董云(1974-), 男, 博士, 教授, 主要从事固体废弃物再生利用及岩土工程研究, E-mail:
Dong Yun (1974-), PhD, professor, main research interests: reuse of solid waste recycling and geotechnical engineering, E-mail:
为实现城市垃圾焚烧底渣的高效再生利用,进行了底渣及其再生微粉的物理、化学性质实验,采用不同比例底渣再生微粉替代水泥进行胶砂强度实验。结果表明:垃圾焚烧底渣再生微粉相比水泥材质更轻、颗粒更小、更均匀;再生微粉中以氧化物形式存在的Si、Al和Ca约占底渣总质量的70%,与水泥的化学成分组成类似,但SiO2、Al2O3含量较高,而CaO含量较低。再生微粉内掺替代水泥的胶砂抗压、抗折强度均随替代比例的增加呈下降趋势;内掺30%时,再生微粉的强度活性指数可达55%以上,说明再生微粉具有一定的凝胶活性。此外,底渣再生微粉的掺加对胶砂早期强度的影响较小,随再生微粉掺量的增加,胶砂强度前期增长速度变慢,后期强度出现较大幅度的降低。
For efficient reuse of municipal solid waste incinerator bottom ash (MSWIBA), the physical properties and chemical composition test of regenerated powder from MSWIBA, colloidal mortar strength test by substituting cement of different proportion of regenerated powder were carried out. It is shown that the specific density of regenerated powder from MSWIBA is lighter and the particle size is smaller and more uniform than that of cement. The main chemical composition of the regenerated powder are Si, Al and Ca in the form of oxides, which account for about 70% of the total mass, which is similar to the chemical composition of cement, while the content of SiO2 and Al2O3 is little higher, and CaO is little lower. The compressive and flexural mortar strength show a decreasing trend with the increase of the substituting proportion. The strength activity index still exceeds 55% when the replacement proportion reaches 30%, which indicated that recycled micro-powder had certain gel activity. In addition, replace cement with the regenerated powder has slight effect on the early mortar strength than long-term strength, but the early intensity increased slower with the increase of replacement proportion, and long-term strength decreased significantly.
随着中国城镇化进程的快速发展,城市生活垃圾的产生量不断增加,2016年全国城市垃圾清运量突破20 000万t,且每年仍以6%~8%的速度增长。目前,最常用的城市垃圾处理方式为无害化填埋和焚烧,其中,垃圾焚烧发电处理因具有减量化、无害化、资源化等优势,且伴随着机械炉排炉和流化床技术的崛起,已经成为城市垃圾处理的主要方式,垃圾焚烧处理接近城市垃圾处理总量的40%。垃圾焚烧底渣是指垃圾焚烧后从炉床尾端排出的残留物,虽然体积、质量只有原先垃圾的20%左右,但由于城市垃圾体量巨大,如何将城市生活垃圾焚烧底渣(以下简称“底渣”)进一步无害化处理和资源化利用,解决垃圾包围城市及其造成的环境污染问题已经成为目前亟待解决的问题。
在欧美、日本等发达国家,底渣的资源化利用已有几十年的发展历史,日本、瑞士、美国、法国和荷兰等国家都制定了底渣再生利用的相关法规。常见的底渣再生利用方式主要有:与其他骨料混合作为石油沥青铺面的混合物、预制混凝土砖中作为再生骨料部分替代天然骨料、作为填埋场覆盖材料及路基填料等[
为实现底渣的高效再生利用,本文进行了底渣及其再生微粉物理、化学性质测试和将底渣再生微粉按不同比例等量替代水泥的胶砂强度试验,以探究底渣再生微粉的强度活性及其对胶砂强度的影响。
所用底渣来源于江苏圣元环保电力有限公司盱眙生活垃圾焚烧发电厂。底渣运输到预处理厂后,首先进行筛选,剔除块状颗粒、未充分燃烧的有机物以及可直接分拣的铁丝等金属材料;然后进行水洗和磁选,进一步回收类似螺钉、螺帽大小的金属;主要研究的对象即为经筛选、分离后的底渣。现场从料场随机取样的样品总体呈灰黑色,烘干后呈浅褐色(如
底渣烘干前后的试样
Bottom ash samples before and after drying
在室内进行进一步的筛分、密度和吸水率试验(网篮法),结果表明:底渣的主要物相组成物包括熔渣、黑色金属、陶瓷碎片及其他不燃物质;底渣的其他物理特性表明,底渣相较于天然集料材质较轻,密度仅约1.2~1.3 g/cm3,吸水能力较强,吸水率约为6%~8%;底渣颗粒粒径分布曲线如
底渣颗粒级配曲线
Particle size distribution of bottom ash
底渣晶相种类较复杂,主要有硅酸盐、氧化物、碳酸盐和其他盐类。采用XRD荧光分析检测底渣的化学成分,结果如
底渣的主要化学成分
Main chemical constituents of the bottom ash
成分 | 百分含量/% |
SiO2 | 48.41 |
CaO | 14.78 |
Al2O3 | 11.99 |
Na2O | 3.25 |
Fe2O3 | 5.40 |
P2O5 | 1.86 |
K2O | 1.42 |
MgO | 1.78 |
TiO2 | 0.76 |
由
实验室采用长沙天创粉末技术有限公司生产的SK-2型球磨仪对烘干的底渣试样进行球磨工艺研究。以转速、研磨时间以及80目筛通过率为主要控制指标进行了粉磨工艺对比,获得合理研磨工艺(80目通过率≥85%、转速350 r/min、研磨时间30 min)对应的生活垃圾焚烧底渣再生微粉,如
垃圾焚烧底渣再生微粉
Regenerated powder from municipal solid waste incinerator bottom ash
底渣再生微粉呈深灰色,与水泥颜色接近。采用bettersize 2000激光粒度仪进行颗粒分析,颗粒分析结果如
再生微粉颗粒组成
Particle distribution of regenerated powder
粒经/μm | 累计通过百分率/% |
100 | 100 |
75 | 98.83 |
45 | 96.78 |
20 | 89.04 |
10 | 65.79 |
5 | 47.26 |
2 | 30.88 |
1 | 15.94 |
0.5 | 8.46 |
0 < 0.5 | 2.42 |
底渣微粉粒径分布曲线
Particle size distribution curve of regenerated powder
结合
实验采用的水泥为淮安海螺水泥有限责任公司生产的P.O 42.5硅酸盐水泥,砂为标准砂;水泥的物理性质和力学性能测试结果如
实验用水泥的物理性质
Physical properties of experimental cement
数据项 | 比表面积/ (m2·kg-1) | 凝结时间 | 安定性/mm (富士法) | |
初凝 | 终凝 | |||
国家标准 | 300 | ≥45 min | ≤6.5 h | ≥5 |
实测值 | 355 | 97 min | 3.01 h | 合格 |
水泥的力学性能
Mechanical properties of cement
数据项 | 抗压强度/MPa | 抗折强度 | |||
3 d | 28 d | 3 d | 28 d | ||
标准要求 | ≥17 | ≥42.5 | ≥3.5 | ≥6.5 | |
实测值 | 28.6 | 57.6 | 4.5 | 9.0 |
为探讨不同掺量底渣再生微粉砂胶强度的变化特征,根据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB 17671—1999),在保持水灰比不变的前提下,采用底渣再生微粉内掺加等量替代水泥,进行9组不同替代比例的试验,再生微粉替代水泥的质量百分比分别为10%、12.5%、15%、17.5%、20%、22.5%、25%、27.5%、30%。
为探究底渣再生微粉胶砂强度的增长规律,进行了3、7、14、28 d不同龄期的胶砂强度实验。
底渣再生微粉不同替代比例的抗压强度测试结果如
再生微粉胶砂抗压强度
Mortar compressive strength of regenerated powder
再生微粉替代比例/% | 抗压强度/MPa | 强度活性指数/% | |||
3 d | 7 d | 14 d | 28 d | ||
10.0 | 23.32 | 34.65 | 42.17 | 45.53 | 79.04 |
12.5 | 22.79 | 34.12 | 41.93 | 43.89 | 76.20 |
15.0 | 19.37 | 31.59 | 40.14 | 42.18 | 73.23 |
17.5 | 19.15 | 28.01 | 40.58 | 41.34 | 73.51 |
20.0 | 18.56 | 27.41 | 34.62 | 36.33 | 63.08 |
22.5 | 18.02 | 27.05 | 34.26 | 35.66 | 61.91 |
25.0 | 17.44 | 26.02 | 34.20 | 35.29 | 61.27 |
27.5 | 15.19 | 22.93 | 30.94 | 32.89 | 57.11 |
30.0 | 15.03 | 22.83 | 30.18 | 32.13 | 55.78 |
再生微粉胶砂抗压强度曲线
Curve of mortar compressive strength of regenerated powder
由
综上所述,在未添加其他活性激发材料的前提下,底渣再生微粉的强度活性指数仍达55%以上,说明底渣再生微粉具有高效再生利用的潜在活性。底渣再生微粉的掺加虽会影响早期强度及其强度增长速率,但再生微粉掺量较小时,其胶砂早期强度降低较小而强度增长速率较快,因此,可采用适量的生活垃圾焚烧底渣再生微粉替代水泥用于预拌砂浆和预拌混凝土。
不同替代比例的底渣再生微粉28 d胶砂抗折强度测试结果如
再生微粉胶砂抗折强度
Mortar flexural strength of regenerated powder
微粉掺量/% | 抗折强度/MPa | 强度等级/% |
10.0 | 5.22 | 58.0 |
12.5 | 5.12 | 56.9 |
15.0 | 4.99 | 55.4 |
17.5 | 5.01 | 55.7 |
20.0 | 4.97 | 55.2 |
22.5 | 4.92 | 54.7 |
25.0 | 4.80 | 53.3 |
27.5 | 4.61 | 51.5 |
30.0 | 4.47 | 49.7 |
再生微粉胶砂抗折强度曲线
Curve of mortar flexura strength of regenerated powder
由
在凝胶材料水化反应过程中,主要是4种矿物成分与水反应,分别是:硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙以及铁相固溶体,前二者水化速度较慢,生成水化硅酸钙(C—H—S凝胶)和氢氧化钙;后两者水化速度快,先生成介稳状态的水化铝酸钙,最终转化为水石榴石(C3AH6)。对底渣矿物组成分析揭示出底渣微粉中含有与水泥熟料、粉煤灰类似的化学成分,这使得生活垃圾焚烧底渣有一定水化活性,胶砂强度实验也证明了底渣微粉强度活性指数大于55%。
与普通硅酸盐水泥成分对比,底渣微粉中的SiO2、Al2O3含量远高于普通水泥,但CaO的含量则远低于普通水泥,因此,即使再生微粉的颗粒更细、有效颗粒成分的水化反应更快、活性更大,但水化反应产生的硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙等有效晶体相比于水泥要少,使得底渣再生微粉的胶砂强度较水泥低;当再生微粉掺量适中时,底渣微粉中的铝酸根离子、硅酸根离子仍有可能与水泥中的游离CaO再次结合,促进后期强度的增长。但再生微粉掺量超过一定比例后,再生微粉中的铝酸根离子、硅酸根离子已无法水化形成有效的晶体,导致后期强度出现较大的降低。
实验采用的底渣再生微粉细度远大于水泥,当再生微粉掺量小于15%时,对胶砂工作性能和胶砂强度的影响较小,而随着再生微粉替代量的增加,再生微粉细度大引起的需水量变化、胶砂试件体积收缩增大及其引起的内部孔隙增加等,也可能导致水化反应变缓、胶砂强度降低。
另外,底渣来源及成分的复杂性、多变性也会导致再生微粉本身的烧失量较高,用于部分替代水泥可能对水泥胶砂强度产生一定的影响。
进行了城市生活垃圾焚烧发电底渣及再生微粉的基本物理、化学性质测试,并按照不同比例内掺替代水泥进行胶砂强度实验,可得到如下结论:
1) 城市垃圾焚烧底渣相比普通集料材质较轻,吸水率较高,底渣再生微粉具有与水泥类似的化学成分,但SiO2、Al2O3含量较高,而CaO含量较低;在未掺加其他添加材料的前提下,按照30%的比例内掺等量替代水泥时,其强度活性指数略大于55%。
2) 随着底渣再生微粉掺量的增加,胶砂抗压强度和抗折强度均呈下降趋势,对应的抗折强度降低大于抗压强度。底渣再生微粉的掺加对早期强度的影响较小,但对早期强度增长速率影响较大,随着再生微粉掺量的增加,前期强度增长变缓,后期强度增长基本一致,随着再生微粉掺量增加,后期强度出现较大的降低。
3) 分析认为,造成上述特征的主要原因是再生微粉中CaO含量较低、再生微粉细度较大以及由此造成的需水量变化等。
研究成果证明了垃圾焚烧底渣再生微粉具有火山灰活性,部分替代水泥用于混凝土中在技术、经济上是可行的,也有利于减小城市生活垃圾焚烧尾渣带来的环境问题,符合绿色、可持续发展的理念。
实验结果仅囿于一个垃圾焚烧发电厂的不同样本,为进一步推动生活垃圾焚烧底渣的高效再生利用,以下几方面需进一步深入研究:一是不同地区、不同焚烧厂的底渣成分及活性的对比分析;二是进行粉磨过程中加入不同剂量、不同添加材料(围绕CaO、氢氧化钙)和不同细度再生微粉的对比分析;三是结合底渣再生微粉标准稠度用水量进行胶砂强度试验,探究用水量对再生微粉活性及胶砂强度的影响。
ALLEGRINI E, VADENBO C, BOLDRIN A, et al. Life cycle assessment of resource recovery from municipal solid waste incineration bottom ash [J]. Journal of Environmental Management, 2015, 151: 132-143.
SONG Y M, LI B L, YANG E H, et al. Feasibility study on utilization of municipal solid waste incineration bottom ash as aerating agent for the production of autoclaved aerated concrete [J]. Cement and Concrete Composites, 2015, 56: 51-58.
YANG E H, LIU Y Q, CHEN Z T. Environmental sustainability through recycling incineration bottom ash for the production of autoclaved aerated concrete [J]. Key Engineering Materials, 2015, 650: 51-70.
KEULEN A, VAN ZOMEREN A, HARPE P, et al. High performance of treated and washed MSWI bottom ash granulates as natural aggregate replacement within earth-moist concrete [J]. Waste Management, 2016, 49: 83-95.
VERBINNEN B, BILLEN P, VAN CANEGHEM J, et al. Recycling of MSWI bottom ash: A review of chemical barriers, engineering applications and treatment technologies [J]. Waste and Biomass Valorization, 2017, 8(5): 1453-1466.
SORMUNEN L A, KOLISOJA P. Construction of an interim storage field using recovered municipal solid waste incineration bottom ash: Field performance study [J]. Waste Management, 2017, 64: 107-116.
胡艳军, 李国建, 宁方勇, 等.城市垃圾焚烧底灰资源化处理的可行性研究[J].环境污染与防治, 2011, 33(12): 42-47, 69.
HU Y J, LI G J, NING F Y, et al. Study on the feasibility of municipal solid waste incineration bottom ash reutilization [J]. Environmental Pollution & Control, 2011, 33(12): 42-47, 69.(in Chinese)
徐谦, 肖衡林.城市生活垃圾焚烧底渣特性试验研究[J].环境工程, 2014, 32(10): 104-107.
XU Q, XIAO H L. Experimental study on properties of municipal solid waste incineration bottom ashes[J]. Environmental Engineering, 2014, 32(10): 104-107.(in Chinese)
孙路石, 李敏, 向军, 等.城市生活垃圾焚烧灰渣的特征[J].华中科技大学学报(自然科学版), 2009, 37(8): 77-79.
SUN L S, LI M, XIANG J, et al. Characteristics of the ash deposits from incinerated municipal solid waste[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Nature Science), 2009, 37(8): 77-79.(in Chinese)
李越, 孙德安.垃圾焚烧炉渣的力学特性和破碎特性试验研究[J].科学技术与工程, 2017, 17(25): 279-283.
LI Y, SUN D A. Experimental study on mechanical property and breakage characteristic of waste incineration slag [J]. Science Technology and Engineering, 2017, 17(25): 279-283.(in Chinese)
谢燕, 吴笑梅, 樊粤明, 等.生活垃圾焚烧炉渣用作水泥混合材的研究[J].华南理工大学学报(自然科学版), 2009, 37(12): 37-43.
XIE Y, WU X M, FAN Y M, et al. Investigation into incineration bottom ash of municipal solid waste used as cement admixture [J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2009, 37(12): 37-43. (in Chinese)
张涛, 赵增增.城市生活垃圾焚烧底灰混凝土耐久性研究[J].混凝土与水泥制品, 2014(5): 84-87.
ZHANG T, ZHAO Z Z. Research on durability of concrete with municipal solid waste incineration(MSWI) bottom ash [J]. China Concrete and Cement Products, 2014(5): 84-87.(in Chinese)
刘栋, 李立寒.生活垃圾焚烧炉渣集料的胶凝特征[J].同济大学学报(自然科学版), 2017, 45(3): 377-383.
LIU D, LI L H. Cementitious properties of municipal solid waste incineration bottom ash aggregate [J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2017, 45(3): 377-383.(in Chinese)
张涛, 赵增增.城市生活垃圾焚烧炉渣在混凝土中的应用研究[J].环境污染与防治, 2014, 36(4): 65-69.
ZHANG T, ZHAO Z Z. Reutilization of municipal solid waste incinerator bottom ash as concrete aggregates [J]. Environmental Pollution & Control, 2014, 36(4): 65-69.(in Chinese)
SAIKIA N, MERTENS G, VAN BALEN K, et al. Pre-treatment of municipal solid waste incineration (MSWI) bottom ash for utilisation in cement mortar [J]. Construction and Building Materials, 2015, 96: 76-85.
KUO W T, LIU C C, SU D S. Use of washed municipal solid waste incinerator bottom ash in pervious concrete [J]. Cement and Concrete Composites, 2013, 37: 328-335.
REITERMAN P, HOLAPEK O, KRAUSOVÁ A, et al. High-volume municipal solid waste incineration bottom ash concrete [J]. Key Engineering Materials, 2017, 722: 181-186.
ŠULC R, FORMÁEK P. CFBC Bottom ash as fine active filler for high performance composite building materials [J]. Key Engineering Materials, 2017, 755: 90-95.
LEE J B, KIM S S, LEE J Y, et al. Study on the pozzolanic activity of finely ground bottom ash for cement replacement [J]. Journal of Ceramic Processing Research, 2017, 18(4): 291-300.
LYNN C J, DHIR R K, GHATAORA G S. Municipal incinerated bottom ash use as a cement component in concrete [J]. Magazine of Concrete Research, 2017, 69(10): 1-14.