垃圾焚烧发电飞灰及处置技术

1、垃圾焚烧飞灰概述

垃圾焚烧发电技术作为垃圾减量化处理的有效方法之一，是将垃圾放在焚烧炉中进行燃烧，释放出热能，余热回收可供热或发电。烟气净化后排出，少量剩余残渣排出填埋或作其他用途。

焚烧处理技术特点是处理量大、减容性好、无害化彻底，且有热能回收作用。因此，对生活垃圾实行焚烧处理是无害化、减量化和资源化的有效处理方式。世界各国普遍采用这种垃圾处理技术。

随着我国垃圾焚烧处理的迅猛发展，焚烧飞灰产量巨大，开发焚烧飞灰处理技术将成为近年来环保领域研究的热点之一。但由于垃圾焚烧飞灰中含有较高浓度的二恶英和重金属，属于危险固体废弃物，直接填埋会对周边环境造成严重二次污染，因此，需要对垃圾焚烧飞灰进行无害化处理处置。

垃圾焚烧飞灰是指在垃圾焚烧厂的烟气净化系统(APC)中收集而得的残余物，一般包括除尘器飞灰和吸收塔飞灰。飞灰中含有烟道灰、加入的化学药剂及化学反应产物。焚烧飞灰作为一种高比表面积物质，它不但富集大量的汞、铅和镉等有毒重金属，而且也富集了大量的二恶英类物质，是一种同时具有重金属危害特性和环境持久性有机毒性无危害特性的双料危险废物，对人体健康和生态环境具有极大的危害性。

2、飞灰物理、化学性质

飞灰是含水率很低的细小尘粒，呈浅灰色粉末状。一般所取灰样的含水率为10% ～23%，热灼减率为34% ～51%。飞灰的粒径大小不均，是由颗粒物、反应产物、未反应产物和冷凝产物聚集而成的不规则物体，但总的来说，粒径较小，基本在100μm以下，表面粗糙，呈多角质状，孔隙率较高，比表面积较大，使Pb和Cd等易挥发性金属易在其表面凝结富集。

焚烧飞灰的主要化学成分如下：

SiO₂（24.5%）、Fe₂O₃（4.01%）、Al₂O₃（7.42%）、TiO₂（0.62%）、CaO₃（3.37%）、MgO（2.72%）、SO₃（12.03%）、CaO（0.5%）、Cl（10.56%）

从中可以看出，焚烧飞灰中的主要化学成分是CaO、SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃。

目前飞灰处理处置方法主要有：固化/稳定化，包括水泥固化、沥青固化、熔融固化、化学药剂固化/稳定化，固化体达到浸出标准后填埋或资源化利用;将重金属提取，包括酸提取、碱提取、生物及生物制剂提取、高温提取，提取后对重金属可以进行资源化利用。

3、灰飞的处理工艺

通过物理或化学反应，对飞灰中的重金属、二噁英类、氯盐等一种或几种物质进行一定程度的去除，或者抑制其可浸出性，使处理后的飞灰满足后续利用或处置要求的过程，灰飞的处理工艺主要有以下几种方式。

3.1 干式处置法

1、低温热分解：将飞灰在缺氧或无氧气氛下，通过低于500℃的低温热分解反应，将其中的二噁英类脱氯解毒的过程。

2、高温烧结：将飞灰或其处理产物与其他硅铝质组分、助熔剂进行混合后，通过高温使其部分熔融，冷却后形成烧结体产物的过程。

3、高温熔融：将飞灰或其处理产物与其他硅铝质组分、助熔剂进行混合后，通过高温使其完全熔融，再经过水淬等急冷处理，形成致密玻璃体产物的过程。

4、固化与稳定化技术：这种处理方法能够使危险废物中涉及的全部污染组分，表现出化学惰性，或是将其包容起来，从而方便对其进行处置、利用或是运输。

（1）沥青固化技术

沥青的化学稳定性较好，同时具备一定的粘接性、弹性、塑性，能够抵御很多酸、碱类物质的腐蚀。沥青固化是将沥青固化剂、飞灰搅拌在一起，在特定的配比、碱度、温度下，让其产生皂化反应，从而使有害物质能够均匀的附着于沥青中，从而产生固化体。沥青固化的具体方法主要有两种，其一是加热沥青，在高温作用下，将沥青变为熔融胶粘性液体，掺和飞灰，并借助沥青的粘合作用将危废包裹，冷却后便能得到固化体。第二，通过对乳化剂的使用，对沥青进行乳化处理，而后将乳化沥青、飞灰混合起来，再进行破乳、脱水等一系列操作，就能得到沥青固化体，这种方法在室温下就能完成。

（2）水泥固化技术

该技术是对固化剂、飞灰进行混合处理，让其产生新的物质——固化体，使危废中的有害成分被封锁在固化体中。最常用的危废固化剂就是胶凝材料水泥，因而在焚烧飞灰处理中，水泥固化技术是一种常用的处理办法。将飞灰倒入水泥基质中，经过既定条件的酝酿，在化学、物理作用下，就能产生一些微小的金属氧化物，从而使污染物的迁移得到控制。在此过程中，要使固化的效果得到提升，保证固化体的性能，在固化过程中，就要根据危废的性质以及其对产品质量的要求，选择适宜的添加剂类型、剂量。

（3）化学药剂稳定化技术

该技术是借助化学药剂的化学反应，让有毒、有害物质的毒害水平下降，逐渐转变为毒性低、溶解性低的物质。在飞灰处理处置中，采用化学药剂稳定化技术，不仅能够达到无害化的要求，同时也能保证少增容甚至不增容，使处理的效率得以提升，进而提升飞灰处理的经济效益。化学药剂稳定化技术的应用，必须建立在特定的范围内，它主要应用在重金属废物的处理中。现阶段，金属稳定化技术已经十分丰富，像pH值控制技术、离子交换技术、沉淀技术等。

5、水洗脱盐预处理（FWD）+水泥窑协同处置技术：利用三级或多级逆流漂洗技术对飞灰、窑灰或类似粉体物料进行水洗以脱除物料中的可溶性物质，进而达到二次利用或脱毒的目的。实现飞灰高效脱盐，进而实现全部资源化利用。经FWD技术处理后的飞灰或窑灰，氯元素去除率≧95%，含水率低于2%。

3.2湿式化学处理法

飞灰湿式化学处理法有加酸萃取和烟气中和碳酸化法等，该工艺运行成本较低，可回收重金属和盐类。将飞灰中的重金属提取：酸提取、碱提取、生物及生物制剂提取等。经过重金属提取后的飞灰和重金属可以分别进行资源化利用。

聂永丰的研究指出：磷酸洗涤后Zn的溶出率由水洗时的112.65 mg/kg降低至2 mg/kg左右，Pb的溶出浓度未检出，固留在灰样中重金属的残留态和有机态的比例都有不同程度的提高。结论是：磷酸洗涤不但能有效抑制重金属的溶出，还有助于改善重金属的化学稳定性和焚烧飞灰的热稳定性。李定龙等人的研究也指出大多数有害的离子浸出率较低，对于安全填埋影响不大，也可作为建材、筑路之用。重金属提取技术主要具有以下优点：①灰中的可溶盐溶解于水中，提高了处理效果，增加了处理物的稳定性;②处理物中的可溶盐较少，且形态为脱水滤饼状，易于进行操作、搬运、填埋;③工艺简单，可操作性强。但同时也存在着需要对可溶盐和排水进行处理的弊端，一般只用于重金属浓度较高、有必要进行回收的情况下，因此目前很少应用。

3.3安全填埋法

安全填埋法是将垃圾焚烧飞灰在现场进行简单处理后，送入安全填埋场填埋处理的方法，这是目前垃圾焚烧飞灰处理最安全可靠的手段之一。但安全填埋场的建设和运行费用居高不下，垃圾焚烧处理厂难以承受，同时也不能达到减容化和资源化的目的，因此今后会逐渐减少该方法的应用。

3.4其他用途

Young Jun Park， Jong Heo研究了在焚烧飞灰中加入SiO2、MgO、TiO2制造玻璃，然后将这种玻璃进一步转化为玻璃陶瓷制品，用来制作可以进一步循环利用的建筑材料。随着经济的发展和人们环境意识的提高，对于未来垃圾焚烧飞灰的处理应该是随污染物排放标准的提高，无害化程度要进一步提高，同时应尽可能减少处理和控制二次污染物的运行费用。结合我国的实际情况，垃圾焚烧飞灰处理的发展方向应该包括以下3个方面：

①开发先进的焚烧炉，并加强对入炉垃圾的控制;

②开发稳定效果好、处理成本低的化学稳定剂以减少垃圾焚烧飞灰中重金属的迁移;

③开发安全可靠、能耗低效益好的资源化技术，资源化处理垃圾焚烧飞灰，变废为宝。

4、飞灰的管理要求

根据《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范（试行）》的政策，对飞灰收集、贮存、运输污染控制要求有：

（1）飞灰贮存设施应具备防扬尘、防雨、防渗（漏）等措施，并应符合《危险废物贮存污染控制标准》（GB 18597）的要求。

（2）飞灰贮存设施收集的废气直接排放的，其颗粒物应不超过《大气污染物综合排放标准》（GB 16297）规定的排放浓度限值。如果收集的废气导入生活垃圾焚烧炉烟气排放系统排放，应不影响焚烧炉烟气达标排放。

（3）在飞灰贮存、运输过程中，应采用封闭包装或置于密封容器内，或使用封闭槽罐车散装运输。

（4）飞灰收集、运输、贮存的其他要求应符合《危险废物收集、贮存、运输技术规范》（HJ 2025）的规定。

（5）飞灰处理产物的收集、运输、贮存应根据其管理属性分别符合相关标准的要求。

5、飞灰资源化利用存在的问题

飞灰资源化利用工程主要存在于经济发达的城市，除水泥窑协同处置外，其他工艺实际应用案例较少，主要原因如下：

1）资源化利用成本高

以资源化利用为处理工艺的飞灰处置价格普遍在2000元/吨上下。其中，衢州市区生活垃圾焚烧飞灰处置服务采购项目飞灰处理费用1750元/吨，嘉善县生活垃圾焚烧飞灰外运处置项目飞灰处理费用2200元/吨，上海市政府定价的经营服务性收费目录清单（2021版）中飞灰处理费用1860元/吨，而采用传统的“稳定化固化+填埋”工艺，实际单价一般在100～300元。

2）终端产品销路问题

由于重金属不能破坏分解，因此如不能提取利用，飞灰中的重金属都将转移到产品中，影响下游企业应用的积极性。

以日本的生态水泥为例，用垃圾焚烧炉飞灰为原料制造出来的生态水泥，在2001～2006年有五家生态水泥厂相继投产，最大产能85万吨/年，但由于销路不畅，大部分都已停产。

3）污染处置难题

垃圾焚烧飞灰中富集了焚烧烟气中的重金属、二噁英等污染物，且具有高氯的特点，成为其处理处置的难题。建材利用存在重金属与二噁英造成环境污染的风险；高氯易导致设备易腐蚀；且氯回收难度大，处理成本高。

6、结束语

目前飞灰处置技术体系仍存在自身不足，符合环境安全且具有普遍适用性的飞灰处理技术仍需进一步研究和开发。

（1）生活垃圾焚烧飞灰的有害成分主要体现在Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni等重金属、可溶盐、以及二噁英和呋喃等有机物。二噁英和呋喃等有机物可以通过高温等方式处理，但重金属只能通过提取利用的方式才能减量。只有能够回收重金属，才能真正使得飞灰无害化。否则作为建材应用到室外环境，长期处在湿润的环境中，甚至有些地区酸雨的影响，都增加了重金属析出的风险。

（2） 目前资源化利用技术处理飞灰的单价在2000元/吨左右，基本上采用的是财政补贴的方式，按照炉排炉焚烧工艺的飞灰产生率中值4%计算，相当于每吨垃圾焚烧处理费用增加80元，因此，资源化利用技术的研发应考虑经济性，否则只能应用于东部发达城市。

（3）如土地资源不匮乏，利用螯合剂固化飞灰中重金属，降低至重金属浸出标准后进行贮存处理，等待成熟经济的资源化利用技术，未尝不是明智之举。

（4）加强飞灰监督管理，既要对飞灰填埋运营方式加强监督管理，又要对资源化利用技术高处理成本带来的非法倾倒、非法处置利用进行监管。

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