CN111889487A - 多源固废协同处理的等离子体熔融固化重金属方法 - Google Patents
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Abstract
一种多源固废协同处理的等离子体熔融固化重金属方法，包括以下步骤：根据热力学平衡计算，确定满足多源固废的熔融温度计算值在1200～1500℃时，CaO‑Al2O3‑SiO2(CAS)三相质量百分比范围；根据多源固废中每一原料的CAS质量百分比分析结果，对多源固废进行原料配伍以调整多源固废中的CAS质量百分比在CAS三相质量百分比范围内；将经配伍的多源固废进行等离子体熔融固化处理，然后经水冷或风冷得到玻璃态熔渣，实现重金属的深度固化。本发明结合调整CAS三相比例的原料配伍方法和热力学平衡计算，将经过配伍的多源固废在等离子体熔融炉中熔融固化处理，可以调节熔融温度，降低***能耗，实现重金属的深度固化。
Description
技术领域
本发明涉及固体废物无害化处置领域，具体涉及一种多源固废协同处 理的等离子体熔融固化重金属方法。
背景技术
多源固废包括生活垃圾焚烧飞灰、污泥焚烧飞灰、危险废物焚烧飞灰、 医疗废物、电镀污泥、废石棉、电子废弃物等危险废物和污泥、赤泥、粉 煤灰、钢渣、煤矸石、铁尾矿、金尾矿、铝土尾矿等工业固废。其产生量 大、组分复杂、具有污染属性，协同处置技术匮乏。例如，生活垃圾焚烧 飞灰属于危险废弃物，年产生量约500万吨，富集重金属、二恶英，无害化处理要求很高；尾矿年产生量约10亿吨，通过回填等措施可以消耗70％ 的尾矿，但我国尾矿存量仍在150亿吨以上，占用大量土地，且一些尾矿 中伴有的重金属会污染地下水资源，带来环境风险。
目前，考虑多源固废协同处理固化重金属的技术较少，而生活垃圾焚 烧飞灰的重金属固化技术多样，主要有水泥固化、化学药剂稳定化、湿式 提取、熔融固化等。水泥固化法是将飞灰混合到水泥固化剂当中，使飞灰 形成固体，其中的重金属难以溶出，其工艺简单，但由于添加了水泥固化 剂，使处理后的体积增大，且对Hg、Pb、Cr6+等难以利用氢氧化物低溶解 度特性的重金属无法实现固化稳定化处理，处理效果无法得到保障；化学 药剂稳定化是通过添加化学药剂，使重金属与其发生化学反应，生成低溶 解性、低迁移性和低毒性的物质，从而实现重金属的稳定化处理，但采用 的药剂昂贵，作用较为单一，且固化剂对二噁英和盐类物质没有稳定化作 用；湿式提取法有助于回收有价值的资源，但该方法无害化处理飞灰不彻 底，且产生的大量废水需进一步处理；熔融固化法是利用电热或燃烧热方法加热飞灰至一定温度使其熔融，之后迅速降温冷却，形成玻璃体熔渣， 借助玻璃体熔渣致密的硅氧四面体网络结构，实现重金属的固化稳定化。 熔融固化法深度固化重金属于玻璃体内，彻底杜绝二次污染，熔融产物具 有利用价值，是目前最为先进的一种飞灰处理方式。
然而，现有的固废熔融固化重金属技术通常只针对飞灰等单一固体废 物，一般基于原料中Ca和Si的比例，将单一固体废物与纯物质添加剂混 合熔融，对原料要求高，不具备广泛适应性，且熔融需要较高的温度，通 常在1500℃以上，较高的能耗阻碍了熔融固化技术的进一步推广和应用。 因此，使固废在较低温度下熔融形成玻璃体，控制***整体能耗，在熔融 固化技术推广中具有显著意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多源固废协同处理的等离 子体熔融固化重金属方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的 至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种多源固废协同处理的等离子体熔融固化重金属方法，包括以下步 骤：
根据热力学平衡计算，确定满足多源固废的熔融温度计算值在 1200～1500℃时，CaO-Al2O3-SiO2三相质量百分比范围为：以CaO、Al2O3、 SiO2三相总和为100％，CaO 15％～50％、Al2O3 5％～20％、SiO2 40％～65％；
对多源固废中的每一原料的CaO、Al2O3、SiO2质量百分比进行分析， 根据分析结果对多源固废进行原料配伍，以调整多源固废中的 CaO-Al2O3-SiO2的质量百分比在所述CaO-Al2O3-SiO2三相质量百分比范围 内；
将经配伍的所述多源固废进行等离子体熔融固化处理，然后经水冷或 风冷得到玻璃态熔渣，实现重金属的深度固化。
基于上述技术方案，本发明的多源固废协同处理的等离子体熔融固化 重金属方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
1.基于特定的CaO-Al2O3-SiO2(CAS)三相比例对多源固废进行配伍， 从而调节熔融温度，降低***能耗；并通过热力学平衡计算确保熔融温度 在1200-1500℃，提高***运行稳定性；
2.本发明普适性，可适用于各组分含量差异较大的多源固废，不需要 额外添加纯物质化学品添加剂，达到以废治废的效果；
3.采用等离子体熔融技术，能量密度高，熔融时间短，在20min之内 即可完成熔融；
4.经过熔融固化处理后多源固废中的重金属等有害物质被深度固化 于玻璃体中，无环境风险，且玻璃体可作为建筑材料或路基材料进行高值 化利用，具有环境效益和经济价值。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，对本发明作进一步的详细说明。
本发明旨在提供一种多源固废协同处理的等离子体熔融固化重金属 方法，该方法对原料具有广泛适应性，可处理生活垃圾焚烧飞灰、污泥焚 烧飞灰、危险废物焚烧飞灰、医疗废物、电镀污泥、废石棉、电子废弃物、 污泥、赤泥、粉煤灰、钢渣、煤矸石、铁尾矿、金尾矿、铝土尾矿等多源 固废，不添加任何纯物质化学品添加剂，通过调节输入原料的化学组分， 降低熔融温度，深度固化重金属于玻璃体内，达到以废治废的效果。同时 缩短熔融处理时间，控制***整体能耗。
为了实现上述目的，本发明提供一种多源固废协同处理的等离子体熔 融固化重金属方法，提出基于调整CaO-Al2O3-SiO2(CAS)三相比例的原 料配伍方法，将经过配伍的多源固废在等离子体熔融炉中熔融固化处理， 经水冷或风冷得到玻璃态熔渣，实现重金属的深度固化。
具体而言，根据本发明的一些实施例，提供了一种多源固废协同处理 的等离子体熔融固化重金属方法，包括以下步骤：
步骤1：根据热力学平衡计算，确定满足多源固废的熔融温度计算值 在1200～1500℃时，CaO-Al2O3-SiO2三相质量百分比范围为：以CaO、Al2O3、 SiO2三相总和为100％，CaO 15％～50％、Al2O3 5％～20％、SiO2 40％～65％。 其中，较优选为CaO 18～33％、Al2O37％～15％、SiO2 50％～65％或者CaO 33～45％、Al2O3 15％～20％、SiO2 42％～50％，最佳为CaO 25％、Al2O3 15％、 SiO2 60％。
其中，具体是基于吉布斯自由能最小原理，计算不同温度下CAS三 相体系的相平衡分布，从而得到熔融温度在1200～1500℃时的CAS三相百 分比范围，该计算过程可以利用已知的Factsage软件完成。
步骤2：对多源固废中的每一原料的CaO、Al2O3、SiO2质量百分比进 行分析，根据分析结果对多源固废进行原料配伍，以调整多源固废中的 CaO-Al2O3-SiO2的质量百分比在所述CaO-Al2O3-SiO2三相质量百分比范围 内；
步骤3：将经配伍的所述多源固废进行等离子体熔融固化处理，然后 经水冷或风冷得到玻璃态熔渣，实现重金属的深度固化。其中，多源固废 混合原料在等离子体熔融炉中熔融固化处理，熔融温度为1200-1300℃， 熔融时间小于等于20min。
本发明考虑多源固废处理需求，基于CaO-Al2O3-SiO2(CAS)三相比 例，结合热力学平衡计算，通过多源固废协同处理的方式，降低混合原料 的熔融温度，同时采用等离子体熔融技术，利用其高能量密度优势，大幅 缩短熔融时间。通过控制熔融温度和缩短熔融时间两方面措施达到控制系 统整体能耗的目的，从而降低多源固废处理的成本。多源固废经等离子体 熔融后，其重金属深度固化于玻璃体内，无环境风险，且玻璃体可作为建 筑材料或路基材料进行高值化利用，具有环境效益和经济价值。
以下列举多个具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说 明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。
实施例1
(1)现有一种生活垃圾焚烧飞灰与一种污泥焚烧飞灰需要处置，分 析他们的化学组成及各组分所占比例，生活垃圾焚烧飞灰Na2O含量5.33％、 MgO含量3.1％、Al2O3含量2.06％、SiO2含量4.21％、SO3含量6.1％、Cl 含量16％、K2O含量4.08％、CaO含量54％、Fe2O3含量1.77％，折算成 CaO、Al2O3、SiO2三相总和为100％，则CaO含量89.5％、Al2O3含量3.5％、SiO2含量7.0％；污泥焚烧飞灰Na2O含量1.22％、MgO含量1.86％、Al2O3含量15.8％、SiO2含量35.9％、SO3含量13.8％、Cl含量0.27％、K2O含量 1.24％、CaO含量13.8％、Fe2O3含量11.7％，折算成CaO、Al2O3、SiO2三相总和为100％，则CaO含量21.1％、Al2O3含量24.1％、SiO2含量54.8％。
(2)基于CaO-Al2O3-SiO2(CAS)三相比例将生活垃圾焚烧飞灰与 污泥焚烧飞灰按质量比2∶8进行原料配伍，混合后样品化学组成折算成 CaO、Al2O3、SiO2三相总和为100％，则CaO含量34.8％、Al2O3含量20.0％、 SiO2含量45.2％。
(3)将生活垃圾焚烧飞灰与污泥焚烧飞灰化学组成按质量比2∶8进 行热力学计算，计算经原料配伍后混合原料熔融温度为1268.46℃，符合 1200～1500℃的标准。
(4)将混合原料送入等离子体熔融炉进行等离子体熔融固化，熔融 温度为1300℃，熔融时间10min。所得熔渣在空气中自然冷却，经破碎研 磨后分析。
(5)结果发现，混合原料完全熔融，形成很好的玻璃体，对熔渣的 浸出毒性进行检测，可知熔渣中各重金属的浸出浓度为：Cd＜0.013mg/L、 Cr＜0.262mg/L、Ni＜0.263mg/L、Cu＜0.018mg/L、Pb＜0.025mg/L、 Zn＜8.313mg/L。
实施例2
(1)现有一种生活垃圾焚烧飞灰与一种污泥焚烧飞灰需要处置，分 析他们的化学组成及各组分所占比例，生活垃圾焚烧飞灰Na2O含量5.33％、 MgO含量3.1％、Al2O3含量2.06％、SiO2含量4.21％、SO3含量6.1％、Cl 含量16％、K2O含量4.08％、CaO含量54％、Fe2O3含量1.77％，折算成 CaO、Al2O3、SiO2三相总和为100％，则CaO含量89.5％、Al2O3含量3.5％、 SiO2含量7.0％；污泥焚烧飞灰Na2O含量1.22％、MgO含量1.86％、Al2O3含量15.8％、SiO2含量35.9％、SO3含量13.8％、Cl含量0.27％、K2O含量 1.24％、CaO含量13.8％、Fe2O3含量11.7％，折算成CaO、Al2O3、SiO2三相总和为100％，则CaO含量21.1％、Al2O3含量24.1％、SiO2含量54.8％。
(2)基于CaO-Al2O3-SiO2(CAS)三相比例将生活垃圾焚烧飞灰与 污泥焚烧飞灰按质量比3∶7进行原料配伍，混合后样品化学组成折算成 CaO、Al2O3、SiO2三相总和为100％，则CaO含量41.6％、Al2O3含量17.9％、 SiO2含量40.5％。
(3)将生活垃圾焚烧飞灰与污泥焚烧飞灰化学组成按质量比3∶7进 行热力学计算，计算经原料配伍后混合原料熔融温度为1349.54℃，符合 1200～1500℃的标准。
(4)将混合原料送入等离子体熔融炉进行等离子体熔融固化，熔融 温度为1300℃，熔融时间10min。未能形成玻璃体。
(5)将混合原料送入等离子体熔融炉进行等离子体熔融固化，熔融 温度为1500℃，熔融时间10min。混合原料完全熔融，形成很好的玻璃体， 对熔渣的浸出毒性进行检测，可知熔渣中各重金属的浸出浓度均极低。
对比例1
(1)现有一种生活垃圾焚烧飞灰需要处置，分析其化学组成及各组 分所占比例，生活垃圾焚烧飞灰Na2O含量5.33％、MgO含量3.1％、Al2O3含量2.06％、SiO2含量4.21％、SO3含量6.1％、Cl含量16％、K2O含量4.08％、 CaO含量54％、Fe2O3含量1.77％，折算成CaO、Al2O3、SiO2三相总和为 100％，则CaO含量89.5％、Al2O3含量3.4％、SiO2含量6.9％。
(2)由于未经过合理配伍，其CAS三相比例不满足熔融温度较低的 区间。
(3)对生活垃圾焚烧飞灰化学组成进行热力学平衡计算，经计算其 熔融温度为2414.84℃，在1200～1500℃以下不能熔融。
(4)将原料送入等离子体熔融炉进行等离子体熔融固化，熔融温度 为1500℃，熔融时间20min。结果发现，未经过合理配伍的原料在1500℃ 时不能熔融形成玻璃体，无法起到固化重金属的效果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多源固废协同处理的等离子体熔融固化重金属方法，包括以下步骤：
根据热力学平衡计算，确定满足多源固废的熔融温度计算值在1200～1500℃时，CaO-Al2O3-SiO2三相质量百分比范围为：以CaO、Al2O3、SiO2三相总和为100％，CaO 15％～50％、Al2O3 5％～20％、SiO2 40％～65％；
对多源固废中的每一原料的CaO、Al2O3、SiO2质量百分比进行分析，根据分析结果对多源固废进行原料配伍，以调整多源固废中的CaO-Al2O3-SiO2的质量百分比在所述CaO-Al2O3-SiO2三相质量百分比范围内；
将经配伍的所述多源固废进行等离子体熔融固化处理，然后经水冷或风冷得到玻璃态熔渣，实现重金属的深度固化。
2.根据权利要求1所述的等离子体熔融固化重金属方法，其特征在于，所述多源固废中的CaO-Al2O3-SiO2的质量百分比：以CaO、Al2O3、SiO2三相总和为100％，CaO 18～33％、Al2O37％～15％、SiO2 50％～65％。
3.根据权利要求1所述的等离子体熔融固化重金属方法，其特征在于，所述多源固废中的CaO-Al2O3-SiO2的质量百分比：以CaO、Al2O3、SiO2三相总和为100％，CaO 33～45％、Al2O315％～20％、SiO2 42％～50％。
4.根据权利要求1所述的等离子体熔融固化重金属方法，其特征在于，所述多源固废中的CaO-Al2O3-SiO2的质量百分比：以CaO、Al2O3、SiO2三相总和为100％，CaO25％、Al2O3 15％、SiO2 60％。
5.根据权利要求1所述的等离子体熔融固化重金属方法，其特征在于，所述多源固废的原料选自生活垃圾焚烧飞灰、污泥焚烧飞灰、危险废物焚烧飞灰、医疗废物、电镀污泥、废石棉、电子废弃物、污泥、赤泥、粉煤灰、钢渣、煤矸石、铁尾矿、金尾矿、铝土尾矿中的至少两种。
6.根据权利要求1所述的等离子体熔融固化重金属方法，其特征在于，所述等离子体熔融固化处理的熔融温度为1200～1300℃，熔融时间小于或等于20分钟。
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