利用生活垃圾焚烧发电厂炉渣制备免烧砖的研究.doc

利用生活垃圾焚烧发电厂炉渣制备免烧砖的研究全国中文核心期刊杆建巍利用生活垃圾焚烧发电厂炉渣制备免烧砖的研究杨媛,吴清仁,曹旗,吴启坚(1.华南理工大学材料科学与工程学院,广东广州510640;2.华南理工大学特种功能材料教育部重点实验室,广东广州510640)摘要:在对广州李坑生活垃圾焚烧发电厂炉渣的成分和特性分析的基础上,进行了利用该炉渣制备焚烧炉渣免烧砖的初步研究,探讨了不同激发剂(NaiO,NaSO,NaOH)对焚烧炉渣免烧砖性能的影响,分析了焚烧炉渣砖的环境安全性.研究结果表明,当焚烧炉渣和Na2SiO,的掺量分别为原料总量的7O%和5.5%时,28d抗折强度和抗压强度分别达3.24MPa和2(】.56MPa,其重金属溶出量符合GB3838-2002地表水环境质量标准V类水要求.这为城市生活垃圾焚烧炉渣的高效资源化利用提供了一种技术途径.关键词:城市生活垃圾焚烧炉渣;性能;免烧砖;激发剂;制备中图分类号:TU522.1+9文献标识码:A文章编号: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广州市生活垃圾焚烧炉渣特性分析1.1焚烧炉渣的组成生活垃圾焚烧炉渣取自广州市李坑生活垃圾焚烧发电厂.原状的炉渣呈黑褐色,风干后为灰色.炉渣通常为不规则,带棱角的蜂窝颗粒状,表面大多为玻璃质,主要是不可燃的无基金项目:广州市重大科技专项计划项目(2008A1一DO011)收稿日期:20100323作者简介:杨嫒,女,1985年生,湖北随洲人,硕士.地址:广州市华南理工大学五山校区麟鸿楼209号,电话?40?新型建筑材料2010.8机物和部分未完全燃烧的可燃有机物,主要来源于垃圾中的玻璃,装修杂物(如锈铁钉等),陶瓷片,砖块,熔渣等,还含有一定的金属物质和未完全燃烧的纸,塑料,纤维,木头等有机物,此外含有少量的有害物质,如重金属等.1.2焚烧炉渣的吸水率,密度和含水率测得该厂炉渣的吸水率约为15%,密度约为2g/cm3,含水率约为20%,在应用时必须根据应用途径作进一步分析,确定是否需要通过曝晒,风干来降低炉渣的含水率.1.3有机质含量炉渣中有机质会影响集料的工程性质,主要会影响无机结合料硅酸三钙的稳定性,因此有机质含量不宜过高1.杨媛,等:利用生活垃圾焚烧发电厂炉渣制备免烧砖的研究在国外,经常会采用热灼减率(LOI)来反映炉渣中的有机质含量,LOI是指炉渣中未燃尽成分的质量含量,有机质属于未燃尽的成分,故LOI能够从一个侧面反映炉渣中有机质含量闭.测得本试验炉渣的LOI为1.73%,表明其有机质含量较低.1.4坚固性坚固性是衡量集料抗冻性的指标之一.将炉渣浸泡于饱和硫酸钠溶液后,再进行烘干,如此循环,炉渣的质量损失越低,说明其抗冻性越好【3I.经过5次浸泡和烘干循环后,试验用炉渣的质量损失约为4.65%,说明炉渣坚固性较好.1.5焚烧炉渣的矿物组成将待测炉渣样品研磨至通过200目筛,进行干燥后,对其矿物组成进行分析.分析得知,主要含有方解石,石英,钙长石.1.6焚烧炉渣的化学成分比较城市生活垃圾焚烧炉渣中含有的有害物质可能在其进入环境或利用过程中对环境带来危害,故需进行化学分析.广州,北京,上海,深圳和昆明5城市生活垃圾焚烧炉渣的化学成分比较见表1.由表1可见,城市生活垃圾焚烧炉渣主要由碱金属及碱土金属的氧化物构成.表15城市生活垃圾焚烧炉渣的化学成分比较%1.7焚烧炉渣的火山灰活性测试通过测试得知,炉渣火山灰活性不合格.资料显示,炉渣属于含有活性氧化硅及氧化铝的隐型活性废渣,需要进行激发嘲.2焚烧炉渣免烧砖的制备方法通过以上分析表明,焚烧炉渣主要物理组分的质地坚硬,具有一定强度.有机质含量低,坚固性好,符合GB/T189682003(墙体材料术语中硅酸盐砖原材料的要求,尽管含有一些重金属,但是根据我国的规定,炉渣仅属于一般废弃物阿,可以进行资源化利用,作为生产免烧砖的主要原料.由于不具备火山灰活性,除选择水泥外,还选择石灰,石膏和激发剂作为原料.生活垃圾焚烧炉渣的主要化学成分为SiO:,CaO和A】:O,其中SiO:和A1:O.能与水泥水化产生的Ca(OH)发生二次水化反应,反应过程如下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钙与硅质材料发生反应,生成含水硅酸盐凝胶及结晶连生体,从而胶结未反应完全的炉渣,提高早期强度.石膏属于一种硫酸盐激发剂,用来激发炉渣的活性,以免过程缓慢导致早期强度低.在激发剂(Na28iO,Na2s0,NaOH)的作用下,激发生活垃圾焚烧炉渣的活性,非活性的SiO和Al20,在碱性条件下可反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙.整个水化过程就是焚烧炉渣在硫酸盐激发剂和碱激发剂的作用下,和水泥,石灰的水化产物进行一系列复杂的二次反应,生成水化硅酸钙和水化铝酸钙,氢氧化钙及水化铝酸钙等析出针状晶体伸入硅酸钙凝胶体内使砖硬化而具有强度.2.1原材料及设备生活垃圾焚烧发电厂排放的焚烧炉渣需破碎筛选,以调整焚烧炉渣颗粒粗细分布.筛选38mm的炉渣备用,3mm以下加生石灰粉及水辊碾搅拌及陈化.水泥既是焚烧炉渣砖的胶结料,同时也是焚烧炉渣的活性激发剂.水泥的质量要符合GB1751999酸盐水泥,普通硅酸盐水泥的规定.选用新鲜生石灰,确保其高活性,有效氧化钙含量不低于70%,过火灰小于5%,欠火灰小于7%,细磨过0.08mm筛.石膏:选用CaO含量大于32%,SO含量大于45%,含水量小于20%,杂质含量小于3%.采用NaiO,NaSO和NaOH作为激发剂,将NaiO,Na2SO,NaOH固体配成溶液,通过试验选择最佳的激发剂.制备生活垃圾焚烧炉渣砖的设备主要有:(1)破碎设备:粉碎机,震击式标准振筛机,球磨机;(2)混料设备:双卧轴搅拌机;(3)成型设备:液压制砖机,标准砖模具;(4)养护设备:托板,喷水器.2.2压制成型使用液压制砖机,标准砖模具按设定配比方案每组压制6块.本实验制备焚烧炉渣免烧砖既不烧结,也不蒸压,因此前期强度的形成主要依靠成型压力,后期的强度主要依靠水泥的胶结及焚烧炉渣活性的激发.2-3养护制度砖坯成型后具有一定强度(浇水时砖淋不坏)时就可以开始洒水养护,一组成品隔5h洒水1次,3d后每隔8h洒水1次,10d后每隔10h洒水1次,15d后自然干燥至28d,外观完整,无裂纹,无明显变形,该组成功;另一组成品早晚各洒水NEWBUILDINGMATERIALS?41?杨媛,等:利用生活垃圾焚烧发电厂炉渣制备免烧砖的研究1次,15d后自然干燥28d,该组养护品外观部分有缺角,裂纹及明显凹凸变形,该组失败.3结果与讨论3.1焚烧炉渣免烧砖激发剂的选择在焚烧炉渣免烧砖基础配方中分别加入不同的激发剂Na2SiO,NaSO和NaOH,激发剂掺量分别控制为炉渣,石灰,水泥和石膏总量的2.6%,3.3%和4%.焚烧炉渣免烧砖较佳激发剂选择的A系列实验研究方案及测试结果分别见表2,表3.表2焚烧炉渣免烧砖A系列实验研究方案%编号石灰炉渣水泥石膏Na:,SiONa2SONaOH表3焚烧炉渣免烧砖A系列试验样品强度测试结果从表2,表3可见,当激发剂掺量相同时,掺有NaSiO的焚烧炉渣砖样品7d,28d抗折强度和抗压强度都高于单掺NaSO和NaOH的样品强度.Na2SiO对焚烧炉渣的活性激发效果优于Na:S04,而NaOH的激发效果较差些.虽然焚烧炉渣不具有火山灰活性,但其不仅受到硫酸盐激发及外加激发剂带来的碱激发作用,而且受到水泥水化生成的碱产生的激发作用,炉渣的活性得到一定程度的激发.因为水泥水化产物既可激发焚烧炉渣的活性,又可为焚烧炉渣免烧砖提供强度,所以,当外加激发剂和水泥水化生成的碱及硫酸盐使生活垃圾焚烧炉渣的活性充分激发时,焚烧炉渣免烧砖的强度可达到最佳值.?42?新型建筑材料2010.8NaOH强碱性激发剂对焚烧炉渣的激发效果比较理想.这是由于焚烧炉渣的化学成分呈弱酸性,其活性在碱性环境中易被激发.焚烧炉渣颗粒表面的SiO和A1一O键在OH的作用下发生断裂,使siOAl网络聚合体的聚合度降低,OH一浓度越大,Si一0和Al一0键的受破坏程度越强.此外,Na离子对提高玻璃体的反应活性也有促进作用,它作为硅酸盐玻璃网络的改性剂,促使网络解聚.Na2SiO的激发效果比NaOH更好,是因为Na2SiO水解产生大量的OH一,因此Na2SiO激发本质上属于强碱激发;此外,它水解生成的硅胶与Ca反应生成CSH凝胶,在一定程度上加快了焚烧炉渣与Ca(OH)的反应.由于Na2SiO,具有的双重作用,故其激发效果明显优于NaOH.Na2SO的激发实际上是强碱和硫酸盐的双重激发,一方面Na2SO易溶于水,可与体系中的Ca(OH)反应生成高度分散的CaSO;另一方面,Na2S04与体系中Ca(OH)反应生成NaOH,使整个体系的碱性增强.具体来说,硫酸盐的激发机理主要是SO?-,Ca2.与溶解于液相中的A102-和夹杂在焚烧炉渣颗粒表面的凝胶发生化学反应,生成水化硫铝酸钙;部分水化铝酸钙也可与石膏反应生成硫铝酸钙,其在焚烧炉渣颗粒表面会形成网络状或纤维状的包裹层,由于其紧密度小于水化硅酸钙层,利于Ca2+扩散到炉渣颗粒内部与内部活性Si0和A10.充分接触并反应:其次,S042一可以置换出CSH凝胶中部分Si042-,被置换出的Si04一在外层又与Ca2作用生成CSH,同时Si042一促使活性Al2O的不断溶出,这样焚烧炉渣的活性激发得以继续发挥.3.2焚烧炉渣免烧砖激发剂较佳掺量及配方选择Na2si0,作为焚烧炉渣免烧砖的较佳激发剂,该激发剂较佳掺量B系列实验研究方案及测试结果见表4.表4焚烧炉渣免烧砖B系列实验方案及结果对焚烧炉渣免烧砖B系列样品进行强度检验,每组样品有6个小样.从表4可见,优化配方B4制作的焚烧炉渣免烧砖样品28d抗折强度和抗压强度分别达3.24MPa和20.56MPa,可在承重墙体结构中使用.分析表4可知,加入激发剂后,焚烧炉渣免烧砖的强度随激发剂Na2SiO掺量的增加呈现先上升然后下降的趋势,o00o粥o00oooo.oo粥o00o777777777777777777555555555888888888444444444:.=.:.:2:2123456789杨媛,等:利用生活垃圾焚烧发电厂炉渣制备免烧砖的研究Na2SiO掺量为5.5%时出现峰值.NaSiO掺量从2.6%一5.5%的增加过程中,焚烧炉渣免烧砖各龄期强度得到提高.当NaSiO掺量从5.5%提高到6.5%时,焚烧炉渣免烧砖的强度反而降低.究其原因,主要是浓度效应例引起的.因为加入Na2SiO激发剂后,水玻璃可提供大量的可溶碱离子,并提高pH值,使整个体系达到较高的碱度,溶液中部分OH一离子得以穿透炉渣颗粒的表面,与内部的Can离子作用,使玻璃体解体,Ca和si0离出来,由于ca扩散速度较大,能较快进入溶液中,并与缓慢释放的活性Si032-反应,生成低碱度的CSH凝胶,从而加速早期的水化反应.随着Na2SiO掺量进一步增大,OH一离子的浓度逐渐增大,在炉渣物料颗粒表面快速反应,产物形成1层保护膜,阻止水化反应的进一步进行,所以制品强度反而有所降低.根据上述分析,实验结果表明,Na2SiO的合理掺量为5.5%,焚烧炉渣免烧砖的较佳配方为B-4.3.3焚烧炉渣免烧砖试验样品重金属溶出分析对配方B-4所制备的焚烧炉渣免烧砖样品中重金属溶出进行测试分析,结果如表5所示.从表5可见,焚烧炉渣免烧砖试验样品重金属溶出量符合GB3838-2002地表水环境质量标准V类水要求.表5焚烧炉渣免烧砖重金属溶出分析结果g,L项目HgPbCdCrCuZnAsSePB一4O.452.570.72O.154465.9182.81.763l7.68127.8?001000-000200.0004004结论(1)J州市李坑生活垃圾焚烧发电厂的焚烧炉渣与天然河砂的表观密度和表干密度相近,可作为集料替代部分天然河砂生产焚烧炉渣免烧砖.(2)3种不同激发剂NaOH,Na2SiO和Na2SO中,以Na2SiO,对焚烧炉渣免烧砖的激发效果最佳,Na2SO激发效果次之;随着NaSiO激发剂掺量的增加免烧砖强度先上升后下降,NazSiO掺量为5.5%时强度最大.(3)以较佳配方(石灰15.4%,炉渣71.8%,水泥5.1%,石膏7.7%,Na2SiO5.5%)制备的焚烧炉渣免烧砖28d抗折强度和抗压强度分别达3.24MPa和20.56MPa,可在承重墙体结构中使用,其重金属溶出量符合GB3838-2002地表水V类环境质量标准要求.参考文献:【1KossonDS,VanderSlootHA,EighmyTT.Anapproachforestimationofcontaminantleasedu6ngutilizationanddisposalofmunicipalwastecombustionresiduesJ.JournalofHazardousMmefiMs,1996,47(13):4375.【2】徐福华,肖燕.利用生活垃圾焚烧灰渣和废玻璃制备彩色道砖J.中国资源综合利用,2003,2(6):2021.【3】章烨,何晶.城市生活垃圾焚烧灰渣及其性质分析J_上海环境科学,2002,21(6):356360.4】杨嫒,吴清仁,吴启坚.资源化利用城市生活垃圾焚烧灰渣的技术途径【c】.广州:国际建材研讨会论文集,2008:251256.51闰振甲,何艳君.免烧砖生