隨著城市化進程加快和人民生活水平的快速提高，城市生活垃圾產量迅猛增加，幾乎無處可填，因而，垃圾焚燒成為了城市生活垃圾處置最為行之有效的方法，而垃圾焚燒過程中產生的飛灰屬于危險廢物，危害極大，亟需安全處置。國內垃圾焚燒飛灰大多采用填埋的方式處置，飛灰填埋，需先經水泥固化，固化后的飛灰水泥螯合體的體積是原飛灰體積的1.5倍左右，增容明顯，嚴重占用土地資源，綜合成本較高。且固化難以安全處理飛灰中的二噁英等有害物質，存在二次污染土壤和地下水的風險。
近年來，垃圾焚燒飛灰的安全合理處置越來越受到關注，也成為中央環保督察組監管的重要對象。2019年出臺的《產業結構調整指導目錄》和《生活垃圾焚燒飛灰污染控制技術規范(征求意見稿)》，鼓勵推動了垃圾焚燒飛灰水泥窯協同處置。目前，杭州已建建立了4家垃圾焚燒飛灰水洗脫氯水泥窯協同處置項目，其他地區如安徽、福建、河南相繼在推動建設垃圾焚燒飛灰水泥協同處置項目。
1．垃圾焚燒飛灰水洗脫氯工藝分析
垃圾焚燒飛灰中氯含量最高達到20%以上，遠高于《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)[7]標準中要求原料氯離子含量≤0.06%。《水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》(HJ 662-2013)[8]要求入窯物料中氯離子含量≤0.04%；因此，飛灰難以直接添加到水泥原料中，必須預先經過脫氯處理，使飛灰中氯含量降低小于1%，大幅度提高水泥原料中飛灰添加量。目前國內垃圾焚燒飛灰水洗脫氯工藝流程如下圖1。
圖1 垃圾焚燒飛灰水洗脫氯工藝流程
在實施工程上，水洗單元主要是采用多級逆流水洗滌飛灰中的氯，采用最經濟的水灰比溶解出飛灰中的氯。此時，飛灰中的氯、鈉、鉀、鈣及微量重金屬會進入到洗滌水里！段鬯湃氤擎傁滤浪|標準》(GB/T31962-2015)中嚴格控制進入下水道中氯化物含量，因而，飛灰水洗廢水必須經過水處理去除氯化物。水洗水處理單元主要是通過預處理去除水體中雜質后，其中碳酸鈣沉淀進入水泥窯，預處理后的水通過蒸發結晶提取其中的氯化鈉和氯化鉀，再經蒸汽冷凝后循環利用。
因此，垃圾焚燒飛灰中的鋁、鈣、硅和鈉、鉀組分含量，對于其資源化利用的經濟性能影響很大。而垃圾焚燒飛灰水洗所需要的耗水量則直接影響到飛灰中鈣溶出量和蒸發成本。
2．垃圾焚燒飛灰中價值組分分析
2.1 水泥原料組分分析
硅酸鹽水泥由主要含Ca O、Si O2、Al2O3、Fe2O3的原料，按適當比例磨成細粉燒至部分熔融所得以硅酸鈣為主要礦物成分的水硬性膠凝物質。其中硅酸鈣礦物不小于66%，氧化鈣和氧化硅質量比不小于2.0。因此，鋁、鈣、硅是水泥原料中的有效組分。
統計文獻和本實驗分析數據見表1。垃圾焚燒飛灰中富含有鋁、鈣、硅，其中鈣含量最為豐富，最高可達到40%以上，一般含量為20%～40%之間。硅含量基本上達到2%以上，鋁含量在1%左右。
統計分析發現，硅、鋁含量與氯含量關聯關系比較大，基本上硅、鋁含量隨氯含量提高呈現指數降低。因而，對于氯含量低的垃圾焚燒飛灰而言，飛灰作為水泥窯原料價值更高。
表1 不同地區垃圾焚燒飛灰中的幾種元素的質量分數(%)
2.2 工業鹽組分分析
垃圾焚燒飛灰經過水洗后，其中鈣、鈉、鉀溶解到水洗水中。經過預處理去除鈣離子等雜質后，進一步通過蒸發結晶分離，氯化鈉和氯化鉀可以回收作為工業鹽副產品。氯化鈉是氯堿化工常用的原料，可生產燒堿和鹽酸。氯化鉀是我國農業用的比較緊缺的鉀肥資源。鈉、鉀含量隨氯含量增加而升高，鈉含量最高達到15%以上，而鉀含量最高達到8%以上。
盡管飛灰中高氯的存在導致飛灰水洗水的處理成本增加，但是飛灰中氯化鈉和氯化鉀可以提取回收，實現再生資源的循環利用。
圖2 垃圾焚燒飛灰中Cl與其他元素的含量關系圖
3．飛灰水洗脫氯關鍵因子與處理成本分析
垃圾焚燒飛灰通過不同水量洗滌，氯溶解效率和鈣的溶出率差距較大，水洗水脫鈣是本工藝處理成本的主要藥劑費用。因此，水灰比是決定飛灰水洗脫氯經濟性的關鍵因子。實驗分析了水灰比對垃圾焚燒飛灰中鈣溶出的影響，結果見下表2。
表2 水灰比與垃圾焚燒飛灰中鈣溶出的關系一覽表
硓種備注噸水蒸發能耗為60元/t，脫鈣藥劑碳酸鈉單價3000元/t；水處理綜合成本只考慮蒸發和碳酸鈉費用，其他暫不計。
水灰比對于鈣離子溶出影響比較大，由于飛灰中鈣含量非常高，在不同水灰比條件下，鈣離子在水中的溶解基本上是飽和的。因此，水灰比越高，鈣的溶出總量越大，去除鈣所消耗的碳酸鈉用量越大。同時，單位飛灰水洗所需要的水量越小，回收氯化鈉和氯化鉀的蒸發結晶單元所需要的能耗越少。對于氯含量5%飛灰，水灰比3︰1的處理成本高出水灰比1︰1大約210元/噸灰。對于氯含量24%飛灰，水灰比3︰1的處理成本高出水灰比1︰1大約286元/噸灰。
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