CN101890419A - 一种垃圾焚烧飞灰的处理方法 - Google Patents

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宋丽芸
黄敏
朱子彬
朱学栋
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Abstract

本发明公开了一种垃圾焚烧飞灰的处理方法，该方法是将垃圾焚烧飞灰与高温液态排渣气化炉的常规处理原料混合后，采用高温液态排渣气化炉处理。本发明的方法可以在不改变气化炉的工艺条件的情况下，将垃圾焚烧飞灰彻底地无害化处理，解决了垃圾焚烧处理中的一个大难题。

Description

一种垃圾焚烧飞灰的处理方法
技术领域
本发明属于环保及危险废弃物处理技术领域，具体的说，是关于一种垃圾焚烧飞灰的处理方法。
背景技术
随着我国社会经济的快速发展，城市人口的迅速增加以及人民生活水平的不断提高，城市垃圾问题已日益成为影响我国环境质量的突出问题。目前，我国城市人均垃圾年产量在450～500kg左右，垃圾每年还在以8～10％的速度递增。全国660座城市已有200多座处于垃圾的包围之中，垃圾问题已成为困扰我国城乡经济可持续发展的难题之一。
焚烧法因其高效快捷、减容显著、能源利用率高等优点已成为城市生活垃圾的主要处理方式之一。近年来我国的垃圾焚烧企业迅速增加，已有或正在建设的大型垃圾发电厂近80家，小型医疗垃圾焚烧企业已有100多家。虽然不少国际知名厂家在研究更先进、污染更小的处理技术，并且已达到相当规模，如热解法、气化熔融法等，但到目前为止，焚烧处理垃圾仍然是发达国家垃圾处理的主流发展技术。如日本全国90％以上的垃圾采用焚烧处理，意大利罗马市垃圾焚烧率超过70％，新加坡的生活垃圾焚烧率已达100％。
随着垃圾焚烧处理技术的广泛使用，焚烧飞灰的产量也呈明显的增加趋势。按照2002年的垃圾焚烧量计算，预计到2010年，我国仅城市生活垃圾焚烧产生的飞灰就将达到52万吨。而焚烧飞灰含有大量重金属和有机污染物(如二噁英等)，是国家标准(GB18485-2001)规定的危险废弃物，在最终处置前必须进行稳定化处理。目前垃圾焚烧厂对于飞灰大部分采取堆放、弃置的方式，或者加水调湿后直接送往填埋场填埋，只有少数焚烧厂将飞灰经水泥固化后送往填埋场处置。焚烧飞灰的资源化利用率低且占用了大量的土地，造成了环境污染，因此需寻找切实可行的垃圾飞灰资源化处理的方法。
目前，垃圾焚烧飞灰的处理主要包括以下几种方法：
一、水泥固化法：该方法工艺成熟，操作简单，原料廉价，但处理后增容比很大，给后续的运输与处理带来困难；而且，汞、铅以及六价铬等很难实现稳定化处理。此外，当前对水泥固化体在不同化学环境中的长期行为的认识还很不够，处理后飞灰存在长期稳定性的问题。
二、药剂处理法：该方法在实现无害化的同时，达到废物少增容或不增容，同时其设备费用及处理成本低廉，提高了危险废弃物处置系统的总体效率和经济性。但仍存在诸多不足，包括：稳定固化重金属的同时，对二噁英等有机物的效用甚微；产生的固化体只能放置在中性或弱碱性的环境中，否则重金属将会重新溶出污染环境；由于垃圾飞灰的多样性及差异性，还未找到一种适合各种垃圾飞灰的药剂，因此大规模应用化学药剂受到限制；飞灰处理后的脱水滤液中含溶解性盐类及悬浮状重金属类，极有可能造成二次污染。
三、熔融固化法：该方法是飞灰中的二噁英类分解及重金属处理的有效手段之一，客观上来说处理效果最好，相对于水泥固化和化学处理而言，熔融固化无害化彻底、减容减量程度高、产品性能稳定并可资源化再利用。但它仍存在诸多问题，如设备和技术多为国外引进，这使技术投资和设备再建费用极高。
目前，国际上单从技术发展趋势来看，气化熔融技术将成为21世纪废弃物处理技术的主流，它将气化与熔融技术融为一体，可从根本上解决传统垃圾焚烧飞灰中二噁英和重金属等二次污染的问题。但我国目前使用的垃圾气化熔融炉多为国外引进，故成本高，使用范围有限；国外(如日本)熔融炉主要是针对本国高发热值且有效分类的垃圾，不适合我国高水份、低热值和未有效分类的垃圾特点；现引进的设备自身也存在缺点：日处理量小，能耗大且熔融过程所产生的有机废气，富含重金属的烟灰需经烟气净化系统严格处理，否则易造成二次污染等。
高温液态排渣气化炉属于化工领域，现在普遍用于制氢、合成氨和生产甲醇等碳一化工产品以及IGCC联合循环发电。其工艺过程为：原料干煤粉(或石油焦粉、干煤粉与石油焦粉组成的混合物、煤浆、石油焦浆、煤与石油焦组成的混合浆)被输送至气化炉的烧嘴，然后在气化炉高温高压条件下和O2、蒸汽或CO2发生各种转化反应。通过控制加料量，调节氧量、蒸汽量或CO2量，使气化炉在1200～2000℃范围内运行，气化炉操作压力0.1～9.5MPa。反应生成的合成气(以CO+H2为主)净化后可用于制氢、合成氨和生产甲醇等化工产品以及IGCC联合循环发电。经激冷形成的玻璃体或熔渣为一种惰性物质由气化炉底排出。
发明内容
本申请的发明人经过长期的跨领域研究后发现，使用现有的在化工行业广泛应用的高温液态排渣气化炉，可以在不改变现有工艺的条件下，有效地处理垃圾焚烧飞灰，从而解决垃圾焚烧飞灰处理中的大难题。
因此，本发明的首要目的就在于提供一种新型的垃圾焚烧飞灰处理方法。
本发明的垃圾焚烧飞灰的处理方法是将垃圾焚烧飞灰与高温液态排渣气化炉的常规处理原料混合后，采用高温液态排渣气化炉处理。
根据本发明，所述垃圾焚烧飞灰与高温液态排渣气化炉的常规处理原料的混合比例优选的应满足：共混物相对应的熔渣熔融流动温度介于气化炉操作温度范围之内。
具体的，所述垃圾焚烧飞灰与干煤粉、石油焦粉或干煤粉与石油焦粉的混合物的重量比为0.0001∶100～50∶100；所述垃圾焚烧飞灰与煤浆、石油焦浆或煤与石油焦组成的混合浆的重量比为0.0001∶154～50∶154。
根据本发明，所述高温液态排渣气化炉处理是使垃圾焚烧飞灰与高温液态排渣气化炉的常规处理原料的共混物在气化炉中和O2、蒸汽或CO2发生各种转化反应。
根据本发明，所述反应是在高温高压下进行；具体的，所述高温是指温度在1200～2000℃；所述高压是指压力在0.1～9.5MPa。
本发明的另一个方面，是提供了一种高温液态排渣气化炉用于处理垃圾焚烧飞灰的应用。
与现有的垃圾焚烧飞灰处理方法相比，本发明的处理方法具有以下优点：
一、本发明的设备条件成熟，操作连续，处理能力大，从而使处理费用大大降低。
二、本发明资源化利用飞灰程度高：飞灰中的二噁英等有机污染物同煤或石油焦一起被高温气化还原为CO和H2为主的合成气，经净化后可用于制氢、合成氨和生产甲醇等碳一化工产品以及IGCC联合循环发电，气化炉底部排出的玻璃体或熔渣，可作为建筑材料、路基材料或水泥材料，有很好的经济效益。
三、本发明环境效益好：污水量小且不含焦油、酚等，易于净化处理和循环使用，通过简单处理可实现达标排放；几乎无废气排放；系统排出的炉渣和飞灰含碳低，无二次污染。
附图说明
图1为现有高温液态排渣气化炉的工艺流程图。
图2为本发明的采用高温液态排渣气化炉处理垃圾焚烧飞灰的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，以具体实施例对本发明的垃圾焚烧飞灰的处理方法作进一步详细说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为现有高温液态排渣气化炉的工艺流程图。如图所示，原料(干煤粉、石油焦粉、干煤粉与石油焦粉组成的混合物、煤浆、石油焦浆、煤与石油焦组成的混合浆)被输送至气化炉的烧嘴(干煤粉、石油焦粉、干煤粉与石油焦粉组成的混合物通过高压N2或CO2输送，而煤浆、石油焦浆、煤与石油焦组成的混合浆则通过高压泵输送)，然后在气化炉中于高温高压条件下(温度1200～2000℃，压力0.1～9.5MPa)和O2、蒸汽或CO2发生各种转化反应，反应后的合成气(以CO+H2为主)经净化后可用于制氢、合成氨和生产甲醇等碳一化工产品以及IGCC联合循环发电等。而气化炉底部排出的高温炉渣经激冷后形成无二次污染的玻璃体或熔渣，可以用作建筑材料、路基材料或水泥材料。
如图2所示，为本发明的采用高温液态排渣气化炉处理垃圾焚烧飞灰的工艺流程图。本发明采用现有高温液态排渣气化炉的工艺，即在不改变现有气化炉的工艺条件的情况下，将垃圾焚烧飞灰与高温液态排渣气化炉的常规处理原料(干煤粉、石油焦粉、干煤粉与石油焦粉组成的混合物、煤浆、石油焦浆、煤与石油焦组成的混合浆)以适当的比例混合，优选的是使共混物的熔渣熔融温度保持在气化炉的常规操作温度范围内，然后利用现有的高温液态排渣气化炉，使垃圾焚烧飞灰与高温液态排渣气化炉的常规处理原料一起在气化炉中和O2、蒸汽或CO2发生各种转化反应，从而彻底地无害化处理垃圾焚烧飞灰。
根据本发明，经气化炉高温处理后的合成气以H2和CO为主，干煤粉、石油焦粉或干煤粉与石油焦粉组成的混合物进料的气化炉制得的合成气中，CO+H2的含量达90％左右，而煤浆、石油焦浆或煤与石油焦组成的混合浆进料的气化炉制得的合成气中，CO+H2的含量达80％左右。
合成气经净化后可用于制氢、合成氨和生产甲醇等碳一化工产品以及IGCC联合循环发电等。而气化炉底部排出的高温炉渣经激冷后可形成无二次污染的玻璃体或熔渣，可以用作建筑材料、路基材料或水泥材料。
本发明的上下文中，所述“无害化处理”是指借助高温气化炉中进行的化学反应的特点，将垃圾焚烧飞灰与高温液态排渣气化炉的常规处理原料(干煤粉、石油焦粉、干煤粉与石油焦粉组成的混合物、煤浆、石油焦浆、煤与石油焦组成的混合浆)共混后送入气化炉中进行气化反应，一方面可以将飞灰(包括其中的重金属)和煤渣或石油焦渣在高温下熔融，经激冷后成为无二次污染的玻璃体或熔渣，另一方面可以将飞灰中的二噁英等永久性有机污染物在高温和强还原气氛下转化为CO、H2、HCl等小分子产物，避免了二噁英的再生成，从而实现飞灰中重金属和二噁英等有机污染物彻底无害化的工艺过程。
实施例1
合格的干煤粉与垃圾焚烧飞灰以适量比例混合使共混物相对应的熔渣熔融流动温度介于气化炉操作温度范围之内，本实施例中，所述垃圾焚烧飞灰与干煤粉的重量比为0.0001∶100，混合后共混物的熔渣熔融温度约为1450℃。
共混物以高压N2作为输送介质经气化炉烧嘴送至气化炉内，在1550℃、2.5MPa的条件下，与通过烧嘴另一路进入气化炉中的O2和蒸汽发生各种转化反应。
反应后的合成气由气化炉上部排出，高温炉渣则由气化炉底部排出。
经测定，反应后的合成气以H2和CO为主，约占91％，二噁英的含量＜0.002ng-TEQ/Nm3；飞灰中的重金属和煤渣在高温下熔融，形成无二次污染的玻璃体。
这些高温合成气经激冷、辐射锅炉及对流锅炉间接换热回收热量(废锅流程)后，然后通过洗气除尘和进一步降温，使含尘量小于1mg/m3。
实施例2
合格的干煤粉与垃圾焚烧飞灰以适量比例混合使共混物相对应的熔渣熔融流动温度介于气化炉操作温度范围之内，本实施例中，所述垃圾焚烧飞灰与干煤粉的重量比为25∶100，混合后共混物的熔渣熔融温度约为1400℃。
共混物以高压CO2作为输送介质经气化炉烧嘴送至气化炉内，在1500℃、3.0MPa的条件下，与通过烧嘴另一路进入气化炉中的O2和蒸汽发生各种转化反应。
反应后的合成气由气化炉上部排出，高温炉渣则由气化炉底部排出。
经测定，反应后的合成气以H2和CO为主，约占88％，二噁英的含量＜0.002ng-TEQ/Nm3；飞灰中的重金属和煤渣在高温下熔融，形成无二次污染的玻璃体。
这些高温合成气经激冷、辐射锅炉及对流锅炉间接换热回收热量(废锅流程)后，然后通过洗气除尘和进一步降温，使含尘量小于1mg/m3。
实施例3
合格的干煤粉与垃圾焚烧飞灰以适量比例混合使共混物相对应的熔渣熔融流动温度介于气化炉操作温度范围之内，本实施例中，所述垃圾焚烧飞灰与干煤粉的重量比为50∶100，混合后共混物的熔渣熔融温度约为1430℃。
共混物以高压CO2作为输送介质经气化炉烧嘴送至气化炉内，在1550℃、2.5MPa的条件下，与通过烧嘴另一路进入气化炉中的O2和蒸汽发生各种转化反应。
反应后的合成气由气化炉上部排出，高温炉渣则由气化炉底部排出。
经测定，反应后的合成气以H2和CO为主，约占89％，二噁英的含量＜0.002ng-TEQ/Nm3；飞灰中的重金属和煤渣在高温下熔融，形成无二次污染的玻璃体。
这些高温合成气经激冷、辐射锅炉及对流锅炉间接换热回收热量(废锅流程)后，然后通过洗气除尘和进一步降温，使含尘量小于1mg/m3。
实施例4
合格的煤浆与垃圾焚烧飞灰以适量比例混合使共混物相对应的熔渣熔融流动温度介于气化炉操作温度范围之内，本实施例中，所述垃圾焚烧飞灰与煤浆的重量比为0.0001∶154，混合后共混物的熔渣熔融温度约为1250℃。
共混物采用高压泵经气化炉烧嘴送至气化炉内，在1320℃、4.5MPa的条件下，与通过烧嘴另一路进入气化炉中的O2发生各种转化反应。
反应后的合成气由气化炉下部排出，高温炉渣则由气化炉底部排出。
经测定，反应后的合成气以H2和CO为主，约占80％，二噁英的含量＜0.002ng-TEQ/Nm3；飞灰中的重金属和煤渣在高温下熔融，形成无二次污染的熔渣。
这些高温合成气经辐射锅炉及直接在水中冷却(激冷流程)后，然后通过洗气除尘和进一步降温，使含尘量小于1mg/m3。
实施例5
合格的煤浆与垃圾焚烧飞灰以适量比例混合使共混物相对应的熔渣熔融流动温度介于气化炉操作温度范围之内，本实施例中，所述垃圾焚烧飞灰与煤浆的重量比为25∶154，混合后共混物的熔渣熔融温度约为1270℃。
共混物采用高压泵经气化炉烧嘴送至气化炉内，在1350℃、6.0MPa的条件下，与通过另一管路进入气化炉中的O2发生各种转化反应。
反应后的合成气由气化炉下部排出，高温炉渣则由气化炉底部排出。
经测定，反应后的合成气以H2和CO为主，约占79％，二噁英的含量＜0.002ng-TEQ/Nm3；飞灰中的重金属和煤渣在高温下熔融，形成无二次污染的熔渣。
这些高温合成气经辐射锅炉及直接在水中冷却(激冷流程)后，然后通过洗气除尘和进一步降温，使含尘量小于1mg/m3。
实施例6
合格的煤浆与垃圾焚烧飞灰以适量比例混合使共混物相对应的熔渣熔融流动温度介于气化炉操作温度范围之内，本实施例中，所述垃圾焚烧飞灰与煤浆的重量比为50∶154，混合后共混物的熔渣熔融温度约为1300℃。
共混物采用高压泵经气化炉烧嘴送至气化炉内，在1400℃、5.0MPa的条件下，与通过另一管路进入气化炉中的O2发生各种转化反应。
反应后的合成气由气化炉下部排出，高温炉渣则由气化炉底部排出。
经测定，反应后的合成气以H2和CO为主，约占80％，二噁英的含量＜0.002ng-TEQ/Nm3；飞灰中的重金属和煤渣在高温下熔融，形成无二次污染的熔渣。
这些高温合成气经辐射锅炉及直接在水中冷却(激冷流程)后，然后通过洗气除尘和进一步降温，使含尘量小于1mg/m3。
实施例7
合格的煤粉及石油焦粉与垃圾焚烧飞灰以适量比例混合使共混物相对应的熔渣熔融流动温度介于气化炉操作温度范围之内，本实施例中，所述垃圾焚烧飞灰与石油焦粉、煤粉的重量比为10∶20∶100，混合后共混物的熔渣熔融温度约为1400℃。
共混物以高压N2作为输送介质经气化炉烧嘴送至气化炉内，在1500℃、2.5MPa的条件下，与通过烧嘴另一路进入气化炉中的O2和蒸汽发生各种转化反应。
反应后的合成气由气化炉上部排出，高温炉渣则由气化炉底部排出。
经测定，反应后的合成气以H2和CO为主，约占90％，二噁英的含量＜0.002ng-TEQ/Nm3；飞灰中的重金属和煤渣在高温下熔融，形成无二次污染的玻璃体。
这些高温合成气经激冷、辐射锅炉及对流锅炉间接换热回收热量(废锅流程)后，然后通过洗气除尘和进一步降温，使含尘量小于1mg/m3。
实施例8
合格的煤浆及石油焦浆与垃圾焚烧飞灰以适量比例混合使共混物相对应的熔渣熔融流动温度介于气化炉操作温度范围之内，本实施例中，所述垃圾焚烧飞灰与石油焦浆、煤浆的重量比为20∶20∶154，混合后共混物的熔渣熔融温度约为1250℃。
共混物采用高压泵经气化炉烧嘴送至气化炉内，在1350℃、4.5MPa的条件下，与通过另一管路进入气化炉中的O2发生各种转化反应。
反应后的合成气由气化炉下部排出，高温炉渣则由气化炉底部排出。
经测定，反应后的合成气以H2和CO为主，约占79％，二噁英的含量＜0.002ng-TEQ/Nm3；飞灰中的重金属和煤渣在高温下熔融，形成无二次污染的熔渣。
这些高温合成气经辐射锅炉及直接在水中冷却(激冷流程)后，然后通过洗气除尘和进一步降温，使含尘量小于1mg/m3。
本发明以现有高温液态排渣气化炉为处理设备，通过将垃圾焚烧飞灰与高温液态排渣气化炉的常规处理原料(干煤粉、石油焦粉、干煤粉与石油焦粉组成的混合物、煤浆、石油焦浆、煤与石油焦组成的混合浆)混合后，在不改变气化炉的工艺条件的情况下，将垃圾焚烧飞灰彻底地无害化处理，解决了垃圾焚烧处理中的一个大难题。
由于我国各地目前使用的高温液态排渣气化炉的数量较多，加上垃圾焚烧飞灰的处理无需改变现有高温液态排渣气化炉的工艺条件，因此具有设备条件成熟、成本低廉、操作连续、处理能力大等优点，非常符合我国的国情。
本发明的方法还具有垃圾焚烧飞灰的无害化处理程度高、不受垃圾飞灰多样性的影响、环境效益好等优点，为我国的城市垃圾焚烧飞灰处理提供了一条新型的绿色技术途径。加上经气化炉处理后的合成气可以按照现有方式用于合成氨和生产甲醇等碳一化学品，以及IGCC联合循环发电，而激冷后形成的玻璃体或熔渣可用作建筑材料、路基材料或水泥材料等，因此同时也是“节能环保”的很好体现。

Claims (9)

1.一种垃圾焚烧飞灰的处理方法，其特征在于：所述方法是将垃圾焚烧飞灰与高温液态排渣气化炉的常规处理原料混合后，采用高温液态排渣气化炉处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述垃圾焚烧飞灰与高温液态排渣气化炉的常规处理原料的混合比例满足：共混物相对应的熔渣熔融流动温度介于气化炉操作温度范围之内。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：高温液态排渣气化炉的常规处理原料包括：干煤粉、石油焦粉、干煤粉与石油焦粉的混合物、煤浆、石油焦浆、煤与石油焦的混合浆。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述共混物中垃圾焚烧飞灰与干煤粉、石油焦粉、或干煤粉与石油焦粉的混合物的重量比为0.0001∶100～50∶100。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述共混物中垃圾焚烧飞灰与煤浆、石油焦浆、或煤与石油焦的混合浆的重量比为0.0001∶154～50∶154。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述高温液态排渣气化炉处理是使垃圾焚烧飞灰与高温液态排渣气化炉的常规处理原料的共混物在气化炉中和O2、蒸汽或CO2发生各种转化反应。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述反应是在高温高压下进行。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述高温是指温度在1200～2000℃，所述高压是指压力在0.1～9.5MPa。
9.一种高温液态排渣气化炉的应用，其特征在于：用于无害化处理垃圾焚烧飞灰。
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