垃圾焚烧炉渣的资源化利用分析

＊顾雍 任心愿 许碧君 孙贤波*

（1.上海环境卫生工程设计院有限公司 上海 200237 2.华东理工大学资源与环境工程学院 上海 200237）

1.垃圾处置现状

人口的快速增长和城市化进程的加快使城市垃圾产生量大幅度增加。根据中国统计年鉴数据[1]，2020年我国的城市生活垃圾清运量已超过2.35亿吨，比2004年增长约51.61%，生活垃圾无害化处理量也将近2.35亿吨，无害化处理率接近100%。目前常用的城市垃圾无害化处理方法主要包括卫生填埋和焚烧，卫生填埋具有技术成熟，处理费用低等优点，是目前我国城市垃圾最常用的处理方式之一，但其需要占用大量宝贵的土地面积，且产生的垃圾渗滤液可能造成地下水污染。

焚烧处理周期较短，可以使垃圾体积减小65%～70%，重量减少85%～90%[2]，并可利用产生的热能发电，因此具有较好的资源化、减量化、无害化处理效果。在土地资源稀缺的今天，焚烧比堆肥和填埋更有优势。《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》中提出“到2025年底，全国城镇生活垃圾焚烧处理能力达到80万吨/日左右，城市生活垃圾焚烧处理能力占比65%”。近十年焚烧处置方式的总量和比例一直保持增长，其比例在2019年首次超过50%，成为垃圾无害化的主要处理方式（如图1）。近年，我国生活垃圾的处置方式已逐步从污染严重、选址困难的卫生填埋向焚烧转移。

图1 近十年我国垃圾焚烧无害化处理现状[1]

根据《2020上海绿化市容统计年鉴》，2020年底上海市已建成12座生活垃圾焚烧设施，其末端处理量达1.86万吨/天。根据相关规划和项目实际运营数据测算，按照目前生活垃圾焚烧炉渣产量占焚烧量的20%～25%计，可得出上海市日产炉渣量达4500吨。

本课题实验炉渣来自上海市两个典型焚烧炉渣厂的生活垃圾焚烧炉渣（A及B），经过分选、破碎和水洗等处理环节前后的炉渣各一批，分析垃圾焚烧炉渣的物理化学性质，测试其可溶性盐含量，研究不同可溶盐含量混合料的性能，从而为垃圾焚烧炉渣的资源化利用提供参考。

2.垃圾焚烧炉渣性能分析

(1)物理化学指标

对上海两个典型炉渣厂（A及B）产生炉渣的物理化学指标进行测试，得到破碎分选前（进料渣）和破碎分选后（成品渣）炉渣的物理化学性质如表1所示。

由表1可知，两个厂的炉渣均符合《生活垃圾焚烧炉渣集料》（GB/T 25032-2010）中细集料含水率小于18%要求，但不满足上海市工程建设规范《生活垃圾焚烧炉渣集料路用技术规程》小于等于10%要求；热灼减率符合上海市工程建设规范《生活垃圾焚烧炉渣集料路用技术规程》要求。与天然骨料相比，焚烧炉渣质轻，吸水能力强，并且由于水冷过程，炉渣含水率较高；这些物理化学特性表明它符合骨料、砂石等方面的要求，可以作为建筑材料资源化利用。

表1 炉渣的含水率、热灼减率、堆积密度、吸水率

(2)化学成分测试

对典型炉渣化学成分的测试结果如表2所示。从表中看出，焚烧炉渣主要由碱金属和碱土金属构成，含有少量富集的金属，主要组成为CaO、SiO2、Fe2O3、MgO和Al2O3等，是一种非均质混合物。其中所含的重金属和氯盐含量较高，它们是建材资源化利用的主要障碍。

表2 上海典型炉渣的主要化学成分

炉渣厂A的炉渣中的Cl-浓度在破碎分选前后分别为1.798%和1.915%，炉渣厂B的炉渣中的Cl-浓度在破碎分选前后分别为1.526%和1.078%。根据国标《混凝土质量控制标准》（GB50164-2011）的相关规定，钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土用砂的氯离子含量分别不应大于0.06%和0.02%，混凝土拌合物中水溶性氯离子最大含量如表3所示，钢筋混凝土不应大于0.30%，预应力混凝土不应大于0.06%，素混凝土不应大于1%。因此，典型炉渣中的Cl-均超过了用作混凝土原料的标准，将炉渣进行资源化应用需将其进行脱Cl-处理。氯化物（除氯化银）在水中具有较大溶解度且能够快速溶解，因此针对炉渣的水洗脱氯是常用的预处理方法。有研究将垃圾焚烧炉渣以8:1的液固比混合水洗10min后实现了91%的脱氯效率[3]。用清水进一步洗脱可获得更好的除氯效果，但需要消耗更多水资源，因此工程应用中可采用逆流水洗来实现清洗达标和节约水量的目的。

表3 混凝土拌合物中水溶性氯离子最大含量（水泥用量的质量百分比，%）[4]

(3)微观分析

通过XRD分析了炉渣厂A及炉渣厂B在破碎分选前后的矿物组成如图2。A厂进料渣主要由氢氧化钙，二氧化硅，碳酸钙，硫酸钙，氧化钙，还有钙和铁的复合氧化物组成。相较于A厂，B厂进料渣少了氢氧化钙，多了少量钙矾石。且B厂中二氧化硅的含量明显高于A厂，A厂中钙和铁的复合氧化物还有碳酸钙的含量明显高于B厂，其他含量无明显差别。而A厂成品渣主要由二氧化硅，碳酸钙，硫酸钙，氧化钙，还有钙和铁的复合氧化物组成。相较于A厂，B厂进料渣多了钙矾石。且B厂中组分含量与A厂相比无明显差别。因此，炉渣的主要矿物为α-石英、方解石、钙长石，其他的矿物峰不显著，含量较少。各矿物衍射峰均比较尖锐，说明结晶程度较高，且石英、钙长石、方解石这些矿物的水化活性都不高，据此初步判断炉渣的活性不高。

图2 典型炉渣的XRD数据图

基于对上海垃圾焚烧炉渣的产量、组分及结构的分析可知，垃圾焚烧炉渣理化性质和工程特性具有一定的骨料性质，由于其重金属含量、含盐量和浸出浓度均较低，无放射性危害，对环境的影响也较小，而且有机物含量较低，强度高，所以炉渣的物理和化学性质整体符合用作生产建筑及道路基材等资源化应用途径的原料标准，典型炉渣中的Cl-均超过了用作混凝土原料的标准，如将炉渣作为混凝土原料进行资源化应用则需将其进行水洗脱Cl-处理。

3.垃圾焚烧炉渣资源化研究

焚烧产生的巨量炉渣需找到合适的消纳方式。在处理处置过程中，如果方法不当，也有可能产生进一步的危害，如何安全高效地处理生活垃圾焚烧炉渣，研究炉渣资源化利用可行性，寻找环境要求和经济成本之间的最佳平衡点，已成为推广生活垃圾减量化、资源化、无害化技术需重点关注的问题之一。目前，生活垃圾焚烧炉渣的资源化利用途径主要包括生产水泥、制备免烧砖、制成路基路堤建筑材料、作为代替骨料铺装石油沥青路面等建材行业和道路工程等，具有较广的市场前景。

(1)水泥建筑材料

炉渣作为一种轻质、多孔的材料，它具有工程中使用的天然骨料的性质，用于道路建设可有效利用废弃资源，减少填埋压力。垃圾焚烧炉渣与天然骨料相比，密度较小、孔隙率高、吸水性强[5]；垃圾焚烧炉渣用作胶凝材料时可以减缓水泥硬化，按一定比例掺入可以提高炉渣的胶凝活性，在水泥中掺入少量可以有效提高水泥浆体强度；焚烧炉渣用于混凝土中时，替代天然骨料比例不宜超过50%，替代率过高会延缓水泥水化反应发生，降低混凝土整体的抗压强度等指标[6]。

国外有研究[7]表明，炉渣经处理后可部分取代水泥用于基建材。目前炉渣的基建材料应用已在欧美发达国家大量推广。在荷兰工业协会的一项“绿色协议”中，要求将环保、经济的生活垃圾焚烧炉渣用于路基层、混凝土水泥或建筑中；欧盟要求成员国应将垃圾焚烧炉渣视为潜在的辅助建筑材料[8]，以改善城市生活垃圾回收体系，降低全球温室气体的排放量；丹麦每年生活垃圾焚烧炉渣的70%～90%用于路堤、路基或填海材料。

然而，炉渣的建材应用面临Cl-含量高的问题。目前，我国焚烧炉渣处置方法主要是：①经过脱氯处理后进入水泥窑协同处置；②经过固化处理后填埋[9]。炉渣中含有的硅酸盐和硅铝酸盐等物质，经过处理可以作为建筑材料使用。脱氯处理是不可缺少的一部分，通常的水洗脱氯可以去除大部分氯，但是炉渣中仍有少部分难溶性氯的存在。Zhu等人[8]研究表明，该难溶性氯盐主要是Friedel’s盐（[Ca2Al(OH)6]Cl·2H2O），深度处置炉渣中的氯，可以提高建筑行业中水泥窑的处置能力，因此深度脱氯技术的开发研究显得尤为重要。这是焚烧炉渣一个重要的资源化利用方向，但是也存在一定的问题，炉渣资源化取代水泥，可能会降低基建材料混凝土的机械强度，其强化时间相应延长，故要合理地添加炉渣才可以有效提高其资源化水平[10]；也要注意有害垃圾的单独处置，以保证水泥窑本身的长期使用和安全性。

(2)路基、堤坝填料

经处理过的生活垃圾焚烧炉渣可以用于道路工程，以替代路基中的黏土、基层中的石屑、碎石和表层中的细骨料。同时，生活垃圾焚烧炉渣的应用还可以降低堆渣成本，具有间接的经济效益[11]。但相关研究表明[12]，炉渣中较高浓度的氯盐和重金属会在环境中浸出，不能直接作为建筑材料，需要对其进行水洗，再将部分水洗后的炉渣掺入砂子作为路基材料，不但满足相应的环境标准，同时降低了处置成本。

此外，炉渣资源化也可用于堤坝建设。根据Yoon等人[13]的研究，向混凝土中掺入15%的炉渣建造堤坝，其耐久性更好；但用于堤坝建设要考虑到对土壤和地下水和周围环境动植物的影响，可能发生污染物质渗漏等问题，在实际工程中的应用较少，需要进一步的实验理论研究。

(3)填埋场覆盖材料

焚烧炉渣用于填埋场覆盖材料，可以有效防止雨水、渗滤液的渗漏和垃圾发酵气体的逸散，在环境健康层面上值得发展。炉渣作为填埋覆盖材料时，不需进行筛分、破碎等前处理，工艺上简单易行[14]。但是填埋场渗滤液中溶解的盐类浓度较高，所以将焚烧炉渣用作覆盖材料时要注意渗滤液中盐类浓度含量及变化，防止对环境造成危害。

(4)石油沥青骨料

焚烧炉渣中筛分出的合适粒径可以作为石油沥青细骨料铺路。相比于传统沥青混合料，表面掺入10%炉渣的沥青并没有增加经济效益，但其经济效益将随沥青、石料价格的增长而逐渐显著。有研究表明，沥青中炉渣用于粘结层或基层时掺入率不宜超过20%，用于表层时不宜超过15%[12]。严建华等人[15]研究表明，在炉渣和沥青混合物中添加某种硫化物，可以生成重金属硫化物，减少重金属的浸出量。美国将炉渣分别用于道路粘结层、耐磨层或表层和基层，完成含混合炉渣的沥青道路铺筑工程，结果表现良好[16]。但炉渣作为铺路材料时也有一定的限制，比如丹麦对用于铺路的炉渣，要求利用地距离饮用水源不得小于20m并高于最高地下水位[12]。

(5)玻璃和陶瓷

炉渣中含有的硅酸盐类物质是玻璃和陶瓷的生产原料，故经过熔融玻璃化的焚烧炉渣可用作玻璃和陶瓷，不仅可以节约利用原材料，而且生产过程中通过控制高温温度条件，可以使二噁英等有机污染物去除，是近些年新兴的一种工艺。比如，Marruzzo[17]利用炉渣制作人造沸石作为离子交换剂制纯净水，都在炉渣的再利用领域有一定的发展前景。

4.结束语

本文以上海城市垃圾焚烧厂典型炉渣为研究对象，分析测试了炉渣的理化特性，通过文献调研对炉渣的多种资源化应用方法进行了综述，并总结了应用中所面临的问题及解决方法。通过对垃圾焚烧炉渣的理化性质和工程特性分析也显示，垃圾焚烧炉渣具有一定的骨料性质，且其重金属含量、含盐量和浸出浓度均较低，有机物含量较低，强度高，对环境的影响也较小。可经过水洗脱氯等预处理后用于水泥建筑材料、石油沥青骨料等用途。因此，可将垃圾焚烧炉渣作为建筑材料原料开展多种资源化综合利用。该工作对发展资源化利用技术，助力我国建立资源节约型社会具有参考意义。