摘要：為了解決垃圾焚燒后飛灰的資源化應(yīng)用問題，本文綜述了飛灰目前在工程材料上資源化應(yīng)用的發(fā)展狀況。概述了飛灰在物理層次上的顆粒大小，較大凝聚力空隙率的特征，在化學(xué)層次上的元素組成、重金屬性，隨地域時間改變而導(dǎo)致元素含量的不確定性；介紹了飛灰代替碳酸鈣制成水泥熟料、部分代替水泥制成水泥砂漿，以及代替礦粉應(yīng)用到瀝青中這幾個方面的應(yīng)用條件，和目前的研究狀況。
關(guān)鍵詞：垃圾焚燒；資源化；綜述；飛灰；水泥；瀝青；
0引言
隨著世界的發(fā)展和人們生活水平的日益提高，城市生活垃圾變得越來越多，生活垃圾處理成為阻礙可持續(xù)發(fā)展的一大障礙，根據(jù)世界銀行《2050年全球固體廢物管理一覽》，當(dāng)前全球城市生活垃圾產(chǎn)生量約為每年20億噸，并且到2050年將達到每年34億噸。在中國，根據(jù)國家統(tǒng)計年鑒，中國2019年的垃圾清掃量為2.42億噸，并且逐年增高。針對這個問題，垃圾焚燒處理成為解決垃圾問題的有種有效辦法。垃圾焚燒處理可以減少垃圾的體積占有量，產(chǎn)生的余熱可以發(fā)電（供熱），減少不可再生資源——煤、天然氣、石油的使用，但是焚燒后產(chǎn)生的重金屬物質(zhì)飛灰的處理，成為影響垃圾焚燒發(fā)電進一步發(fā)展的主要問題之一。
1.垃圾焚燒飛灰的特性及元素組成
城市生活垃圾焚燒后剩余的產(chǎn)物相比原垃圾質(zhì)量減少70%～80%，根據(jù)焚燒后的殘留物在焚燒系統(tǒng)中被收集的位置不同，分為飛灰與底灰。底灰指的是垃圾焚燒后，在垃圾焚燒爐爐床上收集到的殘留物；飛灰則是在垃圾焚燒爐中煙氣凈化系統(tǒng)收集到的細顆粒粉末狀物質(zhì)，其中飛灰約占垃圾焚燒產(chǎn)物的10%～20%。
飛灰15%左右為砂土，85%為粉土，一般為灰色或者深灰色，其粒徑小于300μm，主要顆粒大小在53μm～74μm之間。飛灰的表面較為粗糙，并且多為不規(guī)則的顆粒狀形態(tài)存在，例如：球形、針狀、片狀以及其它不規(guī)則的形狀；同時飛灰具有較大的凝聚力，并且在大顆粒上吸附著一些粒徑小的顆粒，大小顆粒物之間附著的較為緊密，積壓成團，導(dǎo)致顆粒性并不明顯。人們在研究飛灰內(nèi)部孔徑與空隙率的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，飛灰具有較高的空隙率，并且顆粒之間有明顯的間隙；飛灰的孔徑主要分布在0.3μm～1.5μm范圍內(nèi)，并集中于0.5μm～1.0μm這個區(qū)間內(nèi)。
利用XRF和XRD進行飛灰化學(xué)成分的分析發(fā)現(xiàn)，飛灰主要由CaO、MgO、SiO2、Fe2O3和Al2O3等重金屬氧化物組成，構(gòu)成SiO2-Al2O3-金屬氧化物體系。從元素組成來看，飛灰的主要組成元素為 Si、Ca、Al、Mg，此外還含有少量Zn、Pb、Cu、Cr、Ni 等重金屬元素。飛灰中各重金屬含量差異很大，并且隨著季節(jié)的變化，其金屬的含量也發(fā)生變化。同時，研究發(fā)現(xiàn)飛灰中不同重金屬的主要化學(xué)形態(tài)相差較大，焚燒飛灰中的Cr、Ni、Zn、Mn形態(tài)相對比較穩(wěn)定，其它元素如Cd、Cu和Pb的不穩(wěn)定形態(tài)所占比例很高，尤其是Cd，其不穩(wěn)定態(tài)占了絕大多數(shù)。并且不同的地區(qū)，不同的時間，其飛灰的化學(xué)組成是有很大差異的。綜合來看，飛灰的重金屬性以及元素含量的不確定性，成為了我們對飛灰進行系統(tǒng)的回收利用的另一項重大挑戰(zhàn)。
2.飛灰的資源化利用
垃圾焚燒飛灰的主要組成成分是由重金屬氧化物組成，屬于SiO2-Al2O3-金屬氧化物體系,并且隨著焚燒發(fā)電廠的逐漸增多，以及垃圾焚燒技術(shù)的日益提高，以后將更多地選擇焚燒的方式進行垃圾處理，焚燒后的飛灰也越來越多。綜合來看，飛灰具有資源化利用的巨大潛能，很多國內(nèi)外學(xué)者也開始研究飛灰資源化利用的可行性。
2.1飛灰在水泥熟料中的應(yīng)用
飛灰中含有CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3體系的物質(zhì)，而水泥中也含有硅質(zhì)、鈣質(zhì)的原料，它們的性質(zhì)較為相似，所以飛灰具有作為水泥熟料部分原料的潛能。針對這個特性，研究人員進行了大量的實驗，驗證了飛灰可以用于生產(chǎn)硅酸鹽水泥熟料和硫酸鋁鹽水泥熟料的可能。飛灰的利用可以減少水泥熟料中碳酸鈣的用量，降低對環(huán)境的二次污染。摻加飛灰的水泥生料，其燃燒性能得到顯著的改善，用飛灰作為熟料制成的水泥，其凝結(jié)時間、安定性、標準稠度用水量以及抗折強度并沒有太大差異，但是隨著飛灰摻量的增加，其抗壓強度會降低[1]。隨著更加深入地研究，發(fā)現(xiàn)在1400℃下，將飛灰作為原料進行水泥熟料的煅燒，并且將飛灰摻量控制在16.32%，此時燒制成的熟料制成的水泥，其膠凝性能好，早期強度高，在28天的養(yǎng)護后其抗壓強度可以達到65.4MPa。
2.2飛灰在水泥砂漿中的應(yīng)用
飛灰中含有較多類似水泥類的物質(zhì)，研究人員猜測飛灰可以適當(dāng)代替水泥砂漿或混凝土中的部分水泥。同樣，含氯較高的飛灰不適合用于水泥砂漿中，研究人員則將飛灰進行水洗，減少氯離子的含量，當(dāng)其氯含量降低至1.28%時，可以代替水泥砂漿，并且制成的材料其抗氯離子滲透性能有進一步提高。所以，飛灰應(yīng)用到水泥砂漿時，需要對飛灰進行預(yù)處理。池冬華將飛灰替代部分水泥制備水泥砂漿發(fā)現(xiàn)，飛灰中重金屬的浸出濃度顯著降低
[2]，特別是Pb和Cd，說明飛灰的適當(dāng)摻入對環(huán)境的影響較小，砂漿試件的抗折強度以及抗壓強度出現(xiàn)降低。飛灰的細度以及飛灰的替代率同樣對砂漿的性能有著顯著的影響，將飛灰的替代率增加到20%～50%，發(fā)現(xiàn)砂漿的抗折、抗壓強度都有提高，但是在抗折、抗壓性能上20%的替代率好于50%的替代率，同時水泥砂漿的和易性隨替代率的降低而增大。
2.3飛灰在瀝青中的應(yīng)用
飛灰因為粒度較小，結(jié)構(gòu)均勻且孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，具有多種高活性過渡元素，與礦粉具有相似的物化特性，并且瀝青可以很好的對飛灰進行固化作用，這使飛灰具有作為瀝青填料的可能。鄭凱高[3]針對這一特點，利用飛灰制備出飛灰-瀝青膠漿，研究飛灰在瀝青膠漿中的影響。通過研究瀝青膠漿的三大指標發(fā)現(xiàn)，飛灰的引入可以在一定程度上提高瀝青膠漿的高溫性能以及抗剪切變形能力，但是會使瀝青膠漿的塑性能力降低。為了確定飛灰作為礦粉的最優(yōu)摻量，實驗人員將水洗后的飛灰，通過不斷改變摻量來進行飛灰瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和抗水損害性能的研究，結(jié)果表明：飛灰的添加提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能和水穩(wěn)定性，降低了低溫抗裂性能。當(dāng)飛灰摻量為2.5%時，瀝青仍然具有良好的高溫、低溫和水穩(wěn)定性，可以滿足交通道路的使用，但是當(dāng)飛灰摻量達到3%時，飛灰瀝青的低溫破壞性能達不到規(guī)范要求。
3.結(jié)語
垃圾數(shù)量的不斷增加已經(jīng)成為社會發(fā)展的必然，垃圾焚燒技術(shù)開始成熟穩(wěn)定，通過焚燒進行處理的這一方式逐漸被人們選擇，飛灰的產(chǎn)量也會隨之增加，所以垃圾飛灰的安全處理與再利用是目前需要解決的重要問題。本文章針對這個問題，對當(dāng)下對飛灰在工程上的資源化應(yīng)用研究狀況進行了總結(jié)，得出以下結(jié)論：
飛灰可以應(yīng)用到水泥上，使其作為水泥的熟料，也可以部分代替水泥砂漿或混凝土中的水泥。
飛灰可以代替或者部分代替礦粉作為填料制成瀝青。
評論