固废基材料固化垃圾焚烧飞灰生命周期评价

doi:10.11988/ckyyb.20231134

新澳门游戏网站入口院报 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (1): 208-214.DOI: 10.11988/ckyyb.20231134

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固废基材料固化垃圾焚烧飞灰生命周期评价

周永门¹(), 周显¹^,²(), 陈霞², 范泽宇², 高卓凡², 邓闪闪², 鲁麒², 万沙²

¹ 江西省水利科学院水工安全工程技术研究中心,南昌 330029
² 新澳门游戏网站入口水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心,武汉 430010

收稿日期:2023-10-20 修回日期:2023-12-12 出版日期:2025-01-01 发布日期:2025-01-01
通信作者:
周显(1988-),男,湖北黄冈人,高级工程师,博士,主要从事生态环境材料研发。E-mail: zhouxian@whu.edu.cn
作者简介:
周永门(1972-),男,江西安福人,高级工程师,主要从事水工材料试验研究。E-mail: 407251607@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(52300147); 江西省水利科学院开放基金项目(202ISKSG04)

Life Cycle Assessment of Solidification/Stabilization Technology for Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash

ZHOU Yong-men¹(), ZHOU Xian¹^,²(), CHEN Xia², FAN Ze-yu², GAO Zhuo-fan², DENG Shan-shan², LU Qi², WAN Sha²

¹ Research Center on Hydraulic Structure Safety Engineering Technology, Jiangxi Academy of Water Science and Engineering, Nanchang 330029, China
² Research Center of Water Engineering Safety and Disaster Prevention of Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China

Received:2023-10-20 Revised:2023-12-12 Published:2025-01-01 Online:2025-01-01

摘要/Abstract

摘要：

钢渣、矿渣、气化粉煤灰等固体废弃物具有潜在活性,可用于危险废物的无害化处置,实现以废治废的目的。选取矿渣基胶凝材料、铝酸盐水泥、矿渣-熟料-维生素C、赤泥-煤矸石地聚物、钢渣-气化粉煤灰地聚物,建立了飞灰无害化处置方案的生命周期模型。结果表明:人体健康影响是固废基材料固化技术的主要环境影响类别,化工原料是造成环境影响的主要原因,机械力化学激发方式环境影响最小。地聚物材料体系固化技术因大量碱激发剂使用造成的环境影响最大,矿渣-熟料-维生素C固化技术的环境影响最小。因此,调整固废基材料的激发方式并降低激发剂与外加剂的用量是减少人体毒性的必要途径。

关键词: 生活垃圾焚烧飞灰, 工业固废, 固化稳定化, 激发剂, 生命周期评价

Abstract:

Industrial solid wastes, such as steel slag, blast furnace slag (BFS), and gasified fly ash, possess inherent reactive properties that can be utilized for detoxifying hazardous waste, thereby facilitating waste remediation through waste-derived solutions. In this study we selected a range of materials, including BFS-based cementitious materials, aluminate cement, BFS-clinker-vitamin C composites, red mud-coal gangue geopolymers, and steel slag-gasified fly ash geopolymers, to develop a life cycle model dedicated to the solidification/stabilization (S/S) of municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash. Results indicate that: 1)the primary environmental impact of solid waste-based S/S technologies is on human health, with industrial chemical inputs being the main contributors. 2) Among the various activation methods examined, mechanochemical activation exhibited the least environmental impact. However, the environmental impact of geopolymer systems, particularly due to the extensive use of alkaline activators, was found to be the most significant. 3) In contrast, the BFS-clinker-vitamin C S/S method demonstrated the lowest environmental impact. Therefore, optimizing activation methods for solid waste-based materials and reducing the use of activators and additives are crucial to minimizing toxicological risks to human health.

Key words: municipal solid waste incineration fly ash, industrial solid waste, solidification/stabilization, activation, life cycle assessment

中图分类号:

X53土壤污染及其防治

周永门, 周显, 陈霞, 范泽宇, 高卓凡, 邓闪闪, 鲁麒, 万沙. 固废基材料固化垃圾焚烧飞灰生命周期评价[J]. 新澳门游戏网站入口院报, 2025, 42(1): 208-214.

ZHOU Yong-men, ZHOU Xian, CHEN Xia, FAN Ze-yu, GAO Zhuo-fan, DENG Shan-shan, LU Qi, WAN Sha. Life Cycle Assessment of Solidification/Stabilization Technology for Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025, 42(1): 208-214.

物能消耗/每t 飞灰		单位	铝酸盐水泥	矿渣基胶凝材料	矿渣-熟料-维生素C	赤泥-煤矸石地聚物	钢渣-气化粉煤灰地聚物
物能消耗/每t 飞灰		单位	方案Ⅰ	方案Ⅱ	方案Ⅲ	方案Ⅳ	方案Ⅴ
能源消耗	球磨	kW·h		3.842	4.631	9.000	2.237
	煅烧	kW·h					0.128 6
	搅拌	kW·h	0.15	0.16	0.16	0.35	0.23
	合计	kW·h	0.15	4.00	4.79	9.35	2.60
材料消耗	水	kg	196.7	203.4	204.5	654.3	170.2
	飞灰	kg	1 000	1 000	1 000	1 000	1 000
	矿渣	kg		96.05	96.59
	水泥熟料	kg			17.05
	铝酸盐水泥	kg	76.50	16.95
	氯化钙	kg	10.93	11.30
	维生素C	kg			22.73
	磷酸钠	kg	5.46	5.65
	水玻璃	kg				345.7	250.8
	氢氧化钠	kg				6.172	150.4
	赤泥	kg				800.0
	煤矸石	kg				200.0
	气化粉煤灰	kg					291.4
	钢渣	kg					124.3
	高岭土	kg					12.86
	三乙醇胺	kg			1.136
	Cr浸出浓度	mg·L^-1	0.73	0.87	3.44	1.95	1.37
	Cr浸出总量	mg·kg^-1	18.93	23.31	92.33	117.24	54.80

物能消耗/每t 飞灰		单位	铝酸盐水泥	矿渣基胶凝材料	矿渣-熟料-维生素C	赤泥-煤矸石地聚物	钢渣-气化粉煤灰地聚物
物能消耗/每t 飞灰		单位	方案Ⅰ	方案Ⅱ	方案Ⅲ	方案Ⅳ	方案Ⅴ
能源消耗	球磨	kW·h		3.842	4.631	9.000	2.237
	煅烧	kW·h					0.128 6
	搅拌	kW·h	0.15	0.16	0.16	0.35	0.23
	合计	kW·h	0.15	4.00	4.79	9.35	2.60
材料消耗	水	kg	196.7	203.4	204.5	654.3	170.2
	飞灰	kg	1 000	1 000	1 000	1 000	1 000
	矿渣	kg		96.05	96.59
	水泥熟料	kg			17.05
	铝酸盐水泥	kg	76.50	16.95
	氯化钙	kg	10.93	11.30
	维生素C	kg			22.73
	磷酸钠	kg	5.46	5.65
	水玻璃	kg				345.7	250.8
	氢氧化钠	kg				6.172	150.4
	赤泥	kg				800.0
	煤矸石	kg				200.0
	气化粉煤灰	kg					291.4
	钢渣	kg					124.3
	高岭土	kg					12.86
	三乙醇胺	kg			1.136
	Cr浸出浓度	mg·L^-1	0.73	0.87	3.44	1.95	1.37
	Cr浸出总量	mg·kg^-1	18.93	23.31	92.33	117.24	54.80

技术方案	所需主要原材料	重金属固化特征矿物	Cr浸出浓度/(mg·L^-1)
铝酸盐水泥固化技术	铝酸盐水泥、氯化钙、磷酸钠	C-A-S-H、AFt	0.73
矿渣基胶凝材料固化技术	矿渣、铝酸盐水泥、氯化钙、磷酸钠	AFt、C-A-S-H	0.87
矿渣-熟料-维生素C固化技术	矿渣、水泥熟料、维生素C	AFm、C-S-H、AFt	3.44
赤泥-煤矸石地聚物固化技术	赤泥、煤矸石、氢氧化钠	(N)-A-S-H	1.95
钢渣-气化粉煤灰地聚物固化技术	钢渣、气化粉煤灰、高岭土、氢氧化钠	C-A-S-H、 C-S-H	1.37

技术方案	所需主要原材料	重金属固化特征矿物	Cr浸出浓度/(mg·L^-1)
铝酸盐水泥固化技术	铝酸盐水泥、氯化钙、磷酸钠	C-A-S-H、AFt	0.73
矿渣基胶凝材料固化技术	矿渣、铝酸盐水泥、氯化钙、磷酸钠	AFt、C-A-S-H	0.87
矿渣-熟料-维生素C固化技术	矿渣、水泥熟料、维生素C	AFm、C-S-H、AFt	3.44
赤泥-煤矸石地聚物固化技术	赤泥、煤矸石、氢氧化钠	(N)-A-S-H	1.95
钢渣-气化粉煤灰地聚物固化技术	钢渣、气化粉煤灰、高岭土、氢氧化钠	C-A-S-H、 C-S-H	1.37

[1]	孔祥辉, 闫振强, 荣殊, 张进港. 工业固废赤泥用于粉土流动化回填材料的制备与性能研究[J]. 新澳门游戏网站入口院报, 2020, 37(12): 86-91.
[2]	杭美艳, 马刚, 吕学涛. 激发剂对风积沙微粉强度的影响[J]. 新澳门游戏网站入口院报, 2020, 37(1): 156-160.

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