垃圾焚烧炉渣的土工特性
2021-03-10
来源:步旅网
第12卷第2期 解放军理工大学学报(自然科学版) 201 1年4月 Journal ofPLA University of Science and Technology(NaturalScience Edition) 、厂oL l2 No.2 Apr.2011 垃圾焚烧炉渣的土工特性 许四法, 杨 杨, 王 哲 (浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310032) 摘 要:为了有效处理和利用炉渣,以炉渣为研究对象,采用室内物理试验和扫描电镜,探讨炉渣的性质随 时间变化的特性。试验结果表明:随着放置时间的增加、粗颗粒变多以及最大干密度变小,炉渣的初始孔隙比 较大,属于中高压缩性土,但由于吸附和水化反应,孔隙比随时间减小;同样,无侧限抗压强度随时间增加,变 形下降。最后,通过电子显微镜分析了炉渣的土工特性随时间变化的原因,为炉渣的有效利用提供参考。 关键词:炉渣性质;土工特性;粒径分布;压缩特性;时间变化 中图分类号:TU528 文献标识码:A 文章编号:1009—3443(2011)02—0144—05 Geotechnical properties of MSW-incinerated bottom ash XU Si—fa,YANG Yang,WANG Zhe (College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032,China) Abstract:To solve the problem of incinerator residue disposal and recycle,the changes of geotechnical properties of the bottom ash with time were investigated by indoor physical tests and SEM.The results show that the initial particle size is large when its diameter increases and the maximum dry density decreas— es with the time;that the bottom ash is in high initial void ratio and compressibility,but because of the ad— sorption and the hydrated reaction,the void ratio deceases with the time;and that the compressive strength increases and the deformation decreases with the time.Finally,the causes of the change on the geotechnical characteristics of the bottom ash with the time were analyzed by the electron microscopy. which provids a reference for efficacious utilization of bottom ash. Key words:bottom ash characteristic;geotechnical property;graining distribution;compressive charac— teristics;time variation 垃圾经过焚烧处理后不但体积减少到原来的 15 左右口],而且能利用焚烧产生的热量进行发电。 然而焚烧排出的焚烧灰渣也会随着垃圾焚烧厂运行 时间的延长以及焚烧垃圾数量的增加,产生堆积和 在烟气净化系统和热回收利用系统中收集而得的残 余物,约占灰渣总重的20 左右,而飞灰中含有能 被水浸出的较高浓度的Cd、Pb、Cu、Zn和Cr等有 害重金属物质_3 以及盐类,若未经处理直接填埋,会 对附近的土壤、地表水和地下水造成污染,因此炉渣 更容易被有效利用。 其他环境问题。焚烧灰渣分为炉渣和飞灰。炉渣是 指由炉床尾端排出的残余物,约占灰渣总重的8O% 左右,主要成分是熔渣、铁和其他金属、陶瓷类碎片、 玻璃和其他一些不可燃物质,以及未燃的有机物所 组成的不均匀混合物,主要元素为O、Si、Fe、Ca、A1、 Na、K和C等,一般不含有毒物质且重金属的浸出 量极小[2],故被当作一般固体废弃物处理。飞灰是指 收稿日期:201O-u—O8. 基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(Y1090092). 作者简介:许四法(1967一),男,副教授;研究方向:环境岩土 E—mail:xusifa@zjut.edu.cn. 刚排出的炉渣虽为颗粒状,表现为一定的骨料 或土工特性,但是由于炉渣为高温焚烧后水冷却,具 有较大的孑L隙和初始含水率,而且炉渣又有一定的 活性L4 ],因此刚排出的炉渣成分和性能不太稳定。 与天然砂砾和骨料相比,炉渣是一种比较轻质 的材料,并且容易进行粒径调整,目前国际上炉渣的 资源化利用途径主要有石油沥青路面的替代骨 料[6 ]、水泥混凝土的替代骨料[g]、填埋场覆盖材料 及路基的填充材料n。’ 等,还有作为胶凝材料替代 第2期 部分水泥 。 许四法,等:垃圾焚烧炉渣的土工特性 145 是生活垃圾中的玻璃成分沸点较高,在焚烧过程中 主要残留在炉渣的缘故。CaO的含量为2O.4 ,与 综上所述,对炉渣作为土木工程材料有一定的 研究,但对炉渣随时间变化特性的研究极少。本文对 炉渣颗粒粒径、压缩特性和力学强度随放置时间变 硅酸盐水泥相差较大,只有其113左右;与矿渣相 比,成分基本相似,但是炉渣中的CaO和MgO含量 明显偏低,而SiO 含量偏高;与粉煤灰相比,除SiOz 和Al。O。外,炉渣中的s、C1、P、CaO、Na O和Kz0 等成分的含量普遍较高。这是因为相对于单一成分 的原煤而言,生活垃圾成分非常复杂,近年来厨余含 量更是逐渐升高,致使焚烧后炉渣中的无机盐含量 很高。另外,炉渣的烧失量偏大,表明炉渣中挥发性 化的特性进行了研究,有利于炉渣的综合利用。 1炉渣的基本特性 1.1物理特性 所用灰渣取自浙江省中部某市采用炉排炉方式 有机质含量较高,这可能是塑料、布、纸、纤维和木头 等未完全燃烧的缘故。 焚烧后的炉渣,该焚烧厂每天焚烧生活垃圾量为 1 000 t,焚烧温度850。C以上。试验用的材料为排出 1 d后的炉渣,对取回的100 kg试样进行了分拣,去 除焚烧灰中玻璃、陶瓷、砖块以及金属物等杂质。焚 烧炉渣的初始含水量为43.4%,土粒子比重为2.55 g/cm。。 2物理特性经时变化 2.1颗粒粒径 焚烧炉渣的颗粒直径分布曲线如图1所示,c 和 分别为土粒含量及颗粒直径。大于0.075 mm 炉渣取回后立即装入密封的容器中,防止水分 变化,放置0、28、60、90和180 d后进行粒径分析试 验,颗粒粒径分布如图2所示。 的试样采用筛分法、小于0.075 mm的试样采用密 度计法分析颗粒大小。从图1可看出,焚烧炉渣的颗 粒都小于40 mm,大于2 mm的颗粒为43 ,细粒 含量为22.3 ,接近于砂类土。该炉渣的不均匀系 数C 达355,说明试样粒径分布范围很广,曲率系 数e为1.9,表明级配较好。 图2放置后的粒径分布 Fig.2 Graining distribution curve of MSW after sotTle time d/mm 可见,随着放置时间的增加,颗粒粒径发生变 图1粒径分布 Fig.1 Graining distribution curve of MSW 化,粗粒部分增加,细粒部分明显减少。砾粒、砂砾和 细粒的含量变化如表2所示。放置180 d后,砾粒和 砂砾分别增加了2.74 和7.46 ,而细粒部分减少 了1O.7 。这是因为随着放置时间的增加,细颗粒 1.2化学成分 炉渣的化学成分如表1所示。从表1可知垃圾 相互吸附以及氧化钙发生了水化反应导致颗粒直径 焚烧炉渣的主要成分为CaO、SiO 、A1 O。和Fe O。 等。与水泥等相比,炉渣中SiOz的含量明显偏高,这 变大。另外,放置180 d后的C 变为69.7,e变为 3.7,说明随着颗粒直径的增大,颗粒级配变差。 表1化学成分 Tab.1 Chemical compositions 146 解放军理工大学学报(自然科学版) 第12卷 2.2干密度 由于最大粒径小于40 mm,因此采用3层击实 的重型击实试验方法,试验结果如图3所示,P为干 密度,W为含水量。从图3可知,不管放置时间长短, 炉渣的最大干密度出现在含水率30 ~36 ,比砂 土和粘性土高。而且,随着放置时间增加粒径增大, 最优含水率却变小。这与砂土和粘性土等粒径越大 最优含水率越小的规律相反。造成这一结果的原因 是焚烧炉渣是高温焚烧冷却后得到的,颗粒存在很 多的微小孔隙,导致最优含水率增加。 表2颗粒粒径变化 Tab.2 Change of the diameters 图3干密度 Fig.3 Dry density 随着放置时间的增加,炉渣的最大干密度逐步减小。 开始一个月下降幅度最大,从放置0 d时的1.21 g/ cm。下降到1.14 g/cm。(放置28 d),最大干密度减 小了6.3 。放置180 d时的最大干密度为1.11 g/ cm。,与放置28 d相比减小了2.9 。 试验密封放置一定时间后,最大干密度呈减小 趋势。这主要是因发生水化反应,小颗粒之间出现聚 合现象形成大颗粒,单个大颗粒之间的粘聚力较大, 导致颗粒之间的空隙增大,从而使最大干密度变小 的缘故。 3炉渣的变形和强度特性 3.1压缩变形性能 炉渣通过2 mm孔径筛,筛分部分用作试样制 作,在初始含水量下制作干密度为1.1 g/cm。的试 样,制作好后的试样密封放置0、28、60、90和180 d 后进行压缩试验。试验前让试样完全饱和,压力等级 为12.5、25、50、100、200、400、800和1600 kPa。 各级荷载下试样竖向变形量随时间的变化曲线 如图4所示(放置0 d), 为压缩量,t为加载时间。 从图4可知,每级荷载下24 h内变形基本稳定,而 且随着荷载增量的提高,变形量增大。 —lnp曲线如 图5所示,e为孔隙比,P为荷载。从图5可看出,不 管放置时间长短,炉渣的孔隙比都大于1,这也从一 个侧面证明了高温焚烧冷却后的炉渣具有较多的孔 隙。放置时间不同, —lnp曲线显示不同的特点,0 d 和28 d的 —lnp曲线与粘性土比较相似,压缩系数 达到0.49 MPa_。,已经处于中压缩性和高压缩性的 分界线。而28 d后的压缩曲线与砂性土特性较为接 近,压缩性明显下降,压缩系数仅为0.08 MPa_。,属 低压缩性土。 timin 图4 As—lnt关系曲线 Fig.4 Curve of As—lnt lnplkPa 图5 P—logp曲线 Fig.5 Curve of 8一lnp 3.2无侧限抗压强度 试样的制作方法同压缩试验,试样尺寸为直径 148 解放军理工大学学报(自然科学版) 第12卷 观结构。从图9可看出,由于生成物的体积大于原物 质和颗粒之间的相互吸附,使得颗粒之间的孔隙减 小,颗粒直径变大,因此表现为随着放置时间增加炉 渣的粗颗粒部分变多细颗粒部分变少、从中高压缩 性土变成低压缩性土以及无侧限抗压强度大大提高 等特点。 5 结 论 通过炉渣的物理和化学特性以及变形强度特性 分析,得到以下结论: (1)焚烧炉渣类似于砂砾类土,成分接近于粉煤 灰,属CaO—SiO 一Al2O。一Fe。O。体系,具有一定的活 性,随水化反应的进行和颗粒之间的相互吸附,使小 颗粒之间出现聚合现象形成大颗粒,单个大颗粒之 间的粘聚力较大,所以才出现压缩性降低、级配变 差、击实试验得到的干密度减小等现象。 (2)由于高温焚烧后水冷却,自然状态下的炉渣 孔隙比较大,含水率较高,但随着放置时间的增加水 化反应的进行,孔隙被颗粒填充使得孔隙比明显下 降,压缩性减小,从开始的中高压缩性土变成低压缩 性土。 (3)无侧限抗压强度结果表明,破坏强度及变形 与放置时间有很大关系,随着放置时间的延长,炉渣 发生火山灰反应后强度提高,达到峰值强度的应变 减小,出现了脆性破坏的现象。 参考文献: D3 WILES C c.Municipal solid waste combustion ash: state of the knowledge EJ].Journal of Hazardous Ma— terials,1996,47(1—3):325—344. 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