垃圾焚烧飞灰处置技术研究进展
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目前，可用作固化剂的水泥品种有很多，但多 数采用普通硅酸盐水泥[6，11-12]。另外，鉴于垃圾焚 烧飞灰与水泥成分相近，且有类似水泥的活性，可 将飞灰取代部分水泥以制备混凝土，既能实现飞灰 的资源化利用，又能起到固化飞灰的效果[13]。
水泥固化处理方法具有工艺设备成熟、操作简 单、处理成本低、材料来源广等优点。虽然近年来 日本、欧美等国家普遍采用这种方法作为一些有害 固体废物的最终处置方法，但是其一般存在以下问 题[14]：水泥的加入容易导致处理后产物体积的增 加；部分重金属（镉、六价铬、钼和锌等）的固化 效果欠佳；无法实现二 英类有机污染物的降解； 固化所需水泥的生产易导致大量二氧化碳气体的排 放，其有悖于相关的碳减排政策。 2.1.2 热处理技术
因此，如何安全有效处置并能资源化利用垃圾 焚烧飞灰已成为当前亟须解决的环境及社会问题。
飞灰处置工艺技术经过多年发展形成了以下几种技 术，即水泥固化、热处理、化学药剂稳定化、水热 处理、生物/化学提取及超临界流体萃取技术等。本 文作者对这些技术进行了详细地介绍和比较，总结 认为水热处置技术具有较大应用潜力。
浸出液浓度/mg·L−1
浸出率/%
56.11
1.72
16.47
1.75
8.17
1.45
1.62
4.41
2.47
1.57
0.02
0.06
固体废物浸出毒性鉴别标准/mg·L−1 50.00 3.00 50.00 0.03 1.50 0.05
·1680·
化工进展
2013 年第 32 卷
飞灰和水泥混合后在一定条件下可发生水化反应， 形成一种具有低重金属浸出毒性且长期稳定性好的 块状水化硅酸钙产物[8]。在 20 世纪末，美国环保署 称在废弃物填埋处理前先采用水泥进行固化/稳定 化是处理大部分有毒、有害废弃物最有效的技 术[9-10]。水泥固化飞灰原理：通过固化包容手段， 飞灰中重金属以氢氧化物或络合物的形式被包裹在 经水化反应后生成的水化硅酸盐中，因其具有比表 面积小和渗透性低的特点，从而可以达到降低飞灰 浸出毒性的目的。
收稿日期：2012-12-03；修改稿日期：2013-03-06。 第一作者及联系人：熊祖鸿（1975—），男，高级工程师。E-mail xiongzh@ms.giec.ac.cn。
第7期
熊祖鸿等：垃圾焚烧飞灰处置技术研究进展
·1679·
随着社会经济的快速发展，城市化进程快速推 进，同时城市生活垃圾产量也快速增长。根据《中 国统计年鉴》，2010 年中国城市垃圾产量达到了 1.58 亿吨。生活垃圾处理方法主要有填埋、堆肥、分类 处理、焚烧等。焚烧可使垃圾高温灭菌达到无害化、 减容 90%、减量 75%，焚烧余热可用于供热、发电， 从而达到资源再利用的目的[1-2]。目前，焚烧发电技 术在大中城市的应用越来越广，2010 年中国垃圾焚 烧厂为 104 家，处理量为 2317 万吨，占垃圾无害化 量的 18.2%。同时根据《“十二五”城镇生活垃圾无 害化处理设施建设规划》，到 2015 年，全国城镇生 活垃圾焚烧处理设施能力达到无害化处理总能力的 35%以上，据此计算全国将新建超过 210 座 1000 t/d 处理规模的垃圾焚烧厂。垃圾焚烧过程中会产生大 量飞灰，尤其是流化床焚烧技术，飞灰量是垃圾处 理量的 10%～20%。飞灰因含有高浸出浓度的重金 属和高毒性当量的二 英等而被列入《国家危险废 物名录》（HW18）。环境保护部门要求飞灰按《危 险废物贮存污染控制标准》（GB 18597—2001）及 《危险废物填埋污染控制标准》（GB 18598—2001） 进行贮存、处置[3-4]；积极鼓励焚烧飞灰的综合利用， 但所用技术应确保二 英的完全破坏和重金属的有 效固定，在产品的生产过程和使用过程中不会造成 二次污染[5]。稳定化处理之后的飞灰资源化途径主 要有：制备建筑材料（水泥、混凝土及陶瓷等）；可 用作土壤改良剂；可用作岩土工程用材料（路基、 堤坝等）及制备吸附材料（如沸石材料）等。
1 垃圾焚烧飞灰理化性质
垃圾焚烧飞灰一般具有含水率低、粒径小、形状 不规则、孔隙率高及比表面积大等特点。其典型化 学成分与水泥成分相似（表 1）[6]。表 1 显示飞灰成 分主要以 CaO、SiO2、Al2O3 和 Fe2O3 为主。飞灰的矿 物组成非常复杂，主要有 SiO2、Al2SiO5、NaCl、KCl、 CaAl2Si2O8、Zn2SiO4、CaCO3 及 CaSO4，同时还有少 量的 CaO、Ca2Al2、SiO7、PbO、Cu2CrO4 等物质，而 且飞灰的活性较强[7]。垃圾焚烧飞灰在最终处理前需 对 Zn、Pb、Cu、Cd 等重金属进行无害化处理，由表 2 可以看出，垃圾焚烧飞灰中的重金属含量有很大差 异，其中以 Zn、Pb、Cu 的含量较高。固体废弃物的 浸出毒性是判别废弃物是否有害的重要标准，表 2 显示飞灰中 Zn、Pb、Cd、Cr 的浸出浓度要高于相应 的固体废弃物浸出毒性标准值，特别是 Pb，其浸出 液浓度是标准值的 5 倍多。因此，为有效控制垃圾 焚烧飞灰的重金属浸出毒性，减轻其对环境的影响， 对垃圾焚烧飞灰进行稳定化处理是势在必行的。
·1678·
化工进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
2013 年第 32 卷第 7 期
进展与述评
垃圾焚烧飞灰处置wk.baidu.com术研究进展
熊祖鸿，范根育，鲁 敏，郭华芳，陈 勇
（中国科学院广州能源研究所可再生能源与天然气水合物重点实验室，广东 广州 510640）
热处理技术一般是指在较高温度条件下实现飞 灰中有机污染物（二 英、呋喃等）的降解和重金 属的稳定化。根据热处理温度的不同，一般可分为 烧结（700～1100 ℃）、熔融/玻璃固化（1000～1400 ℃）。
摘 要：系统介绍了垃圾焚烧飞灰处理技术和最新研究成果，阐述了垃圾焚烧飞灰处理技术一般可分为固化/稳
定化技术和分离萃取技术两大类。其中固化/稳定化技术主要为水泥固化、热处理、化学药剂稳定化及水热处理
技术；分离萃取技术主要为生物/化学提取和超临界流体萃取技术。分析了各项技术的优缺点，认为：水泥固化
技术成本低，但增容过大；热处理技术有一定的减容效果，但能耗成本过高；化学药剂稳定化技术稳定化程度高，
Abstract：The treatment technologies of municipal solid waste incinerator fly ash have mainly two categories ： solidification/stabilization and extraction separation. The solidification/ stabilization technology mainly includes cement solidification，thermal treatment，chemical stabilization，and hydrothermal treatment. The characteristics of each technology was reviewed and compared in this paper. The extraction separation technology mainly includes biological/chemical extraction and supercritical fluid extraction. The cement solidification has the advantage of low cost，but the increase of solidification body volume can be a big concern. The thermal treatment technology does not increase the solidification body volume，but it has a high energy consumption and cost. The chemical stabilization technology is highly stable，synchronous solidification of several heavy metals is a challenge for this technology. The reaction conditions for biological/chemical extraction are relatively mild，but this technology is not cost effective either. The recycling of heavy metals can be achieved in the supercritical fluid extraction technology which requires high operational conditions and equipment maintenance. Considering the moderate requirements on operation and equipment maintenance and the high level of harmless and product recycling，the hydrothermal treatment technology could have a greater potential for future applications in the treatment of municipal solid waste incinerator fly ash. Key words：municipal solid waste incineration；fly ash；heavy metal；hydrothermal treatment
5.37
—
64.20
1.53
2.19
Cl− 10.00 0.50
f-CaO 1.50 0.20
烧失量/%
22.04 1.85
金属名称 Zn Pb Cu Cd Cr Hg
重金属含量/mg·kg−1 3269.00 1515.00 563.20 36.71 157.00 35.78
表 2 飞灰的重金属含量与浸出毒性[7]
但较难实现多种重金属的同步固化；生物/化学提取技术反应条件温和，但成本较高；超临界流体萃取技术虽能
有效实现重金属的回收利用，但其对设备要求过高；而水热处理技术的反应条件虽对设备有一定要求，但其无害
化程度高，而且反应产物可以再利用。最后指出，水热法应该是未来具有较大应用潜力的飞灰处理方法。
关键词：垃圾焚烧；飞灰；重金属；水热法
2 飞灰处置技术
2.1 固化/稳定化技术 2.1.1 水泥固化技术
在过去几十年间，水泥固化法的应用最广泛。
项目
SiO2
飞灰
24.5
水泥
20.6
Fe2O3 4.01 3.33
表 1 飞灰与水泥中各化学组分的质量分数[6]
成分/%
Al2O3 7.42
TiO2 0.62
CaO 23.37
MgO 2.72
SO3 12.03
中图分类号：X 705
文献标志码：A
文章编号：1000–6613（2013）07–1678–07
DOI：10.3969/j.issn.1000-6613.2013.07.038
Treatment technologies of municipal solid waste incinerator fly ash： A review
XIONG Zuhong，FAN Genyu，LU Min，GUO Huafang，CHEN Yong
（Key Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate，Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，Guangdong，China）
水泥固化处理方法具有工艺设备成熟、操作简 单、处理成本低、材料来源广等优点。虽然近年来 日本、欧美等国家普遍采用这种方法作为一些有害 固体废物的最终处置方法，但是其一般存在以下问 题[14]：水泥的加入容易导致处理后产物体积的增 加；部分重金属（镉、六价铬、钼和锌等）的固化 效果欠佳；无法实现二 英类有机污染物的降解； 固化所需水泥的生产易导致大量二氧化碳气体的排 放，其有悖于相关的碳减排政策。 2.1.2 热处理技术
因此，如何安全有效处置并能资源化利用垃圾 焚烧飞灰已成为当前亟须解决的环境及社会问题。
飞灰处置工艺技术经过多年发展形成了以下几种技 术，即水泥固化、热处理、化学药剂稳定化、水热 处理、生物/化学提取及超临界流体萃取技术等。本 文作者对这些技术进行了详细地介绍和比较，总结 认为水热处置技术具有较大应用潜力。
浸出液浓度/mg·L−1
浸出率/%
56.11
1.72
16.47
1.75
8.17
1.45
1.62
4.41
2.47
1.57
0.02
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固体废物浸出毒性鉴别标准/mg·L−1 50.00 3.00 50.00 0.03 1.50 0.05
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化工进展
2013 年第 32 卷
飞灰和水泥混合后在一定条件下可发生水化反应， 形成一种具有低重金属浸出毒性且长期稳定性好的 块状水化硅酸钙产物[8]。在 20 世纪末，美国环保署 称在废弃物填埋处理前先采用水泥进行固化/稳定 化是处理大部分有毒、有害废弃物最有效的技 术[9-10]。水泥固化飞灰原理：通过固化包容手段， 飞灰中重金属以氢氧化物或络合物的形式被包裹在 经水化反应后生成的水化硅酸盐中，因其具有比表 面积小和渗透性低的特点，从而可以达到降低飞灰 浸出毒性的目的。
收稿日期：2012-12-03；修改稿日期：2013-03-06。 第一作者及联系人：熊祖鸿（1975—），男，高级工程师。E-mail xiongzh@ms.giec.ac.cn。
第7期
熊祖鸿等：垃圾焚烧飞灰处置技术研究进展
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随着社会经济的快速发展，城市化进程快速推 进，同时城市生活垃圾产量也快速增长。根据《中 国统计年鉴》，2010 年中国城市垃圾产量达到了 1.58 亿吨。生活垃圾处理方法主要有填埋、堆肥、分类 处理、焚烧等。焚烧可使垃圾高温灭菌达到无害化、 减容 90%、减量 75%，焚烧余热可用于供热、发电， 从而达到资源再利用的目的[1-2]。目前，焚烧发电技 术在大中城市的应用越来越广，2010 年中国垃圾焚 烧厂为 104 家，处理量为 2317 万吨，占垃圾无害化 量的 18.2%。同时根据《“十二五”城镇生活垃圾无 害化处理设施建设规划》，到 2015 年，全国城镇生 活垃圾焚烧处理设施能力达到无害化处理总能力的 35%以上，据此计算全国将新建超过 210 座 1000 t/d 处理规模的垃圾焚烧厂。垃圾焚烧过程中会产生大 量飞灰，尤其是流化床焚烧技术，飞灰量是垃圾处 理量的 10%～20%。飞灰因含有高浸出浓度的重金 属和高毒性当量的二 英等而被列入《国家危险废 物名录》（HW18）。环境保护部门要求飞灰按《危 险废物贮存污染控制标准》（GB 18597—2001）及 《危险废物填埋污染控制标准》（GB 18598—2001） 进行贮存、处置[3-4]；积极鼓励焚烧飞灰的综合利用， 但所用技术应确保二 英的完全破坏和重金属的有 效固定，在产品的生产过程和使用过程中不会造成 二次污染[5]。稳定化处理之后的飞灰资源化途径主 要有：制备建筑材料（水泥、混凝土及陶瓷等）；可 用作土壤改良剂；可用作岩土工程用材料（路基、 堤坝等）及制备吸附材料（如沸石材料）等。
1 垃圾焚烧飞灰理化性质
垃圾焚烧飞灰一般具有含水率低、粒径小、形状 不规则、孔隙率高及比表面积大等特点。其典型化 学成分与水泥成分相似（表 1）[6]。表 1 显示飞灰成 分主要以 CaO、SiO2、Al2O3 和 Fe2O3 为主。飞灰的矿 物组成非常复杂，主要有 SiO2、Al2SiO5、NaCl、KCl、 CaAl2Si2O8、Zn2SiO4、CaCO3 及 CaSO4，同时还有少 量的 CaO、Ca2Al2、SiO7、PbO、Cu2CrO4 等物质，而 且飞灰的活性较强[7]。垃圾焚烧飞灰在最终处理前需 对 Zn、Pb、Cu、Cd 等重金属进行无害化处理，由表 2 可以看出，垃圾焚烧飞灰中的重金属含量有很大差 异，其中以 Zn、Pb、Cu 的含量较高。固体废弃物的 浸出毒性是判别废弃物是否有害的重要标准，表 2 显示飞灰中 Zn、Pb、Cd、Cr 的浸出浓度要高于相应 的固体废弃物浸出毒性标准值，特别是 Pb，其浸出 液浓度是标准值的 5 倍多。因此，为有效控制垃圾 焚烧飞灰的重金属浸出毒性，减轻其对环境的影响， 对垃圾焚烧飞灰进行稳定化处理是势在必行的。
·1678·
化工进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
2013 年第 32 卷第 7 期
进展与述评
垃圾焚烧飞灰处置wk.baidu.com术研究进展
熊祖鸿，范根育，鲁 敏，郭华芳，陈 勇
（中国科学院广州能源研究所可再生能源与天然气水合物重点实验室，广东 广州 510640）
热处理技术一般是指在较高温度条件下实现飞 灰中有机污染物（二 英、呋喃等）的降解和重金 属的稳定化。根据热处理温度的不同，一般可分为 烧结（700～1100 ℃）、熔融/玻璃固化（1000～1400 ℃）。
摘 要：系统介绍了垃圾焚烧飞灰处理技术和最新研究成果，阐述了垃圾焚烧飞灰处理技术一般可分为固化/稳
定化技术和分离萃取技术两大类。其中固化/稳定化技术主要为水泥固化、热处理、化学药剂稳定化及水热处理
技术；分离萃取技术主要为生物/化学提取和超临界流体萃取技术。分析了各项技术的优缺点，认为：水泥固化
技术成本低，但增容过大；热处理技术有一定的减容效果，但能耗成本过高；化学药剂稳定化技术稳定化程度高，
Abstract：The treatment technologies of municipal solid waste incinerator fly ash have mainly two categories ： solidification/stabilization and extraction separation. The solidification/ stabilization technology mainly includes cement solidification，thermal treatment，chemical stabilization，and hydrothermal treatment. The characteristics of each technology was reviewed and compared in this paper. The extraction separation technology mainly includes biological/chemical extraction and supercritical fluid extraction. The cement solidification has the advantage of low cost，but the increase of solidification body volume can be a big concern. The thermal treatment technology does not increase the solidification body volume，but it has a high energy consumption and cost. The chemical stabilization technology is highly stable，synchronous solidification of several heavy metals is a challenge for this technology. The reaction conditions for biological/chemical extraction are relatively mild，but this technology is not cost effective either. The recycling of heavy metals can be achieved in the supercritical fluid extraction technology which requires high operational conditions and equipment maintenance. Considering the moderate requirements on operation and equipment maintenance and the high level of harmless and product recycling，the hydrothermal treatment technology could have a greater potential for future applications in the treatment of municipal solid waste incinerator fly ash. Key words：municipal solid waste incineration；fly ash；heavy metal；hydrothermal treatment
5.37
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64.20
1.53
2.19
Cl− 10.00 0.50
f-CaO 1.50 0.20
烧失量/%
22.04 1.85
金属名称 Zn Pb Cu Cd Cr Hg
重金属含量/mg·kg−1 3269.00 1515.00 563.20 36.71 157.00 35.78
表 2 飞灰的重金属含量与浸出毒性[7]
但较难实现多种重金属的同步固化；生物/化学提取技术反应条件温和，但成本较高；超临界流体萃取技术虽能
有效实现重金属的回收利用，但其对设备要求过高；而水热处理技术的反应条件虽对设备有一定要求，但其无害
化程度高，而且反应产物可以再利用。最后指出，水热法应该是未来具有较大应用潜力的飞灰处理方法。
关键词：垃圾焚烧；飞灰；重金属；水热法
2 飞灰处置技术
2.1 固化/稳定化技术 2.1.1 水泥固化技术
在过去几十年间，水泥固化法的应用最广泛。
项目
SiO2
飞灰
24.5
水泥
20.6
Fe2O3 4.01 3.33
表 1 飞灰与水泥中各化学组分的质量分数[6]
成分/%
Al2O3 7.42
TiO2 0.62
CaO 23.37
MgO 2.72
SO3 12.03
中图分类号：X 705
文献标志码：A
文章编号：1000–6613（2013）07–1678–07
DOI：10.3969/j.issn.1000-6613.2013.07.038
Treatment technologies of municipal solid waste incinerator fly ash： A review
XIONG Zuhong，FAN Genyu，LU Min，GUO Huafang，CHEN Yong
（Key Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate，Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，Guangdong，China）