CN113680795A - 一种垃圾焚烧飞灰与多源固废高能效协同处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垃圾焚烧飞灰与多源固废高能效协同处理的方法。该方法是将底灰、煤灰、玻璃粉、市政污泥与垃圾焚烧飞灰进行配料，所得混合料通过粉碎混匀后，进行熔融处理和冷却处理，该方法可有效分解垃圾焚烧飞灰与其他固体废弃物中的有毒有害有机物，降低其体积，并且可以使得不易挥发的重金属固化在熔融产物的玻璃体晶格中，降低其浸出风险与毒性，将易挥发重金属富集于二次烟灰中，使其达到冶金所需原料品位要求，便于高附加值重金属的回收。此方法达到了垃圾焚烧飞灰与多源固废的高能效、无害化、减容化效果，并且实现了工业的节能利用。

Description

一种垃圾焚烧飞灰与多源固废高能效协同处理的方法
技术领域
本发明涉及一种固废处理方法，具体涉及一种垃圾焚烧飞灰与底灰、煤灰、玻璃粉以及市政污泥等多源固废协同搭配实现低温高能效熔融处理的方法，属于固体废弃物处理领域。
背景技术
根据中国国家***数据，目前中国市政垃圾处置总量为2.4亿吨。在中国，大约45％的市政垃圾通过焚烧处理，其减容量可达70％，且有着很高的资源回收率。由于市政垃圾的急剧增加与焚烧，垃圾飞灰的产量正在以每年5％～10％的频率增加。飞灰主要来自于垃圾焚烧炉后部的空气污染物净化设备，由于含有高碱金属氯化物，重金属，多氯二噁英和呋喃，其属于危险废弃物，飞灰若处置不当将对环境和人体健康造成严重危害，无法安全地处置垃圾焚烧飞灰是目前垃圾焚烧工业发展的瓶颈。
处置这些危险废弃物具有挑战性且成本高昂。目前，在中国大多数飞灰的处置方法是安全填埋与水泥窑固化，因为这种方法实施简单，并且具有相对低的花费。然而，随着经济发展，土地资源日益紧缺，填埋场的负荷随着急剧上升，填埋的处理方法受到制约，而且填埋消耗了大量的螯合剂，并且伴随着重金属再次浸出的风险。同时，这种填埋的处理方法不符合绿色环保的理念，没有达到固废利用的目的。
相比之下，熔融处理生成玻璃体的方法能够避免水洗预处理的步骤以及螯合剂的使用，降低了能源与资源的消耗。而且，熔融处理的方法能够使得不易挥发重金属得到有效的固化，易挥发重金属在二次灰中进行富集、回收、再利用。在熔融的高温过程中，能够将飞灰中含有的呋喃、二噁英等有毒有害有机物分解。然而，熔融技术的设备操作是高能耗的，因此，降低熔融温度使得能源消耗减少是目前的首要任务。
目前，有研究表明B2O3等助熔剂可有效降低熔融温度，但大量添加剂的使用违背了固体废弃物处理“以废治废”的绿色循环发展模式，另有研究表明垃圾焚烧飞灰的主要灰组分对于灰熔融温度有重要影响。因此通过开发一种调控垃圾飞灰主要组分比例的方法，达到降低飞灰熔融温度的目的，从而降低熔融所需热量，提高能效，节约能耗，对于垃圾焚烧飞灰熔融处理的成本控制，以及熔渣的回收利用具有显著意义。为工业节能利用提供有价值的信息。
发明内容
针对现有熔融法处理垃圾焚烧飞灰等固废的过程中存在熔融温度高、低能效以及熔融设备寿命短等缺陷，而从外部添加大量助剂来降低熔融温度，会导致处理成本提高等问题，本发明的目的在于提供一种垃圾焚烧飞灰与多源固废高能效协同处理的方法，该方法将底灰、煤灰、玻璃粉、市政污泥等多源固废与垃圾焚烧飞灰协同处理，充分利用这些固废组分中本身包含的化学成分，在不额外添加助熔剂等化学资源的情况下，实现低温高能效熔融，使得垃圾焚烧飞灰的处理实现高能效、无害化、减容化的效果，且在垃圾焚烧飞灰熔融处理过程中能够协同消纳底灰、煤灰、玻璃粉、市政污泥等多源固废，实现“以废治废”的目的，同时，熔融过程产生的二次灰中富集了大量易挥发重金属，可将其作为冶金原料，便于高附加值重金属的回收，实现熔融处理过程减少、再利用和再循环的原则。
本发明提供了一种垃圾焚烧飞灰与多源固废高能效协同处理的方法，该方法是将底灰、煤灰、玻璃粉、市政污泥与垃圾焚烧飞灰进行配料，所得混合料通过粉碎混匀后，进行熔融处理和冷却处理。
本发明技术方案将底灰、煤灰、玻璃粉、市政污泥与垃圾焚烧飞灰等固废协同处理，充分利用其本身包含的化学成分起到助熔作用，以降低熔融温度，同时形成有效的固化玻璃体，实现重金属的有效固结，减少二次污染，此外，利用垃圾焚烧飞灰中的氯元素等实现各种固废中包含的易挥发重金属在二次烟灰中进行富集，实现回收、再利用。
作为一个优选的方案，所述混合料的化学组成同时满足：CaO+SiO2+Al2O3的质量百分比含量≥64％；K2O+Na2O+MgO+Fe2O3的质量百分比含量为11～17％；由CaO-SiO2-Al2O3构成的三元体系中CaO 20～50wt％，SiO2 40～60wt％，Al2O310～20wt％。将多种固废按照优选的化学组成范围进行配料，在无需添加助熔剂等额外添加剂的条件下，不但可以充分利用其本身包含的化学成分形成稳定的玻璃相，实现难挥发重金属的有效固结，而且可以形成低熔点混合物，促进液相的低温生成，从而有效降低熔融温度，达到降低能耗的目的。
作为一个优选的方案，所述混合料粉碎至粒度小于74μm，且粒度小于48μm的粒级质量百分比含量达到65％以上。通过控制混合料的粉碎粒度，增加颗粒间接触面积，使其固相反应更易进行，提高处理过程的能效。
作为一个优选的方案，所述熔融处理的条件为：温度为1110～1200℃，时间为15～30min。
作为一个优选的方案，所述熔融处理通过侧吹熔融炉、真空感应炉或等离子熔融炉实现。
作为一个优选的方案，所述冷却处理采用水淬方式实现，水淬过程中控制水渣质量比≥8，冷却速率不低于200℃/s。优选的方案通过采用水淬的冷却方式易于实现高于200℃/s的速度快速冷却，有效避免二噁英二次的生成。而控制冷却过程中水渣质量比足够大，能够减少冷却水温度上升，防止水蒸气的产生引发***。
作为一个优选的方案，所述熔融处理过程中产生的二次烟灰通过除尘收集作为冶金原料。二次烟灰中主要为Zn、Pb等低沸点易挥发金属的富集物，通过除尘收集可以作为冶金原料，这些金属的主要存在形式为氧化物、氯化物和硫化物等。
作为一个优选的方案，所述飞灰的粒度小于50μm，且粒度小于20μm的粒级质量百分比含量达到60％以上。
本发明涉及的底灰为常见的垃圾焚烧设施底部排出的灰渣。
本发明涉及的煤灰为常见的燃煤锅炉焚烧后形成的粉末。
本发明涉及的玻璃粉为常见的废弃玻璃瓶粉碎后的粉体。
本发明涉及的市政污泥为常见的污水厂污水处理后产生的污泥。
本发明涉及的垃圾焚烧飞灰为炉排炉焚烧炉或流化床焚烧炉烟气处理装置产生的飞灰。
与已有技术相比，本发明技术方案有益技术效果：
1)本发明技术方案可以同时实现底灰、煤灰、玻璃粉、市政污泥以及垃圾焚烧飞灰等多源固废的无害化熔融处理，彻底实现了“以废治废”、“变废为宝”。
2)本发明技术方案采用将多源固废与垃圾焚烧飞灰混合粉碎的方法，可有效减少粉碎后粉末的重新聚集趋向，使得粉碎与混合同时进行，提高生产效率，同时通过控制混合料的破碎粒度，能够有效增加颗粒间接触面积，提高固体颗粒表面反应活性，使其固相反应更易进行，提高处理过程的能效。
3)本发明技术方案根据垃圾焚烧飞灰等多种固体废弃物的化学组成不同的特性，在无需添加助熔剂等额外添加剂的条件下，通过将垃圾焚烧飞灰与其他固废通过协同搭配，充分利用多源固废中本身包含的化学组分，形成低熔点混合物，促进液相的低温生成，降低熔融温度，提高能效，节约处理成本，同时形成稳定的玻璃相，实现难挥发重金属的有效固结。
4)本发明技术方案可以在熔融过程中充分利用垃圾焚烧飞灰中的氯来将部分易挥发金属富集在二次烟灰中，使其达到冶金所需原料品位要求，便于高附加值重金属的回收，增加熔融处理过程的附加值。
5)本发明技术方案采用水淬的冷却方式，以不低于200℃/s的速度冷却，有效避免二噁英二次的生成，同时控制冷却过程中水渣质量比≥8，减少冷却水温度上升，防止蒸气的产生，避免***。
6)本发明技术方案可解决飞灰大量填埋的现有方式，缓解土地压力，实现无毒无害减容处理，处理后产物重量减少30～40％，体积减少80％以上。
7)本发明技术方案的熔融过程无二噁英的二次生成，且所得玻璃体浸出毒性符合国家标准。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
实施例中用到的飞灰、底灰、煤灰、玻璃粉、市政污泥的原料成分
表1飞灰与污泥的主要化学组成/％
Figure BDA0003225158590000051
实施例1
将飞灰与污泥、玻璃粉、煤灰、底灰按质量比3：3：1：1：2进行复配，得混合料的化学组成为：CaO+SiO2+Al2O3＝69.7％；K2O+Na2O+MgO+Fe2O3＝12.8％；CaO-SiO2-Al2O3三元体系中其相对含量分别为：CaO32.6％、SiO2 54.2％、Al2O313.2％。将混合料放入破碎机中进行破碎混匀，使混合料颗粒粒度为-74μm，其中-48μm占比达到70％以上。后放入熔融炉中以1150℃，加热20min。后排出，经水淬冷却，水渣质量比为10，冷却速度为不低于300℃/s，所得玻璃体重量减少39％，体积减少率达到92％，经检测，玻璃体重金属浸出毒性符合国家标准。二次烟灰通过集尘收集作为铅锌冶炼原料使用，整个熔融和冷却过程无二噁英等有害气体二次生成。所得体系高温熔融特性如表所示：
变形温度/℃ 软化温度/℃ 半球温度/℃ 流动温度/℃
1176 1194 1201 1207
实施例2
将飞灰与污泥、玻璃粉、煤灰、底灰按质量比4：2：1：1：2进行复配，得混合料的化学组成为：CaO+SiO2+Al2O3＝69.0％；K2O+Na2O+MgO+Fe2O3＝11.7％；CaO-SiO2-Al2O3三元体系中其相对含量分别为：CaO40.9％、SiO247.9％、Al2O311.2％。将混合料放入破碎机中进行破碎混匀，使混合料颗粒粒度为-74μm，其中-48μm占比达到85％以上。后放入熔融炉中以1100℃，加热30min。后排出，经水淬冷却，水渣质量比为8，冷却速度为不低于200℃/s，所得玻璃体重量减少30％，体积减少率达到90％，经检测，玻璃体重金属浸出毒性符合国家标准。二次烟灰通过集尘收集作为铅锌冶炼原料使用，整个熔融和冷却过程无二噁英等有害气体二次生成。所得体系高温熔融特性如表所示：
变形温度/℃ 软化温度/℃ 半球温度/℃ 流动温度/℃
1190 1206 1207 1212
实施例3
将飞灰与污泥、玻璃粉、煤灰、底灰按质量比5：2：1：1：1进行复配，得混合料的化学组成为：CaO+SiO2+Al2O3＝68.5％；K2O+Na2O+MgO+Fe2O3＝11.2％；CaO-SiO2-Al2O3三元体系中其相对含量分别为：CaO47.4％、SiO2 42.4％、Al2O310.2％。将混合料放入破碎机中进行破碎混匀，使混合料颗粒粒度为-74μm，其中-48μm占比达到80％以上。后放入熔融炉中以1200℃，加热15min。后排出，经水淬冷却，水渣质量比为9，冷却速度为不低于240℃/s，所得玻璃体重量减少37％，体积减少率达到90％，经检测，玻璃体重金属浸出毒性符合国家标准。二次烟灰通过集尘收集作为铅锌冶炼原料使用，整个熔融和冷却过程无二噁英等有害气体二次生成。所得体系高温熔融特性如表所示：
变形温度/℃ 软化温度/℃ 半球温度/℃ 流动温度/℃
1190 1206 1208 1215
对比实施例1
将单独飞灰进行熔融处理，其化学组成为：CaO+SiO2+Al2O3＝62.1％；
K2O+Na2O+MgO+Fe2O3＝7.39％；CaO-SiO2-Al2O3三元体系中其相对含量分别为：CaO94.1％、SiO2 4.5％、Al2O3 1.4％。将混合料放入破碎机中进行破碎混匀，使混合料颗粒粒度为-74μm，其中-48μm占比达到70％以上。后放入熔融炉中以1150℃，加热20min。后排出，经水淬冷却，水渣质量比为10，冷却速度为不低于300℃/s。所得产物中可见大量块状固结渣，未完全形成玻璃体。所得体系高温熔融特性如表所示：
变形温度/℃ 软化温度/℃ 半球温度/℃ 流动温度/℃
1201 1310 1465 1480
对比实施例2
将飞灰与污泥、玻璃粉、煤灰、底灰按质量比6：1：0.5：0.5：2进行复配，得混合料的化学组成为：CaO+SiO2+Al2O3＝66.1％；K2O+Na2O+MgO+
Fe2O3＝10.0％；CaO-SiO2-Al2O3三元体系中其相对含量分别为：CaO59.2％、SiO233.3％、Al2O37.6％。将混合料放入破碎机中进行破碎混匀，使混合料颗粒粒度为-74μm，其中-48μm占比达到85％以上。后放入熔融炉中以1100℃，加热30min。后排出，经水淬冷却，水渣质量比为8，冷却速度为不低于200℃/s。所得产物中可见大量块状固结渣，未完全形成玻璃体。所得体系高温熔融特性如表所示：
变形温度/℃ 软化温度/℃ 半球温度/℃ 流动温度/℃
1243 1324 1396 1476
对比实施例3
将飞灰与污泥、玻璃粉、煤灰、底灰按质量比1：9：0：0：0进行复配，得混合料的化学组成为：CaO+SiO2+Al2O3＝67.6％；K2O+Na2O+MgO+Fe2O3＝16.9％；CaO-SiO2-Al2O3三元体系中其相对含量分别为：CaO12.7％、SiO2 66.6％、Al2O3 20.7％。将混合料放入破碎机中进行破碎混匀，使混合料颗粒粒度为-74μm，其中-48μm占比达到80％以上。后放入熔融炉中以1200℃，加热15min。后排出，经水淬冷却，水渣质量比为9，冷却速度为不低于240℃/s。所得产物中可见部分块状固结渣，未完全形成玻璃体。所得体系高温熔融特性如表所示
变形温度/℃ 软化温度/℃ 半球温度/℃ 流动温度/℃
1211 1271 1289 1313
对比实施例4：
将飞灰与污泥、玻璃粉、煤灰、底灰按质量比4：2：1：1：2进行复配，得混合料的化学组成为：CaO+SiO2+Al2O3＝69.0％；K2O+Na2O+MgO+Fe2O3＝11.7％；CaO-SiO2-Al2O3三元体系中其相对含量分别为：CaO40.9％、SiO2 47.9％、Al2O3 11.2％。将混合料放入破碎机中进行破碎混匀，至粒度为-198μm，其中-150μm占比为45％。后放入熔融炉中以1100℃，加热30min。后排出，经水淬冷却，水渣质量比为8，冷却速度为不低于200℃/s，所得产物中可见部分块状固结渣，未完全形成玻璃体。
由对比例1、2、3、4和实施例1、2、3可知，合适的原料化学组成以及适宜的颗粒粒度可大幅降低混合料熔点，使其熔融处理过程能耗更少，得到完全成型的玻璃体。

Claims (7)

1.一种垃圾焚烧飞灰与多源固废高能效协同处理的方法，其特征在于：将底灰、煤灰、玻璃粉、市政污泥与垃圾焚烧飞灰进行配料，所得混合料通过粉碎混匀后，进行熔融处理和冷却处理。
2.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧飞灰与多源固废高能效协同处理的方法，其特征在于：所述混合料的化学组成同时满足：
CaO+SiO2+Al2O3的质量百分比含量≥64％；
K2O+Na2O+MgO+Fe2O3的质量百分比含量为11～17％；
由CaO-SiO2-Al2O3构成的三元体系中CaO 20～50wt％，SiO2 40～60wt％，Al2O310～20％。
3.根据权利要求1或2所述的一种垃圾焚烧飞灰与多源固废高能效协同处理的方法，其特征在于：所述混合料粉碎至粒度小于74μm，且粒度小于48μm的粒级质量百分比含量达到65％以上。
4.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧飞灰与多源固废高能效协同处理的方法，其特征在于：所述熔融处理的条件为：温度为1110～1200℃，时间为15～30min。
5.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧飞灰与多源固废高能效协同处理的方法，其特征在于：所述熔融处理通过侧吹熔融炉、真空感应炉或等离子熔融炉实现。
6.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧飞灰与多源固废高能效协同处理的方法，其特征在于：所述冷却处理采用水淬方式实现，水淬过程中控制水渣质量比≥8，冷却速率不低于200℃/s。
7.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧飞灰与多源固废高能效协同处理的方法，其特征在于：所述熔融处理过程中产生的二次烟灰通过除尘收集作为冶金原料。
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