CN102180593A - 用等离子气化炉由固体废弃物生产矿棉的方法 - Google Patents

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游家明
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Abstract

本发明涉及建材生产、环保、能源等技术领域，具体涉及采用等离子气化炉气化处理城市固体废弃物产生的热熔渣直接生产矿棉制品。该方法包括：在等离子气化炉内处理城市固体废弃物，获得玻璃态热熔渣；所述玻璃态热熔渣未经冷却直接从等离子气化炉底部通过保温出料道流入保温调节池；根据在线检测装置所测得的热熔渣参数往保温调节池中添加矿物辅料；经调节后的玻璃态热熔渣通过保温调节池的出料口进入矿棉生产系统，由此制得矿棉。与现有技术中的矿棉生产方法相比，本发明用等离子气化炉由城市固体废弃物生产矿棉的方法具有环保、节能、经济上成本低以及可循环利用资源的优点。

Description

用等离子气化炉由固体废弃物生产矿棉的方法
技术领域
本发明主要涉及建材生产、环保、能源等技术领域，具体涉及采用等离子气化炉气化处理城市固体废弃物产生的热熔渣直接生产矿棉制品。
背景技术
矿棉是一种由硅酸盐熔融物制得的蓬松状短细纤维，具有质轻、导热系数小、不燃烧、防蛀、价廉、耐腐蚀、化学稳定性好、吸声性能好等特点。可用于建筑物的填充绝热、吸声、隔声、制氧机和冷库保冷及各种热力设备填充隔热等。按所用的原料可分为岩棉和矿渣棉两大类。岩棉是以天然岩石如玄武岩、辉长岩、白云石、铁矿石、铝矾土等为主要原料，经高温熔化、纤维化而制成的无机质纤维。该方法需要大量开采天然岩石，易造成植被破坏，水土流失、占用土地等环境问题。而且，天然岩石要经过高温熔化，需要消耗大量的能源。矿渣棉是以工业废料矿渣如高炉矿渣、磷矿渣、粉煤灰等为主要原料，经高温熔化、采用高速离心法或喷吹法等工艺制成的棉丝状无机纤维。这种方法适用范围小，仅针对高炉矿渣等小范围原料；而且，这种方法也需要消耗大量的能源。在国家提倡节能减排的背景下，现有技术中的这些方法受到的制约也越来越大；在环境保护、资源循环利用方面受到的压力也越来越大。
另一方面，等离子气化技术是国际上一种先进的气化技术，它主要被应用于城市固体废弃物处理、煤气化处理、生物质气化处理领域。热等离子体放电产生的电弧具有极高的温度，其产生辐射热、对流传热以及电子引起的传热等，能够用它来熔融城市固体废物，包括煤渣、生物质、居民生活垃圾等。在等离子气化过程中，炉反应腔上部的是气体，主要为CO、H2；下部的是玻璃态热熔渣。在现有技术中，所述上部的气体可用于发电、供热或用于生产其它燃料，可替代化石燃料。另一方面，由于城市固体废弃物成分复杂且性状不稳定，现有技术对下部玻璃态热熔渣的应用局限在将所述玻璃态热熔渣水冷却、降温处理后用形成的固体渣来制砖。显然，现有技术中的水冷却降温处理过程要消耗大量的水来吸收玻璃态热熔渣的热量，由此产生的大量热量会释放到大气中，不仅形成大气热污染，并且浪费了玻璃态热熔渣中所含的大量热能。因此，急需一种能妥善处理，并以更加经济、环保、节能和可循环地方式利用等离子气化技术中玻璃态热熔渣的方法。
发明内容
经过研究，申请人发现等离子气化炉产生的玻璃态热熔渣的温度高达1400℃以上，尤其是1600℃以上，并以玻璃态(近液态)方式从等离子气化炉底部流出。通过对等离子气化炉排出的热熔渣进行模拟测试后发现，其熔渣的玻璃态无定形程度优良，析晶倾向小，表现出优良的结构稳定性，其酸度系数Mk在1.2以上，酸碱指数pH值在4-8之间。由此，本申请发明人创造性地发现通过适当添加少量的CaO、Al2O3、CaF2等矿物辅料，调节该玻璃态热熔渣的粘度和酸碱度指数等，该玻璃态热熔渣无需冷却便适用高速离心法或喷吹法等工艺，直接用于制造矿棉。由此制得的矿棉稳定性达到中等以上，其质量标准达到国家矿棉质量标准例如，GB11835-2007绝热用岩棉、矿渣棉及其制品。而在现有技术中并未提及通过等离子气化炉直接处理城市固体废弃物，并利用产生的高温玻璃体热熔渣直接生产岩矿棉制品。
本发明提供一种用等离子气化炉由城市固体废弃物生产矿棉的方法，所述方法包括以下步骤：
a.在等离子气化炉内处理城市固体废弃物，形成玻璃态热熔渣和低分子可燃气体化合物；
b.所述玻璃态热熔渣未经冷却直接从等离子气化炉底部通过保温出料道流入保温调节池；
c.根据保温出料道中的在线检测装置所测得的热熔渣参数，往保温调节池中添加矿物辅料，必要时并调节该矿物辅料的用量；
d.所述经调节后的玻璃态热熔渣通过保温调节池的出料口进入矿棉生产系统，由此制得矿棉。
在本发明一个实施方式中，所述城市固体废弃物包含无机固体废弃物、有机生物质、居民生活垃圾、煤渣、工业有毒有害废弃物、医疗垃圾，以及它们的组合，这些固体废弃物通常情况下由政府环卫部门统一收集、清运。所述未经冷却的玻璃态热熔渣的温度高于1600℃。在步骤c中，所述热熔渣参数包括热熔渣流量、成分及其含量、以及pH参数。所述矿物辅料包含CaO、Al2O3、CaF2中的一种或多种。在等离子气化炉中的低分子可燃气体化合物包含一氧化碳和氢气。优选，本发明生产矿棉的方法还利用所述气体为保温调节池和矿棉生产系统提供能源。所述矿棉生产方法包括利用高速离心法或喷吹法生产矿棉，优选使用高速离心法。
与现有技术中传统的矿棉生产方法相比，本发明用等离子气化炉由城市固体废弃物生产矿棉的方法具有环保、节能、经济上成本低以及可循环利用资源的优点。
此外，考虑中国的现状，中国每年产生城市固体废弃物垃圾1.7亿吨，如果将其全部利用，则相当于1340万吨石油的能量。若全国20％到30％的城市垃圾采用气化处理，将形成一个300-400亿元人民币的环保设备市场。按中国垃圾年增长量及满足现有垃圾处理的需要，在今后五年每年约须投资建设20至30家日处理1000吨的垃圾处理厂。由此可见，本发明具有广阔的利用前景。
附图简述
图1显示了本发明用等离子气化炉由城市固体废弃物生产矿棉方法的流程图。
图2是垃圾飞灰的XRD谱。
图3是垃圾底灰的XRD图谱。
图4是毕节垃圾灰渣玻璃的DTA谱。
图5是毕节垃圾灰渣玻璃的XRD图谱。
图6是掺钙毕节垃圾灰渣玻璃的DTA谱。
图7是垃圾焚烧底渣玻璃的高温粘度曲线。
图8是垃圾焚烧全渣玻璃的高温粘度曲线。
图9是毕节垃圾灰渣玻璃的高温粘度曲线。
图10是掺钙毕节垃圾灰渣玻璃的高温粘度曲线。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的具体实施方式。应理解，这些具体实施方式不是要以任何方式限制本发明的范围。
如图1所示，所述城市固体废弃物从卸料库送入滚筒分筛装置，形成大块物料和小物料。其中，所述小物料可直接送入磁分选装置，而大块物料经人工分选和破碎之后也送入所述磁分选装置。然后，磁分选装置的出料优选和煤、焦炭等物料一并加入等离子气化炉(购自美国西屋公司)中。在等离子气化炉上部产生的气体用于发电供热等，产生的电力可上网或者自用。在等离子气化炉下部产生的玻璃态热熔渣通过保温出料道送入调节保温池，所述保温出料道和调节保温池可用电极保温，优选使用等离子气化炉上部气体产生的电力提供能量。所述玻璃态热熔渣经调节之后送入制棉系统，优选送入进行高速离心法或喷吹法制矿棉的装置中，由此制得矿棉。
以下具体实施方式对现有城市固体废弃物包括生活垃圾焚烧灰渣进行的实施例，其中进行垃圾焚烧灰渣分析、玻璃熔制试验和矿棉成型性能评价，确认所述城市固体废弃物用于生产矿棉制品的可行性。
1.生活垃圾灰渣的成分分析
利用SRS3400型X射线荧光光谱仪对上海城市固体废弃物焚烧处理后产生的灰渣进行化学成分分析，具体结果如表1所示：
表1 灰渣的化学成分
  SiO2   CaO   Al2O3   MgO   Na2O   K2O   P2O5   SO3   Cl   TiO2   Fe2O3   其他
  底灰   35.6   29.5   7.12   2.76   2.85   1.82   5.02   6.69   1.31   0.83   3.57   0.94
  飞灰   8.79   46.8   2.59   1.57   4-38   4.93   1.20   5.96   20.5   0.46   0.92   1.90
利用D/max2550VB3+/PC型X射线衍射仪(α-Cu靶)对垃圾灰渣进行晶相成分分析，具体结果如图2和3所示。由图可见，垃圾灰渣中大量存在各种晶态物质。
2.灰渣玻璃熔制试验
针对垃圾焚烧灰渣的化学成分及表观状态，分别以其为原料进行玻璃熔制试验。并根据焚烧灰渣的玻璃熔制试验结果，将上海垃圾焚烧全渣、毕节垃圾焚烧灰渣、以及加掺10％ CaO灰渣均能熔制成玻璃，在现行等离子炉的焚烧温度条件下，可以获得矿棉生产所需玻璃态热熔渣。
(1)对利用上海垃圾熔渣熔制的玻璃体进行成分分析，结果如表2所示：
表2 上海垃圾熔渣玻璃的化学成分
  SiO2   CaO   Al2O3   MgO   NazO   K2O   P2O5   ZnO   TiO2   Fe2O3   MnO   ZrO2   其他
  35.5   29.8   21.6   2.32   1.57   0.21   2.89   0.35   0.64   4.91   0.09   0.02   0.01
注：玻璃中部分Al2O3由熔制用刚玉坩埚引入
(2)对利用毕节(地名)垃圾熔渣熔制的玻璃体进行成分分析，结果如表3所示：
表3 毕节垃圾灰渣玻璃的化学成分
  SiO2   CaO   Al2O3   MgO   Na2O   K2O   P2O5   ZnO   TiO2   Fe2O3   BaO   Cl   MnO   ZrO2   其他
  40.9   20.3   22.2   1.77   1.62   0.87   0.69   0.20   1.68   900   0.34   0.19   0.07   0.15   0.02
注：玻璃中部分Al2O3由熔制用刚玉坩埚引入
由表3可见，毕节垃圾熔渣玻璃中SiO2含量较高，致使其熔融及成棉温度较高，但同时尤其制成的矿棉化学稳定性也明显变好。利用CRY-2型差热分析仪和D/max2550VB3+/PC型X射线衍射仪对毕节垃圾熔渣玻璃进行差热分析(DTA)和XRD分析，结果如图4和5所示。从图中可以看出，熔渣玻璃的无定形程度优良，玻璃转变温度在860℃左右，析晶温度在947℃以上，且析晶倾向很小，表现出优良的结构稳定性。在掺入10％CaO后，从图6可见，熔渣玻璃仍保持优良的结构稳定性，其玻璃转变温度在870℃左右，析晶温度在940℃以上，析晶倾向很小。
综上所述，利用上海垃圾熔渣为原料，在1460℃条件下进行玻璃熔制试验，结果可获得质量较好的玻璃态物质。利用毕节垃圾熔渣为原料，混合均匀后在1500℃条件下进行玻璃熔制试验，结果可获得质量较好的玻璃态物质。利用毕节垃圾熔渣为原料并外掺10％的CaO(石灰石)，混合均匀后在1500℃条件下进行玻璃熔制试验，结果获得质量较好的玻璃态物质。
3.矿棉成型性能评价
对上述生活垃圾灰渣玻璃进行成棉性能分析，其采用的方法包括：
根据中国国家标准“矿物棉及其制品试验方法-第一部分：总则(GB-T5480.1-2004)”和“矿物棉及其制品试验方法-第6部分：酸度系数(GB-T5480.6-2004)”之规定，根据生活垃圾灰渣玻璃的化学成分(质量分数)，计算得到灰渣玻璃的酸度系数，即：Mk＝(wSiO2+wAl2O3)/(wCaO+wMgO)。根据国内外矿岩棉生产控制标准，一般矿棉的酸度系数为1.0-1.47，岩棉的酸度系数为1.4-2.0。
同时根据行业规定，采用酸碱指数考核材料的耐水性能，根据灰渣玻璃的化学成分(质量分数)计算而得，即：
pH＝-0.0602wSiO2-0.12wAl2O3+0.232wCaO+0.12wMgO+0.144wFe2O3+0.217wNa2O。
根据矿岩棉质量控制标准，矿棉的耐水性分为5级，即：pH＜4为特别稳定，pH＝4-5为稳定，pH＝5-6为中等稳定，pH＝6-7为不稳定，pH＞7为特别不稳定。
结合玻璃液旋转法高温粘度测定和GE-system无机玻璃工程师系统v2.5进行玻璃液高温粘度数值计算，确定生活垃圾灰渣熔融物在1000-1650℃附近的高温粘度，为喷棉工艺及喷棉温度选定提供参考数据。
根据生活垃圾焚烧灰渣的化学成分分析、玻璃熔制试验和性能分析，对其矿棉成型性能进行评判分析。
对上述生活垃圾灰渣玻璃进行成棉性能分析，具体分析结果如下：
a.上海垃圾焚烧底渣玻璃：
酸度系数：Mk：1.38，满足矿棉成型(Mk＝1.0-1.4)要求；
酸碱指数：pH＝5.3，中等稳定；
熔融温度：1350-1400℃；
1550℃粘度(1gη，泊)：约1.9；
1600℃粘度(1gη，泊)：约1.82；
1650℃粘度(1gη，泊)：约1.76；
其中，该垃圾焚烧底渣玻璃的高温粘度曲线可见图7。
b.上海垃圾焚烧全渣(包含4∶1的底渣和飞灰)玻璃：
酸度系数：Mk＝1.06，满足矿棉成型要求；
酸碱指数：pH＝8.3，稳定性较差；
熔融温度：1450-1500℃；
1550℃粘度(1gη，泊)：约1.47；
1600℃粘度(1gη，泊)：约1.41；
1650℃粘度(1gη，泊)：约1.36；
其中，该垃圾焚烧全渣玻璃的高温粘度曲线可见图8。
c.毕节垃圾灰渣玻璃
酸度系数：Mk＝2.15-2.86(含由刚玉坩埚引入Al2O3)，酸度系数偏高；
酸碱指数：pH＝1.63-3.45，稳定性非常好；
熔融温度：1500-1550℃；
1550℃粘度(1gη，泊)：约2.32；
1600℃粘度(1gη，泊)：约2.22；
1650℃粘度(1gη，泊)：约2.14；
其中，该毕节垃圾灰渣玻璃的高温粘度曲线可见图9。
d.毕节垃圾灰渣加掺石灰石(+10wt％CaO)玻璃
酸度系数：Mk＝1.49-1.96，满足矿棉(岩棉，Mk：1.4-2.0)成型要求；
酸碱指数：pH＝3.95-5.77，稳定性好；
熔融温度：1450-1500℃；
1550℃粘度(1gη，泊)：约2.20；
1600℃粘度(1gη，泊)：约2.11；
1650℃粘度(1gη，泊)：约2.02；
其中，该掺钙毕节垃圾灰渣玻璃的高温粘度曲线如图10所示。
从上述分析和测定数据来看，利用生活垃圾焚烧灰渣可以生产矿棉织品，经组分微调其酸度系数可满足成棉要求。在实际生产过程中，可加入少量CaO、Al2O3、CaF2等辅料以调节喷棉粘度和酸碱指数，使矿棉稳定性达到中等以上，满足实际使用质量要求。另外，也可以在垃圾焚烧过程中少量引入(5.10％)左右的辅料以优化成棉工艺参数、提高产品质量。经过组分调整的矿棉织品质量可以达到建筑材料质量要求，可以制成各种高质量的矿棉板材，在建筑保温、隔音等领域有着广泛应用前景。

Claims (8)

1.一种用等离子气化炉由城市固体废弃物生产矿棉的方法，所述方法包括：
a.在等离子气化炉内处理城市固体废弃物，形成玻璃态热熔渣和低分子可燃气体化合物；
b.所述玻璃态热熔渣未经冷却直接从等离子气化炉底部通过保温出料道流入保温调节池；
c.根据在线检测装置所测得的热熔渣参数，往保温调节池中添加矿物辅料进行调节；
d.经调节后的玻璃态热熔渣通过保温调节池的出料口进入矿棉生产系统。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述城市固体废弃物包含无机固体废弃物、有机生物质、居民生活垃圾、煤渣、工业有毒有害废弃物、医疗垃圾以及它们的组合。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在保温调节池中，所述玻璃态热熔渣的温度高于1600℃。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c中，所述热熔渣参数包括热熔渣流量、粘度、成分、酸碱指数以及它们的组合。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矿物辅料包含CaO、Al2O3、CaF2中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低分子可燃气体化合物包含一氧化碳和/或氢气。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括利用所述低分子可燃气体化合物所产生的电力为等离子气化炉、保温调节池和矿棉生产系统提供能源。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矿棉生产方法包括利用高速离心法或喷吹法生产矿棉。
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