CN113477668B - 一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用***及方法，包括依次连接的旋涡燃烧室、燃尽室、炉膛、余热回收***和烟气处理***，旋涡燃烧室的进料口分别与制氧机、燃料缓冲罐、添加剂缓冲罐和飞灰缓冲罐的输出端连接，燃料缓冲罐的输入端与燃料储罐连接，添加剂缓冲罐的输入端与添加剂储罐连接，飞灰缓冲罐的输入端与用于集中储存飞灰的密封储罐连接，烟气处理***用于捕集烟气中的二次飞灰并将其再次送入熔融***。以解决焚烧飞灰高温熔融过程中处理工艺复杂、燃料消耗量大、玻璃化不彻底、经济性差的问题。

Description

一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的***及方法

技术领域

本发明涉及高温熔融玻璃化技术领域，具体涉及一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的***及方法。

背景技术

目前，垃圾焚烧锅炉产生的大量飞灰的处理办法有水泥固化、螯合剂稳定化等，通过这些方法处理后，不容易发生二次污染。采用水泥固化螯合剂稳定化技术，水泥固化体的浸出速率较高，水泥固化体增容比较高，不仅飞灰体积增大，还需作预处理或需要加入添加剂，因而可能影响水泥浆的凝固，并会使成本增加，而且水泥的碱性能使铵离子变成氨气释出，处理化学泥渣时，由于生成胶状物，使混合物的排料较困难。

高温熔融法是目前公认的无害化处理垃圾焚烧的重要途径。飞灰在熔融升温过程中，其内含有的大量二恶英类有毒有机物被高温分解而彻底消除，大量重金属随熔融物冷却后包封在化学性能异常稳定的玻璃体内，从而实现飞灰的无害化处理。研究表明，采用高温熔融法处理飞灰的耗能很大，因而飞灰处理的成本很高，同时，熔融炉的高温尾气因含有大量重金属和烟尘而无法直排大气，需要复杂的降温、重金属脱除和除尘等设备，***复杂，一次投资和运行维护的成本都很高。

中国发明专利CN1632376A公布了一种垃圾焚烧飞灰的旋风炉高温熔融处理方法，是利用飞灰与煤粉按照一定比例混合后送入旋风炉燃烧至高温熔融，旋风炉处于还原状态，过量空气系数0.8~0.9，重金属沉落到底部熔渣池底，并能实现重金属与熔渣从各自单独的熔渣口流出。

中国发明专利CN1632376A公布了一种垃圾焚烧飞灰的高温熔融处理方法，按质量比为1:8~10:0.05~0.08混合垃圾飞灰、水和水洗添加剂，置于紫外光照射的条件下，在50~55℃温度下，在180-200r/min的搅拌速率下，水洗处理15~20min，混合物压滤处理，得到滤液和飞灰滤饼，然后将压滤所得的液体经过蒸馏处理后得到可回收利用的水以及可外售的混合盐，将飞灰滤饼与焦炭粉按质量比为1:0.20-0.25混合均匀得到飞灰物料；飞灰物料粉碎后，烘干至含水率≤6％，然后添加质量为飞灰物料质量的1~1.5％的复合助熔剂混匀，再置于温度为1100~1200℃条件下进行熔炼处理，将熔炼产生的废气经过净化处理后排出，并将熔炼后的物料进行提炼分离，即可得到熔融渣和金属合金。

中国发明专利CN100354052C公布了一种垃圾焚烧处理的飞灰熔融添加剂，公布了采用30~50%的B₂O₃、25~40%的SiO₂、7~20%的MgO研磨成106~256目混匀。

现有技术中没有记载针对各个不同的垃圾焚烧厂产生的大量飞灰如何集中处理。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：本发明工艺的目的是提供一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的***及方法，以解决焚烧飞灰高温熔融过程中处理工艺复杂、燃料消耗量大、玻璃化不彻底、经济性差的问题。采用飞灰集中处理站式设计，利用纯氧作为助燃气体进行飞灰熔融，***紧凑、简洁，并结合智能化控制，***自动化程度高，经济性好。

为解决上述技术问题，本发明采用将飞灰收集后进行集中高温熔融处理带有其独立的烟气处理流程，通过下述技术方案实现：

一方面，本发明提供一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的***，包括依次连接的旋涡燃烧室、燃尽室、炉膛、余热回收***和烟气处理***，旋涡燃烧室的进料口分别与制氧机、燃料缓冲罐、添加剂缓冲罐和飞灰缓冲罐的输出端连接，燃料缓冲罐的输入端与燃料储罐连接，添加剂缓冲罐的输入端与添加剂储罐连接，飞灰缓冲罐的输入端与用于集中储存飞灰的密封储罐连接，烟气处理***用于捕集烟气中的二次飞灰并将其再次送入熔融***。

优选的是，旋涡燃烧室倾斜固设于燃尽室侧壁上并与其内部腔体连通，炉膛固设于燃尽室顶部并与其内部腔体连通；旋涡燃烧室的进料口包括设置于其轴向上的第一入口和侧壁上的格栅状第二入口，旋涡燃烧室的尾部设置有锥体结构；旋涡燃烧室的出料口连接有一次排渣口，一次排渣口另一端与设置在燃尽室下方的放渣管连接，放渣管下方对应布置有密封式水冷除渣器。

进一步优选的是，制氧机和燃料缓冲罐并联后首先通过第一输送管道预混再分别通向第一入口和第二入口，添加剂缓冲罐和飞灰缓冲罐并联后首先通过第二输送管道预混再分别通向第一入口和第二入口。

更进一步优选的是，放渣管上设置有烟气抽引口，烟气抽引口连接至第一输送管道。

更进一步优选的是，烟气处理***包括依次连接的飞灰捕集装置、激冷除酸塔和脱硝***，飞灰捕集装置捕集的飞灰通向第二输送管道，飞灰捕集装置处理后的烟气部分抽至第一输送管道。

更进一步优选的是，还包括水洗装置和结晶分盐装置，水洗装置连接于飞灰捕集装置与第二输送管道之间，结晶分盐装置分别与密封式水冷除渣器和水洗装置连接。

优选的是，炉膛内设置有喷枪。

另一方面，本发明还提供一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的***的方法，包括如下步骤：

S1、在旋涡燃烧室内高温弱还原性氛围下，将制氧机制得的助燃气体和经燃料缓冲罐输送的燃料混合后送入旋涡燃烧室内，同时将经添加剂缓冲罐输送的添加剂和经飞灰缓冲罐输送的飞灰混合后送入旋涡燃烧室内高温燃烧至完全熔融状态，并向外排放至密封式水冷除渣器内形成玻璃熔渣；

S2、旋涡燃烧室内的高温烟气经燃尽室转化和初步降温后上行进入炉膛，在炉内烟气进一步降温，并通过向炉内喷射碱性溶液实现炉内烟气的氮氧化物脱除；

S3、炉膛内的烟气引出后经过余热回收***降温后引入烟气处理***中，烟气处理***中捕集的二次飞灰与步骤S1中的储存飞灰汇合后送入旋涡燃烧室中进行二次高温熔融，并将达标后的烟气进行排放。

所述助燃气体为纯氧或富氧空气；总助燃气体的量与燃料完全燃烧需氧量比例为1.01~1.12之间，其中旋涡燃烧室内助燃氧气总量与燃料的理论燃烧氧气量之比在0.85~0.98之间。添加剂的添加量为燃料量的1%~5%。

优选的是，旋涡燃烧室中，在第一入口进料过程中，第一入口的风速控制在15~20m/s，飞灰进料量占飞灰总供给量的0~20%；在第二入口进料过程中，第二入口的风速控制在120m/s以上，飞灰通过第二入口的格栅口由割线方向喷入，飞灰引入速度控制在40~60m/s，飞灰进料量占飞灰总供给量的80~100%。

第二入口的风流速高、有利于形成高强湍流，强化飞灰的离心旋转，在高温下飞灰能实现贴壁熔融，提高旋风筒体捕渣率。飞灰从割线方向高速引入时，能增加飞灰在高温空间内的行程，高温下停留时间长，显著降低飞灰硬度，避免固体飞灰颗粒对旋风筒体磨损，延长了设备使用寿命。由于氧气环境下，相比空气而言气体体积量减少，可采用循环烟气掺混，一方面降低燃烧烟气氮氧化物量，另一方面增加了助燃气体实际体积量，使得喷管流速能维持高速水平。

优选的是，步骤S3中，烟气处理***中捕集的二次飞灰经水洗装置水洗后再通入第二输送管道，水洗液与密封式水冷除渣器内的除渣水一起送入结晶分盐装置，进行盐类分类回收。

与现有技术相比，本发明的一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的方法具有以下优点：

1、采用飞灰熔融集中式***设计，***紧凑、简洁，并结合智能化控制，***自动化程度高，经济性好。

2、采用纯氧作为助燃气体，避免了空气中体积比占79%的氮气带入***，一方面纯氧提高了理论燃烧温度，使得飞灰高温下快速熔融；另一方面，减少了氮气，即减少了高温烟气带入尾部锅炉的热量，相对熔融相同飞灰而言，节省了所需的燃料成本。

3、由于采用纯氧助燃，完全没有氮气参与，高温下氮氧化物原始产生量大幅下降，经过炉内脱硝，尾部基本可实现低氮排放。

4、采用高温旋涡燃烧形成二次回流，延长飞灰在高温下停留时间，彻底达到飞灰100%的熔融，在特殊添加剂作用下完全玻璃化，玻璃体含量大于90%。

5、烟气中脱硫采用炉顶碱法脱硫，并对烟气中氮氧化物有良好脱除作用。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图。

图2为本发明的旋涡燃烧室侧面结构示意图。

图3为图2中A向结构示意图。

附图标记：1-旋涡燃烧室；2-燃尽室；3-炉膛；4-余热回收***；5-飞灰捕集装置；6-激冷除酸塔；7-脱硝***；8-制氧机；9-燃料缓冲罐；10-添加剂缓冲罐；11-飞灰缓冲罐；12-流量控制器；13-一次排渣口；14-放渣管；15-抽引口；16-第一输送管道；17-第二输送管道；18-水洗装置；19-结晶分盐装置；20-密封式水冷除渣器；21-燃料储罐；22-添加剂储罐；23-密封储罐；24-第一入口；25-第二入口；26-锥体结构。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是不能理解为对本专利的限制。

如图1-3所示，某省市的行政区域内的所有焚烧炉焚烧的飞灰将送往本发明飞灰集中处理站，在飞灰集中处理站中，纯氧由制氧机8制得，飞灰由密封储罐23储存，添加剂由添加剂储罐22储存，燃料由燃料储罐21储存，添加剂、燃料、储存后的飞灰以及制得的纯氧经过气力输送送往本发明的飞灰高温熔融玻璃化利用的***，***采用高温旋涡燃烧的原理。

本实施例的高温熔融玻璃化的***包括依次连接的旋涡燃烧室1、燃尽室2、炉膛3、余热回收***4和烟气处理***，旋涡燃烧室1用于接收添加剂、燃料、纯氧以及输入集中储存的飞灰，烟气处理***用于捕集烟气中的二次飞灰送入熔融***以及净化烟气达标排放。其中，制氧机8和燃料缓冲罐9并联后通过第一输送管道16连接至旋涡燃烧室1的进料口，并配置有流量控制器12，通过控制燃料与纯氧的比例，能实现燃料高温燃烧及旋涡燃烧室1内弱还原性氛围。添加剂缓冲罐10和飞灰缓冲罐11并联后通过第二输送管道17连接至旋涡燃烧室1的进料口，并配置有流量控制器12。添加剂成分包括SiO₂、碎玻璃渣和CaF₂，可以有效降低飞灰的熔融温度，玻璃化程度高。其中，第一输送管道16和第二输送管道17分别通过星形给料阀分流至第一入口24和侧壁上的第二入口25。

旋涡燃烧室1倾斜固设于燃尽室2侧壁上并与其内部腔体连通，炉膛3固设于燃尽室2顶部并与其内部腔体连通；旋涡燃烧室1呈圆筒形，旋涡燃烧室1的进料口包括设置于其轴向上的第一入口24和侧壁上的格栅状第二入口25，旋涡燃烧室1的尾部设置有锥体结构26。由于第二入口25呈格栅状设置，具有多个格栅口，可合理将飞灰、燃料、空气以及添加剂的输出端分别布置于不同的格栅口上，以达到更好地高温熔融效果。

在旋涡燃烧室1内通过添加燃料及添加剂与高温助燃纯氧实现旋涡燃烧，形成极度高温，中心温度可达至少1800~1900℃以上，瞬间将进入旋涡燃烧室1的飞灰完全熔融，在旋涡燃烧室1内飞灰在高速旋转气流的携带下，从燃烧室入口端沿着筒壁方向沿螺旋线移动到旋涡燃烧尾端，在尾部特殊设计的锥体结构作用下，飞灰再次经历中心线方向的二次回流，极大提高飞灰在高温燃烧室内的停留时间，并控制出口飞灰的熔融率，能保证飞灰实现100%熔融。

在旋涡燃烧室1的配风主要来源是制氧机8提供纯氧，由于纯氧与空气相比，减少了占体积比79%左右的氮气，如此纯氧中没有氮气参与反应，一方面，提高了旋涡燃烧室1内的理论燃烧温度，理论燃烧温度达到2000℃以上，便于物料高温下熔融；另一方面，***中燃料燃烧产生的烟气量大幅减少，极大减少了高温烟气带入锅炉本体的热量，在熔融单位飞灰处理量时，燃料量能节省约30~40%以上，且由于没有氮气在高温下参与反应，烟气中氮氧化物的量原始生成量显著下降，降幅达90%以上。

熔融灰渣在旋转离心力作用下飞向燃烧室筒壁并被筒壁捕捉，形成一层渣膜，通过燃烧室设置有一定的倾角，高温液膜在旋流及重力左右下，逐步向下流动，通过尾端一次排渣口13流出燃烧室，一次排渣口13另一端与设置在燃尽室2下方的放渣管14连接，放渣管14下方对应布置有密封式水冷除渣器。

旋涡燃烧室1内燃烧烟气从旋涡燃烧室1尾部出口引出后进入燃尽室2，高温烟气弱微向下冲再向上折出，向下出口对着高温熔渣的二次引出口，以实现利用高温烟气的高温保持二次熔渣口温度的目的，避免熔渣冷却导致二次渣口堵塞，影响装置运行。在燃尽室2内火焰能达到伸展，高速气流中含有的未捕集的熔融小液滴及未燃透的含炭微粒在燃尽室2内有足够的停留时间及伸展空间，使得燃料中未然微粒及可燃性气体完全转化，同时上折的燃烧烟气上行时，在燃尽室2顶部与凝渣管相遇，将烟气中剩余熔渣颗粒实现降温、凝聚的目的。燃尽室2出口的温度控制在1200~1300℃以内。

在集中处理站由于飞灰处理量大，每个处理站每天的处理量至少在100吨/天以上，旋涡燃烧室1是飞灰高温熔融的核心设备，在处理站高温熔融炉的锅炉本体配置有多个旋涡燃烧炉头，可有效调节处理站飞灰熔融负荷。其中，旋涡燃烧室1可采用两侧墙的对冲布置，燃烧室出口烟气在燃尽室2内通过撞击流控制飞灰中的熔融物团聚，强化高温烟气中飞灰液滴的捕集。当多支旋涡燃烧室1布置时也可采用沿炉体切向旋流布置。

初步降温后的含尘烟气上行进入炉膛3，在炉内烟气进一步降温，在炉膛3内设置有SNCR喷枪（图中未示出），通过向炉内喷射液氨或尿素实现炉内烟气的氮氧化物脱除，不为后续工艺增加氮氧化物脱除的额外负担。

降温后的烟气随后引出炉膛3进入尾部余热回收***4（余热锅炉、除尘器和空气预热器），降温后的烟气根据飞灰物料特性，随后送入焚烧***尾部烟气处理设施，由于纯氧燃烧，烟气中没有氮气，烟气量极低，烟气处理量小，大幅减少脱氮、脱硫、除尘及喷射活性炭的环保投资。

还可在***中配置苛化***与SNCR喷枪同时进行喷洒作业，其中，飞灰中钠盐在高温下形成的碳酸钠钠盐与外购氢氧化钙进行苛化反应生成碱性的氢氧化钠，氢氧化钠用于高温熔融炉顶部的烟气喷洒使用，以脱除硫氧化物及氮氧化物。

烟气处理***包括飞灰捕集装置5、激冷除酸塔6和脱硝***7，可将捕集的飞灰再次送入熔融***，如此循环，***始终只有燃烧炉底部玻璃化熔渣一个固体废弃物出口，因而真正实现了固废、危废等零污染、零填埋的目的。本发明中玻璃化熔渣可以作为路基或建材资源化利用使用。

飞灰捕集装置5与第二输送管道17之间连接有水洗装置18，二次飞灰水洗的氯盐、硫酸盐、硝酸盐及底部熔渣池中水体中带有的氯盐一起送入废水蒸发***，由于飞灰及熔渣经过高温处理，固体物料及盐分中不含任何有机物及重金属物质，污水仅为含盐废水，通过结晶分盐装置19结晶蒸发回收盐类物质，同时所产生无盐废水再次循环使用，降低***耗水量。

设置燃料缓冲罐9、添加剂缓冲罐10和飞灰缓冲罐11的目的是为了对气力输送引起的流量变化的缓冲，保证后续入炉测量参数的恒定。

飞灰熔融炉底部设置有密封式水冷除渣器20，能快速实现熔渣激冷，形成玻璃体。飞灰熔融炉底部放渣管14上设置有连接至第一输送管道16的烟气抽引口15，其主要作用在于抽吸炉膛3部分烟气流保障熔融炉底部渣口高温，同时也抽吸下部激冷产生的部分水蒸汽，混合后送入助燃氧气管内或者后续除尘器入口处。

为了使本工艺达到最佳工作效果，满足工艺整体性能要求，设计中关键是控制好飞灰、燃料、纯氧的供给比例。旋涡燃烧室1中，在第一入口24进料过程中，第一入口24仅通入混合后的燃料和纯氧，第一入口24的风速（该风速是由燃料和纯氧的气力输送产生的）控制在15~20m/s，在第二入口25进料过程中，第二入口25的风速（该风速也是由燃料和纯氧的气力输送产生）的控制在120m/s以上，飞灰通过第二入口的格栅口（该格栅口与燃料和纯氧输入口不同）由割线方向喷入，飞灰引入速度控制在40~60m/s，飞灰进料量占飞灰总供给量的100%。工艺***中也布置有温度与压力测点，在烟道内应设有气体成分含量样本采集与检测点，以满足对上述关键因素的控制。

该工艺适用于各种焚烧工艺产生的飞灰，如垃圾焚烧锅炉产生的飞灰、废液焚烧炉产生的飞灰、燃煤锅炉的粉煤灰、气化炉的含炭飞灰、重金属提炼炉产生的飞灰、生产玻璃的0.1mm以下的矿砂细粉等，以上飞灰均可以送往本发明的高温熔融玻璃化集中站来，实现飞灰的玻璃化资源化处理。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的***，其特征在于：包括依次连接的旋涡燃烧室（1）、燃尽室（2）、炉膛（3）、余热回收***（4）和烟气处理***，旋涡燃烧室（1）的进料口分别与制氧机（8）、燃料缓冲罐（9）、添加剂缓冲罐（10）和飞灰缓冲罐（11）的输出端连接，燃料缓冲罐（9）的输入端与燃料储罐（21）连接，添加剂缓冲罐（10）的输入端与添加剂储罐（22）连接，飞灰缓冲罐（11）的输入端与用于集中储存飞灰的密封储罐（23）连接，烟气处理***用于捕集烟气中的二次飞灰并将其再次送入熔融***；

旋涡燃烧室（1）倾斜固设于燃尽室（2）侧壁上并与其内部腔体连通，炉膛（3）固设于燃尽室（2）顶部并与其内部腔体连通；旋涡燃烧室（1）的进料口包括设置于其轴向上的第一入口（24）和侧壁上的格栅状第二入口（25），旋涡燃烧室（1）的尾部设置有锥体结构（26）；旋涡燃烧室（1）的出料口连接有一次排渣口（13），一次排渣口（13）另一端与设置在燃尽室（2）下方的放渣管（14）连接，放渣管（14）下方对应布置有密封式水冷除渣器（20）；

燃尽室（2）顶部设置有凝渣管；旋涡燃烧室（1）对冲布置于所述燃尽室（2）侧壁上；放渣管（14）上设置有烟气抽引口（15），烟气抽引口（15）连接至第一输送管道（16）。

2.根据权利要求1的一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的***，其特征在于：制氧机（8）和燃料缓冲罐（9）并联后首先通过第一输送管道（16）预混再分别通向第一入口（24）和第二入口（25），添加剂缓冲罐（10）和飞灰缓冲罐（11）并联后首先通过第二输送管道（17）预混再分别通向第一入口（24）和第二入口（25）。

3.根据权利要求1的一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的***，其特征在于：烟气处理***包括依次连接的飞灰捕集装置（5）、激冷除酸塔（6）和脱硝***（7），飞灰捕集装置（5）捕集的飞灰通向第二输送管道（17），飞灰捕集装置（5）处理后的烟气部分抽至第一输送管道（16）。

4.根据权利要求3的一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的***，其特征在于：还包括水洗装置（18）和结晶分盐装置（19），水洗装置（18）连接于飞灰捕集装置（5）与第二输送管道（17）之间，结晶分盐装置（19）分别与密封式水冷除渣器（20）和水洗装置（18）连接。

5.根据权利要求1的一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的***，其特征在于：炉膛（3）内设置有喷枪。

6.一种如权利要求1所述的集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的***的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在旋涡燃烧室（1）内高温弱还原性氛围下，将制氧机制得的助燃气体和经燃料缓冲罐输送的燃料混合后送入旋涡燃烧室（1）内，同时将经添加剂缓冲罐输送的添加剂和经飞灰缓冲罐输送的飞灰混合后送入旋涡燃烧室（1）内高温燃烧至完全熔融状态，并向外排放至密封式水冷除渣器内形成玻璃熔渣；

S2、旋涡燃烧室（1）内的高温烟气经燃尽室（2）转化和初步降温后上行进入炉膛（3），在炉内烟气进一步降温，并通过向炉内喷射碱性溶液实现炉内烟气的氮氧化物脱除；

S3、炉膛（3）内的烟气引出后经过余热回收***（4）降温后引入烟气处理***中，烟气处理***中捕集的二次飞灰与步骤S1中的储存飞灰汇合后送入旋涡燃烧室（1）中进行二次高温熔融，并将达标后的烟气进行排放。

7.根据权利要求6的一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的方法，其特征在于：旋涡燃烧室（1）中，在第一入口（24）进料过程中，第一入口（24）的风速控制在15~20m/s，飞灰进料量占飞灰总供给量的0~20%；在第二入口（25）进料过程中，第二入口（25）的风速控制在120m/s以上，飞灰通过第二入口的格栅口由割线方向喷入，飞灰引入速度控制在40~60m/s，飞灰进料量占飞灰总供给量的80~100%。

8.根据权利要求6的一种集中式飞灰高温熔融玻璃化利用的方法，其特征在于：步骤S3中，烟气处理***中捕集的二次飞灰经水洗装置（18）水洗后再通入第二输送管道（17），水洗液与密封式水冷除渣器内的除渣水一起送入结晶分盐装置（19），进行盐类分类回收。