兩種焚燒爐渣的主要成分分析

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(jìn)一步了解流化床渣與爐排渣等焚燒爐渣的性質(zhì)，改善其應(yīng)用性能，為其資源化利用提供理論依據(jù),對(duì)天津市垃圾焚燒發(fā)電廠的爐排焚燒爐底渣和循環(huán)流化床焚燒爐底渣進(jìn)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(duì)兩種焚燒爐渣的主要成分進(jìn)行了研究。結(jié)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(zhǎng)石(Na(AISi3O8))，為低熔點(diǎn)的鈣化物共熔物相，但爐排渣的組成成分更復(fù)雜；流化床渣、爐排渣中SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3含量之和分別達(dá)75.45%、65.95%，其中SiO2、CaO含量差異性較大；流化床渣的燒失量遠(yuǎn)低于爐排渣。期刊名稱】實(shí)驗(yàn)室研究與探索年(卷),期】2014(033)002總頁(yè)數(shù)】4【關(guān)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(guó)內(nèi)繼深圳建成第一座垃圾焚燒場(chǎng)以來(lái)，現(xiàn)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(guò)20%［1］。城市生活垃圾焚燒技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不可避免地產(chǎn)生了焚燒爐渣的利用問(wèn)題。焚燒爐渣是由垃圾焚燒爐排出的殘?jiān)?，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(guó)，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(zhǎng)石(CaO?A12O3?2SiO2)、重晶石和石膏等無(wú)機(jī)化合物，CaO、AI2O3、MgO、ZnO、SiO2等反應(yīng)生成的鈣化合物形成的低熔點(diǎn)共熔物相的存在是灰渣形成的主要原因［5］。研究和工程實(shí)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(xué)和工程性質(zhì)與輕質(zhì)的天然骨料(石英砂、黏土等)相似［7］。張悅等［4］關(guān)于焚燒爐渣的級(jí)配、吸水率、表觀密度及主要化學(xué)成分的分析認(rèn)為，與天然粗、細(xì)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(biāo)大，顆粒級(jí)配連續(xù)，較適合作為混凝土骨料。因此，較多研究者對(duì)焚燒爐渣的骨料和集料性能作了研究［8-10］。焚燒爐渣相對(duì)飛灰而言，重金屬浸出濃度遠(yuǎn)低于危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)值，污染程度?。?1］，資源化利用是可行的，可作為污水處理的吸附劑及工業(yè)濾料等［12-13］?；诶N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(qū)別。本試驗(yàn)選取了流化床爐渣和爐排爐爐渣，通過(guò)X射線衍射、X射線熒光和燒失量分析，研究?jī)煞N焚燒爐渣主要化學(xué)性質(zhì)的差異，為其資源化利用或改性利用提供理論依據(jù)。儀器與工作條件X射線衍射分析儀⑴試驗(yàn)儀器。RigakuD/max-2500/PCX射線衍射儀(XRD)，MUIJade5.0X射線衍射數(shù)據(jù)處理軟件。⑵儀器工作條件。26初始角度5.000°,結(jié)束角度80.000。；20/0聯(lián)動(dòng)，采樣間隔0.010°,連續(xù)掃描速度0.5007min;廣角；銅轉(zhuǎn)靶(X射線波長(zhǎng)Ka:0.1541841nm),40kV,40mA;標(biāo)準(zhǔn)樣品夾，NaI閃爍計(jì)數(shù)X射線探測(cè)器，銅轉(zhuǎn)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(cè)含量小于1%的微量相或者非晶相，但微量相對(duì)物質(zhì)主相定性和定量分析影響很小，基本上可以滿足常規(guī)礦物相的鑒定［14］。X射線熒光分析儀試驗(yàn)儀器為ZSXPrimus皿型X射線熒光光譜儀，Rigaku制造，儀器工作條件見(jiàn)表1。試驗(yàn)材料與試樣制備試驗(yàn)材料試驗(yàn)爐渣取自天津雙港垃圾焚燒發(fā)電廠和天津青光垃圾焚燒發(fā)電廠，前者采用的是日本田熊SN爐排爐，單臺(tái)處理量為400t/d，排渣形式為濕排渣，所取渣樣簡(jiǎn)稱爐排渣(PZ)；后者采用的是清華紫光環(huán)保有限公司設(shè)計(jì)的循環(huán)流化床垃圾焚燒爐，單臺(tái)處理量為350t/d，排渣形式為干排渣，所取渣樣簡(jiǎn)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(guò)200目篩后，將樣品粉末均勻?yàn)⑷胫茦涌虼翱谥校瑢⒎勰┰诖翱趦?nèi)攤勻堆好，然后用小抹刀輕輕壓緊，用保險(xiǎn)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(jìn)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(yù)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(jìn)行X射線熒光光譜儀掃描。結(jié)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(jié)果如圖1所示。灰渣中存在的主要物相有：硅酸鹽(長(zhǎng)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(zhǎng)石(Na(AISi3O8))。爐排渣含有的主晶相有，石英⑸O2)、鈣硅石(Ca2SiO4)、鈉長(zhǎng)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(fù)雜，與其復(fù)雜成分相關(guān)。由峰值來(lái)看，流化床渣中石英及鈣硅石含量高于爐排渣。爐渣化學(xué)成分分析利用X射線熒光分析儀對(duì)爐排渣(PZ)和流化床渣(LZ)進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)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(dá)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(qū)垃圾焚燒爐渣成分分析一致。由表3可見(jiàn)，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(fā)電廠焚燒爐底渣中主要成分SiO2、AI2O3、CaO、Fe2O3，總量分別達(dá)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?！愣?，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(shuō)明，焚燒爐爐型、燃燒器結(jié)構(gòu)、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(zhì)。燒失量分析燒失量(LossonIgnition，LOI)又稱灼減量，是高溫時(shí)結(jié)晶水、揮發(fā)分被排除及碳酸鹽分解CO2、硫酸鹽分解SO2后的質(zhì)量損失，與低價(jià)硫、鐵等元素氧化反應(yīng)后質(zhì)量增加的代數(shù)和［13］。試驗(yàn)采用600工和950工兩個(gè)溫度段，600工下燒失量主要反映爐渣中結(jié)晶水、揮發(fā)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(cè)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(jīng)600C高溫灼燒30min，取出后在干燥器中冷卻20~30min,稱取質(zhì)量，再在同樣溫度下灼燒30min,冷卻稱重，直至兩次質(zhì)量相差不超過(guò)0.5mg(即恒定質(zhì)量)，此為灼燒的空坩堝質(zhì)量。稱取1.00-2.00g預(yù)先烘干處理的樣品于已知質(zhì)量的坩堝中。把坩堝置于高溫電爐中，從低溫開(kāi)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(zhì)最相差不超過(guò)0.50mg，即達(dá)恒定質(zhì)量。重復(fù)上述步驟在950C下灼燒樣品。最后按下式計(jì)算流化床渣和爐排渣樣品600C和950C燒失量L，結(jié)果見(jiàn)表4。式中：ml為灼燒后空坩堝質(zhì)量，g;m2為灼燒后樣品加坩堝質(zhì)量，g;m3為灼燒前坩堝加烘樣品質(zhì)量，g。在水泥和混凝土制備過(guò)程中，燒失量一般作為評(píng)價(jià)熟料質(zhì)量的重要指標(biāo)。高的燒失量影響熟料的吸水性能，進(jìn)而影響產(chǎn)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(guī)定了粉煤灰的3種燒失量等級(jí)，即燒失量不大于5%為I級(jí)，不大于8%為口級(jí)，不大于15%為皿級(jí)?；跔t渣的主要化學(xué)成分與粉煤灰相近，本文擬通過(guò)燒失量實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而爐排渣的燒失量等級(jí)較低，僅滿足皿級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該結(jié)果顯示，除爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒方式、鍋爐負(fù)荷等因素的影響，循環(huán)流化床焚燒爐在給料粒度控制、爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)工況等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，其良好的內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)提供了燃燒顆粒足夠長(zhǎng)的停留時(shí)間，床內(nèi)強(qiáng)烈的氣固混合為顆粒燃燒提供了良好的空氣動(dòng)力場(chǎng)［19］。4結(jié)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(zhǎng)石(Na(AISi3O8))，但爐排渣中微量成分的晶相較流化床渣復(fù)雜，這與兩種焚燒爐渣的來(lái)源及焚燒工藝等因素有關(guān)。⑵XRF分析顯示，流化床渣、爐排渣中SiO2、AI2O3、CaO、Fe2O3含量之和分別達(dá)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(diǎn)的鈣化物共熔物相。(3)流化床渣的燒失量遠(yuǎn)低于爐排渣，具有較好的集料性能;焚燒爐爐型、燃燒器結(jié)構(gòu)、垃圾成分、鈣基脫硫劑類型、摻煤量等均會(huì)影響爐渣成分與性質(zhì)。參考文獻(xiàn)(References):王亦楠?我國(guó)大城市生活垃圾焚燒發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展研究[J].宏觀經(jīng)濟(jì)研究，2010(11):12-23.WANGYi-lan.Theresearchonthesituationanddevelopmentofwasteincinerationpowerofbigcities[J].Macroeconomics，2010(11):12-23.陳瑩，張國(guó)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(jié)能，2011，(1):24-26.CHENYing，ZHANGGuo-zhi.Waxemulsionforwaterproofingagentofgypsumblock[J].WallMaterialsInnovation，2011(1):24-26.FortezaR，F(xiàn)arM.Characterizationofbottomashinmunicipalsolidwasteincineratorsforitsuseinroadbase[J].WasteManagement，2004(24):899-909.GB18485-2001?生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)[S].⑸俞海淼，王桂英.爐排式垃圾焚燒爐的結(jié)渣特性研究[J].熱能動(dòng)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(zhì)及對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)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(fā)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(shí)驗(yàn)研究[J]?中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2008(6)：39-41.YIWei，SHENJing-jian.Experimentalstudyofwasteincinerationslagpreparationofbaking-freebrick[J].ChinaEnvironmentalProtectionIndustry，2008(6)：39-41.阮仁勇?生活垃圾焚燒爐渣資源化利用的研究與實(shí)踐[J].上海建設(shè)科技，2009(1)：58-60.RUANRen-yong.ResearchandpracticeofresourceutilizationofWasteincinerationslag[J].ShanghaiConstructionScience,2009(1):58-60.PeraJ,CoutazL.Useofincineratorbottomashinconcrete[J].CementandConcreteResearch，1997，27(1):1-5.何品晶，宋立群?垃圾焚燒爐渣的性質(zhì)及其利用前景[J]?中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2003，23(4):395-398.HEPing-jing，SONGLi-qun.Characterizationofwasteincinerationbottomashanditsbeneficialuseprospect[J].ChinaEnvironmentalScience，2003，23(4):395-398.宋立杰，趙由才，朱南文，等.城市垃圾焚燒爐渣處理含磷廢水的實(shí)驗(yàn)研究J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2009,30(6):75-80.SONGLi-jie，ZHAOYu-cai，ZHUNan-wen,etal.ExperimentalStudyonPhosphorusWastewaterTreatmentwithUrbanWasteIncineratorSlag[J].NonferrousMetalsEngineering&Research，2009，30(6):75-80.WANGGuang-wei,QIULi-ping,LIYan-bo,etal.Comparativestudyofdifferentactivatedslagsonphosphateremoval[J].ComputerSociety2011，(10):694-697.蔣曉光，王嶺.X射線衍射法(XRD)分析煅燒白云石的物相組成J].中國(guó)無(wú)機(jī)分析化學(xué)，2012(3):31-33.JIANGXiao-guang，WANGLing.PhaseCompositionAnalysisofCalcinedDolomitebyX-rayDiffraction(XRD)[J].ChineseJournalofInorganicAnalyticalChemistry，2012(3):31-33.俞海淼，曹欣玉，周俊虎，等.再燃、噴鈣對(duì)燃燒神化煤爐內(nèi)沾污結(jié)渣特性的影響[幾浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40(7):1187-1191.YUHai-miao，CAOXing-yu，ZHOUJun-hu，etal.EffectofcoalreburningandinjectedcalciumonfoulingandslaggingcharacteristicsinShenhuacoalcombustion[J].JournalofZhejiangUniversity，2006，40(7):1187-1191.JVIribarne.Ascanningelectronmicroscopestudyonagglomerationinpetroleumcoke-firedFBCboilers[J].FuleProcessingTechnology，2003，82(1):27-50.