固体废物浸出毒性方法-水平振动法》获取浸出液，分别采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)离子色谱法(IC)测试重金属浸出浓度与可溶性阴离子浸出浓度，测试结果如表3和表4。

实施例17

一种含水洗垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧底灰的胶凝材料，主要由以下成分按质量百分比组成：水洗垃圾焚烧飞灰20％、垃圾焚烧底灰22％、水淬高炉渣34％、精炼渣10％、脱硫灰14％。

所述水洗垃圾焚烧飞灰取自实施例1得到的预处理后的水洗垃圾焚烧飞灰。

其中，水洗垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底灰、水淬高炉渣、精炼渣和脱硫灰的成分组成与实施例16相同，按本实施例所述比例分别称量，根据GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》制备胶凝材料试样，制备过程与实施例16相同。