兩種焚燒爐渣的主要成分分析冉帆，吳麗萍，李慶波，邵佳婧【摘要】為了進一步了解流化床渣與爐排渣等焚燒爐渣的性質，改善其應用性能，為其資源化利用提供理論依據,對天津市垃圾焚燒發電廠的爐排焚燒爐底渣和循環流化床焚燒爐底渣進行了取樣和分析，從X射線衍射光譜的物相分析、X射線熒光光譜的成分分析、燒失量分析3方面對兩種焚燒爐渣的主要成分進行了研究。結果表明，流化床渣和爐排渣的主要晶相為石英(SiO2)、鈣硅石(Ca2SiO4)和鈉長石(Na(AISi3O8))，為低熔點的鈣化物共熔物相，但爐排渣的組成成分更復雜；流化床渣、爐排渣中SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3含量之和分別達75.45%、65.95%，其中SiO2、CaO含量差異性較大；流化床渣的燒失量遠低于爐排渣。期刊名稱】實驗室研究與探索年(卷),期】2014(033)002總頁數】4【關鍵詞】焚燒爐渣；主要成分；X射線衍射光譜分析；燒失量0引言垃圾焚燒法減量化效果顯著，國內繼深圳建成第一座垃圾焚燒場以來，現已建成600多座，深圳、上海、北京、天津等城市垃圾焚燒處理率已超過20%［1］。城市生活垃圾焚燒技術的廣泛應用，不可避免地產生了焚燒爐渣的利用問題。焚燒爐渣是由垃圾焚燒爐排出的殘渣，包括爐排渣和從爐排間掉落的顆粒物［2］，約占灰渣總重量的80%，主要由未燃盡物及熔渣、陶瓷碎片、玻璃、金屬等不可燃物組成［3］。在我國，焚燒爐渣屬于一般固體廢棄物［4］。焚燒爐渣中熔渣的主要成分有SiO2、CaC03、CaO、MgCO3、鈣長石(CaO?A12O3?2SiO2)、重晶石和石膏等無機化合物，CaO、AI2O3、MgO、ZnO、SiO2等反應生成的鈣化合物形成的低熔點共熔物相的存在是灰渣形成的主要原因［5］。研究和工程實踐表明［6］，焚燒爐渣中硅酸鹽和鋁酸鹽等含量占30%以上，物理化學和工程性質與輕質的天然骨料(石英砂、黏土等)相似［7］。張悅等［4］關于焚燒爐渣的級配、吸水率、表觀密度及主要化學成分的分析認為，與天然粗、細骨料相比，焚燒爐渣骨料密度低、吸水率大、孔隙率高、壓碎指標大，顆粒級配連續，較適合作為混凝土骨料。因此，較多研究者對焚燒爐渣的骨料和集料性能作了研究［8-10］。焚燒爐渣相對飛灰而言，重金屬浸出濃度遠低于危險廢物鑒別標準值，污染程度小［11］，資源化利用是可行的，可作為污水處理的吸附劑及工業濾料等［12-13］。基于垃圾種類、焚燒爐型式、焚燒溫度、排渣方式等不同，焚燒爐渣成分亦有所區別。本試驗選取了流化床爐渣和爐排爐爐渣，通過X射線衍射、X射線熒光和燒失量分析，研究兩種焚燒爐渣主要化學性質的差異，為其資源化利用或改性利用提供理論依據。儀器與工作條件X射線衍射分析儀⑴試驗儀器。RigakuD/max-2500/PCX射線衍射儀(XRD)，MUIJade5.0X射線衍射數據處理軟件。⑵儀器工作條件。26初始角度5.000°,結束角度80.000。；20/0聯動，采樣間隔0.010°,連續掃描速度0.5007min;廣角；銅轉靶(X射線波長Ka:0.1541841nm),40kV,40mA;標準樣品夾，NaI閃爍計數X射線探測器，銅轉靶用石墨單色器，入射狹縫1/3°,入射高度限制狹縫2mm，散射狹縫1/2°,接收狹縫0.6mm，單色器接收狹縫未使用。XRD難以檢測含量小于1%的微量相或者非晶相，但微量相對物質主相定性和定量分析影響很小，基本上可以滿足常規礦物相的鑒定［14］。X射線熒光分析儀試驗儀器為ZSXPrimus皿型X射線熒光光譜儀，Rigaku制造，儀器工作條件見表1。試驗材料與試樣制備試驗材料試驗爐渣取自天津雙港垃圾焚燒發電廠和天津青光垃圾焚燒發電廠，前者采用的是日本田熊SN爐排爐，單臺處理量為400t/d，排渣形式為濕排渣，所取渣樣簡稱爐排渣(PZ)；后者采用的是清華紫光環保有限公司設計的循環流化床垃圾焚燒爐，單臺處理量為350t/d，排渣形式為干排渣，所取渣樣簡稱流化床渣(LZ)。試樣制備XRD分析用樣品制備。取適量爐排渣、流化床渣樣品，烘干、研磨，過200目篩后，將樣品粉末均勻灑入制樣框窗口中，將粉末在窗口內攤勻堆好，然后用小抹刀輕輕壓緊，用保險刀片把多余凸出的粉末削去，最后，小心地把制樣框從玻璃平面上拿起，保證樣品粉末平面的平整，進行X射線衍射掃描，即得到兩種焚燒爐渣的XRD圖譜。⑵XRF分析用樣品制備。預處理步驟同XRD分析，將200目篩下樣品放入烘箱中，保持100°C烘3h，置于干燥器中恒重，在30MPa壓力下保壓60s壓制成形，再進行X射線熒光光譜儀掃描。結果與討論爐渣物相組成分析爐排渣和流化床渣的XRD分析結果如圖1所示。灰渣中存在的主要物相有：硅酸鹽(長石類、輝石類、鈣硅石)、氧化物(石英、赤鐵礦)以及一些鹽類(氯化物、硫酸鹽)[15-18]。由圖1可以看出，流化床渣含有的主晶相有石英(SiO2)，鈣硅石(Ca2SiO4)和鈉長石(Na(AISi3O8))。爐排渣含有的主晶相有，石英⑸O2)、鈣硅石(Ca2SiO4)、鈉長石(Na(AISi3O8)，并含有綠銅鉀石(K2Cu2O(SO4)2)和少量的錐輝石(NaFe(Si2O6))等，其XRD峰形較流化床渣復雜，與其復雜成分相關。由峰值來看，流化床渣中石英及鈣硅石含量高于爐排渣。爐渣化學成分分析利用X射線熒光分析儀對爐排渣(PZ)和流化床渣(LZ)進行成分分析，結果見表2。由表2可看出，流化床渣和爐排渣主要成分均為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，含量分別達75.45%和65.95%，另有少量的Na2O、MgO、K2O、P2O5等，Zn、Ba、Mn、Cu、Pb、Cr等金屬氧化物的含量很低，均低于1%。主成分中SiO2、CaO含量差異性較大，與北京、上海、廣州、深圳等地區垃圾焚燒爐渣成分分析一致。由表3可見，上海浦東御橋、廣州李坑、北京高安屯、深圳南山、杭州錦江垃圾焚燒發電廠焚燒爐底渣中主要成分SiO2、AI2O3、CaO、Fe2O3，總量分別達到78.7%、76.9%、86.4%、82.3%、85%，差異性較小，但SiO2、CaO含量差異性較大。—般而言，爐渣的硅鋁比(SiO2/AI2O3)越低則其熔融溫度越高。由表2、3可知，天津青光流化床渣、雙港爐排渣與廣州李坑、北京高安屯、深圳南山、杭州錦江焚燒爐渣的SiO2/AI2O3比均大于3，上海浦東御橋焚燒爐渣的SiO2/Al2O3比為1.16，即爐渣的熔融特性亦存在差異。上述分析說明，焚燒爐爐型、燃燒器結構、垃圾成分、鈣基脫硫劑類型、摻煤量等均影響爐渣成分與性質。燒失量分析燒失量(LossonIgnition，LOI)又稱灼減量，是高溫時結晶水、揮發分被排除及碳酸鹽分解CO2、硫酸鹽分解SO2后的質量損失，與低價硫、鐵等元素氧化反應后質量增加的代數和［13］。試驗采用600工和950工兩個溫度段，600工下燒失量主要反映爐渣中結晶水、揮發分含量；950工下失重量能反映所含碳酸鹽、硫酸鹽含量。首先將待測樣品置于烘箱中，105°C下烘干2h，干燥器中恒重后備用。將空坩堝置于高溫電爐中，經600C高溫灼燒30min，取出后在干燥器中冷卻20~30min,稱取質量，再在同樣溫度下灼燒30min,冷卻稱重，直至兩次質量相差不超過0.5mg(即恒定質量)，此為灼燒的空坩堝質量。稱取1.00-2.00g預先烘干處理的樣品于已知質量的坩堝中。把坩堝置于高溫電爐中，從低溫開始灼燒，至600C保持1h，取出稍冷，放入干燥器20~30min后稱重，然后再放入高溫電爐中600C灼燒30min，冷卻后稱重，直至前后二次質最相差不超過0.50mg，即達恒定質量。重復上述步驟在950C下灼燒樣品。最后按下式計算流化床渣和爐排渣樣品600C和950C燒失量L，結果見表4。式中：ml為灼燒后空坩堝質量，g;m2為灼燒后樣品加坩堝質量，g;m3為灼燒前坩堝加烘樣品質量，g。在水泥和混凝土制備過程中，燒失量一般作為評價熟料質量的重要指標。高的燒失量影響熟料的吸水性能，進而影響產品的抗凍性、保溫性等，因此《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB1596-2005)中規定了粉煤灰的3種燒失量等級，即燒失量不大于5%為I級，不大于8%為口級，不大于15%為皿級。基于爐渣的主要化學成分與粉煤灰相近，本文擬通過燒失量實驗評價兩種爐渣的集料性能。由表4可知，流化床渣的燒失量滿足I級標準，而爐排渣的燒失量等級較低，僅滿足皿級標準。該結果顯示，除爐膛結構、燃燒方式、鍋爐負荷等因素的影響，循環流化床焚燒爐在給料粒度控制、爐內空氣動力場工況等方面具有一定的優勢，其良好的內循環和外循環提供了燃燒顆粒足夠長的停留時間，床內強烈的氣固混合為顆粒燃燒提供了良好的空氣動力場［19］。4結論(1)XRD分析表明，流化床渣和爐排渣的主要晶相為石英(SiO2)，鈣硅石(Ca2SiO4)和鈉長石(Na(AISi3O8))，但爐排渣中微量成分的晶相較流化床渣復雜，這與兩種焚燒爐渣的來源及焚燒工藝等因素有關。⑵XRF分析顯示，流化床渣、爐排渣中SiO2、AI2O3、CaO、Fe2O3含量之和分別達75.45%、65.95%，其中SiO2、CaO含量差異性較大。兩種焚燒爐渣的SiO2/AI2O3比均相近，為低熔點的鈣化物共熔物相。(3)流化床渣的燒失量遠低于爐排渣，具有較好的集料性能;焚燒爐爐型、燃燒器結構、垃圾成分、鈣基脫硫劑類型、摻煤量等均會影響爐渣成分與性質。參考文獻(References):王亦楠?我國大城市生活垃圾焚燒發電現狀及發展研究[J].宏觀經濟研究，2010(11):12-23.WANGYi-lan.Theresearchonthesituationanddevelopmentofwasteincinerationpowerofbigcities[J].Macroeconomics，2010(11):12-23.陳瑩，張國志?石蠟乳液用于石膏砌塊防水劑的研究[J].墻材革新與建筑節能，2011，(1):24-26.CHENYing，ZHANGGuo-zhi.Waxemulsionforwaterproofingagentofgypsumblock[J].WallMaterialsInnovation，2011(1):24-26.FortezaR，FarM.Characterizationofbottomashinmunicipalsolidwasteincineratorsforitsuseinroadbase[J].WasteManagement，2004(24):899-909.GB18485-2001?生活垃圾焚燒污染控制標準[S].⑸俞海淼，王桂英.爐排式垃圾焚燒爐的結渣特性研究[J].熱能動力工程，2009,24(3):400-404.YUHai-miao，WANGGui-ying.Thecharacteristicsofgrateincineratorslagging[J].JournalofEngineeringforThermalEnergyandPower，2009，24(3):400-404.張銳，張濤?垃圾焚燒爐渣的性質及對混凝土抗壓強度影響[J]?公路，2010(7):145-148.ZHANGRui,ZHANGTao.Thenatureofwasteincinerationslagandimpactonthecompressivestrengthofconcrete[J].Highway,2010(7):145-148.曹旗，吳清仁?用生活垃圾焚燒發電廠爐渣制備混凝土路面磚的研究J].混凝土與水泥制品，2011(4):58-61.CAOQi,WUQing-ren.Theslagofwasteincinerationplantswithpreparationofconcretepavers[J].ChinaConcereteandCementProducts，2011(4):58-61.易偉，沈金健?生活垃圾焚燒爐渣制免燒磚實驗研究[J]?中國環保產業，200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