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城市生活垃圾焚烧炉渣制备免烧墙体砖及其对环境负荷的影响

作　者: 杨媛
导　师: 吴清仁
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料学
关键词: 城市生活垃圾焚烧炉渣资源化利用免烧墙体砖生命周期评价环境影响
分类号: X799.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着城市化的推进,生活垃圾处置问题已成为一个重大的问题。我国已有200多座城市被生活垃圾包围,形成了“生活垃圾包围城市”的局面。目前大多数城市采用焚烧法处置与日俱增的生活垃圾,其优点是减量化效果显著,体积可减少90%,焚烧后留下重量为20~30%的焚烧灰渣。焚烧灰渣包括飞灰和炉渣,焚烧飞灰属于危险废弃物,焚烧炉渣占灰渣量的80%左右,属于一般固体废弃物。本研究工作的目的是开发研究利用城市生活垃圾焚烧炉渣研制免烧墙体砖,实现焚烧炉渣的资源化利用。在对广州市李坑生活垃圾焚烧发电厂的焚烧炉渣成分和性质进行分析的基础上,探讨了不同激发剂(Na2SiO3、Na2SO4、NaOH)对焚烧炉渣免烧墙体砖性能的影响,并通过XRD和SEM分析,探索了激发剂对生活垃圾焚烧炉渣活性的作用机理。研究结果表明,硅酸钠激发焚烧炉渣活性效果最佳,其最佳掺量为5.5%。采用四因素三水平的正交实验法优化成型工艺条件,分析了成型压力、加压时间、各段加压时间比、保压时间和成型水分对焚烧炉渣免烧墙体砖强度的影响,探讨了环境温度、相对湿度和养护时间对焚烧炉渣免烧墙体砖性能的影响。研究结果表明,最佳成型工艺条件为成型压力20MPa、加压时间60s、各段加压时间比3∶1∶1、保压时间120s(即实验研究方案A2B1C2D3)和成型水分为10%左右;适宜的养护工艺条件为环境温度10~40℃、相对湿度70%~90%和养护时间28d。分析了焚烧炉渣中含有的重金属带入免烧墙体砖的含量、重金属的溶出和重金属浸出毒性安全性。结果表明,酸性条件下(pH=3.2)重金属浸出率最高,中性的条件重金属浸出率次之,在pH=5条件下重金属浸出率最低;焚烧炉渣免烧墙体砖样品早期7d内重金属溶出速度最快,7d内重金属的浸出量约占总重金属量的80~90%;试验研究方案C-1样品(焚烧炉渣掺量65%)和C-10(焚烧炉渣掺量73.8%)样品各个周期重金属浸渍液均达到Ⅱ类地表水标准要求。采用生命周期评价方法,探讨了生活垃圾焚烧炉渣免烧墙体砖、灰砂砖和烧结砖对环境负荷的影响。结果表明,功能单位焚烧炉渣免烧墙体砖、灰砂砖和烧结砖的环境负荷分别为3.51×10-12/a、3.58×10-12/a和6.6×10-12/a;生活垃圾焚烧炉渣免烧墙体砖,与烧结砖相比可减少不可再生资源消耗54%,与灰砂砖和烧结砖相比可分别减少不可再生能源消耗43%和62%。依据方案C-10的试验研究数据,对年产7.5万立方米城市生活垃圾焚烧炉渣免烧墙体砖生产线进行了可行性初步分析。结果表明,该生产线建设投资566.2万元,年基准收益率为22.2%,可实现微盈利,若处理焚烧炉渣固体废弃物可获政府相关部门补贴40-60元/吨,经济效益更好。这不仅可节省填埋焚烧炉渣所需的土地和费用,而且可实现焚烧炉渣的资源化利用,具有显著的环境效益和社会效益。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-29
  1.1 我国城市生活垃圾的现状  14
  1.2 城市生活垃圾的危害  14-15
    1.2.1 影响城市容貌  14
    1.2.2 破坏生态环境  14
    1.2.3 污染土壤和水体  14-15
    1.2.4 污染大气  15
    1.2.5 影响全球环境  15
  1.3 我国城市生活垃圾的处理处置技术  15-17
    1.3.1 无害化填埋处理技术  15-16
    1.3.2 堆肥处理技术  16
    1.3.3 垃圾焚烧处理  16-17
  1.4 垃圾焚烧处理技术在国内外的发展现状  17-18
    1.4.1 国内垃圾焚烧处理技术的发展现状  17-18
    1.4.2 国外垃圾焚烧处理技术的发展现状  18
  1.5 焚烧处理带来的问题  18-19
  1.6 炉渣的处理  19-23
    1.6.1 炉渣的收集  19
    1.6.2 炉渣的收集与处理  19-23
  1.7 焚烧炉渣的资源化利用现状  23-27
    1.7.1 分选回收有用物质  24-25
    1.7.2 建筑材料  25-27
    1.7.3 其他利用  27
  1.8 本课题的研究意义  27-28
  1.9 本课题的研究思路及内容  28-29
第二章试验测试方法与工艺工程  29-38
  2.1 试验原料  29-30
    2.1.1 炉渣  29
    2.1.2 水泥  29
    2.1.3 生石灰  29
    2.1.4 石膏  29-30
    2.1.5 化工原料  30
  2.2 试验仪器与设备  30
  2.3 工艺过程  30-32
    2.3.1 本研究所采用的工艺过程  30-31
    2.3.2 本研究工艺流程  31-32
  2.4 性能测试分析方法  32-38
    2.4.1 生活垃圾焚烧炉渣性能测试分析方法  32-34
    2.4.2 生活垃圾焚烧炉渣免烧墙体砖性能测试分析方法  34-38
第三章城市生活垃圾焚烧炉渣物理化学性质研究  38-49
  3.1 城市生活垃圾焚烧炉渣的产生与采集  38-40
  3.2 炉渣的组成与分布  40-42
    3.2.1 组成  40-41
    3.2.2 炉渣的粒径分布  41
    3.2.3 炉渣的质量分布  41-42
  3.3 炉渣的物理性质  42
    3.3.1 炉渣的表观性质  42
    3.3.2 炉渣的气味  42
    3.3.3 炉渣的密度  42
    3.3.4 炉渣的含水率  42
  3.4 炉渣的矿物组成  42-43
  3.5 炉渣的化学组成  43-44
  3.6 炉渣的放射性  44
  3.7 炉渣的重金属含量  44
  3.8 炉渣的重金属浸出浓度及安全性评价  44-45
  3.9 炉渣的火山灰活性研究  45-48
    3.9.1 影响焚烧炉渣活性的因素  46
    3.9.2 提高焚烧炉渣活性的方法  46-48
  3.10 本章小结  48-49
第四章影响焚烧炉渣免烧墙体砖性能的主要因素研究  49-69
  4.1 激发剂对焚烧炉渣免烧墙体砖性能的影响  49-63
    4.1.1 实验方案  49-50
    4.1.2 实验方法和测试分析  50-51
    4.1.3 实验结果与讨论  51-57
    4.1.4 激活机理探讨  57-63
  4.2 制备工艺对焚烧炉渣免烧墙体砖性能的影响  63-67
    4.2.1 成型工艺对焚烧炉渣免烧墙体砖性能的影响  63-66
    4.2.2 养护工艺对焚烧炉渣免烧墙体砖性能的影响  66-67
  4.3 本章小结  67-69
第五章生活垃圾焚烧炉渣制备免烧墙体砖对环境负荷的影响  69-89
  5.1 利用生活垃圾焚烧炉渣制备炉渣免烧墙体砖的安全性评价  69-78
    5.1.1 生活垃圾焚烧炉渣免烧墙体砖重金属的含量  69
    5.1.2 生活垃圾焚烧炉渣免烧墙体砖重金属的溶出情况  69-74
    5.1.3 生活垃圾焚烧炉渣免烧墙体砖重金属浸出毒性情况  74-78
  5.2 生活垃圾焚烧炉渣制备炉渣免烧墙体砖的生命周期评价  78-87
    5.2.1 目标和范围的确定  79-80
    5.2.2 生命周期清单分析  80-83
    5.2.3 生命周期影响评价  83-87
  5.3 本章小结  87-89
第六章年产7.5 万立方米焚烧炉渣免烧墙体砖生产线可行性研究  89-102
  6.1 市场调查与预测  89-90
    6.1.1 市场调查  89-90
    6.1.2 市场预测  90
  6.2 建厂条件  90-91
  6.3 生产规模和产品质量  91-94
    6.3.1 生产规模  91
    6.3.2 产品质量  91-94
  6.4 生产工艺及主要设备性能指标  94-97
    6.4.1 生产工艺流程  94-96
    6.4.2 主要设备性能指标  96
    6.4.3 原材料、燃料及动力用量估算  96-97
  6.5 投资估算  97-100
    6.5.1 建设投资估算依据  97-99
    6.5.2 项目总投资估算  99
    6.5.3 资金来源及运用  99-100
  6.6 技术经济分析  100-101
    6.6.1 基础数据  100
    6.6.2 总成本费用及销售收入  100-101
    6.6.3 经济效益分析  101
    6.6.4 社会效益分析  101
  6.7 本章小结  101-102
总结  102-104
  1 结论  102-103
  2 创新点  103
  3 展望  103-104
附录生活垃圾焚烧炉渣免烧墙体砖（企业标准）  104-110
参考文献  110-116
攻读硕士学位期间取得的研究成果  116-117
致谢  117

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