CN102531389A - 垃圾焚烧飞灰电弧炉熔融制备微晶玻璃的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垃圾焚烧飞灰电弧炉熔融制备微晶玻璃的方法，以水洗预处理后的垃圾焚烧飞灰为主要原料，与晶核剂TiO2、Cr2O3中的一种混合，混合后送电弧炉高温熔融处理，将熔融后流出的液态熔渣直接浇筑到预热的成型模具中，浇筑成型后的熔渣转移到热处理炉进行退火、晶化处理及后续磨光制成微晶玻璃。本发明不仅能将垃圾焚烧飞灰熔融后的熔渣转变为有用的材料回收利用，提供附加经济效益，有效减少焚烧飞灰的熔融处理成本，而且可减少飞灰熔融过程酸性气体的排放，消除飞灰中氯化物对熔融炉耐火材料的腐蚀，有效利用电弧炉熔渣的物理显热，降低制备工艺中的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体废物处理及再利用的方法，特别涉及一种垃圾焚烧飞灰电弧炉熔融制备微晶玻璃的方法。
背景技术
由于生活垃圾填埋场地受限越来越严重，焚烧已成为我国垃圾处理的主要发展方向之一，但垃圾经焚烧后将产生约3％～5％的飞灰，这些焚烧飞灰中含有相当数量的易渗沥重金属和二恶英等毒性物质。重金属及二恶英不能化学分解或生物降解，同时具有很强的生物累积效应，二者一旦进入环境，将严重危害人类生存和健康。如何安全有效地处理垃圾焚烧飞灰，并实现资源的回收利用已成为一个全球范围内亟待解决的问题。
熔融是近年来发展的新技术，它减容显著，彻底分解飞灰中的二恶英，并使重金属蒸发或者固定在熔渣的Si-O网格中，产生的熔渣还可综合利用，真正实现了焚烧飞灰处理的减量化、无害化、资源化的要求，符合和谐社会所倡导的生态经济和可持续发展理念。日本等发达国家已开发了多种垃圾焚烧飞灰熔融技术，如电弧炉熔融技术、等离子体炉熔融技术、反射面炉熔融技术及旋转面炉熔融技术等。如上技术中，因电弧炉具有电弧温度高(1500～1700℃)、电热转变能力大、电热效率高、炉内气氛和炉子操作容易控制等优点，电弧炉熔融技术在国外颇受青睐。专利文献CN100552296C结合我国成熟的电弧炉冶金工艺和设备，公开了适合我国国情的垃圾焚烧飞灰电弧炉熔融技术。然而，垃圾焚烧飞灰直接进行电弧炉熔融，熔融过程中挥发组分、酸性气体、重金属及其化合物不可避免地将从烟气中散发并释放到环境中，而且飞灰中高含量的氯会引起熔融炉耐火材料腐蚀。
如果垃圾焚烧飞灰熔融后的熔渣能转变为有用的材料回收，实现资源的循环利用，不仅符合废物处理零排放的要求，而且能提供附加经济效益，降低焚烧飞灰的处理成本。基于此，国外学者在熔渣制备集料、渗水砖、铺路砖、水泥替代物等综合利用方面进行了大量的研究。但熔渣用于铺路或生产水泥，则技术含量、附加值均相对较低。微晶玻璃是由基础玻璃经控制晶化而制得的一类多晶材料，其强度、硬度、耐热、耐化学腐蚀性均大大优于玻璃，部分性能远远优于天然石材和其它陶瓷材料，微晶玻璃在机械工程及建筑材料领域得到了广泛的应用。垃圾焚烧飞灰主要成分是SiO2、CaO、Al2O3等，并含有少量的成核物质(Fe2O3、P2O5、TiO2)，适当调整其成分有望制备附加值较高的微晶玻璃。
微晶玻璃实际生产中主要以熔融法和烧结法为主，其中熔融法工艺是研究最早、采用最多的微晶玻璃制备方法，其优点是微晶玻璃结构致密、无气孔、强度大，但熔制温度过高(通常在1400～1600℃)，存在能耗大、成本高的缺点，使得该方法不能大面积使用。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种垃圾焚烧飞灰电弧炉熔融制备微晶玻璃的方法，该方法最大限度地使废弃资源得到有效利用，并且能耗低、生产成本低。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种垃圾焚烧飞灰电弧炉熔融制备微晶玻璃的方法，该方法包括如下步骤：
(1)水洗预处理：按照飞灰∶水＝1∶20～1∶5的重量比混合，飞灰水洗后进行过滤、干燥得到水洗飞灰；
(2)配制混合料：以水洗飞灰为主要原料，加入晶核剂TiO2或Cr2O3，混合均匀，所述晶核剂加入的重量为所述混合料的2％～4％；
(3)电弧炉熔融：将所述混合料放入电弧炉中融化成玻璃熔液，熔池内温度为1500～1700℃，熔化时间为15～90分钟；
(4)浇铸成型：将所述玻璃熔液浇注到成型模具中，在模具中形成浇铸件；
(5)退火：将所述浇铸件进行退火处理，退火温度为500～700℃；
(6)晶化处理：将退火后的所述浇铸件送入晶化炉内以3～10℃/分钟的升温速度加热到晶化温度，晶化温度为800～1050℃，晶化时间为1～3小时，之后随炉自然冷却至室温，在模具中形成微晶玻璃毛坯；
(7)冷加工：将所述微晶玻璃毛坯脱模，打磨、抛光后获得成品。
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)为降低飞灰中氯含量，提出了水洗处理作为飞灰预处理方法，用水洗可以减少随后熔融过程HCl和挥发性氯盐的排放，消除腐蚀和浸出问题，同时提高了网格形成物SiO2和Al2O3的比例，改善了玻璃网格的连通性，促进了熔渣玻璃态的形成；
(2)将电弧炉熔融出渣和微晶玻璃生产线相衔接，不但解决了熔渣的堆放和运输的费用，最大限度地使废弃资源得到有效利用，生产出高附加值产品，可以替代天然石材和黏土矿资源，避免了矿物开采所造成的环境破坏；
(3)直接利用液态熔渣为原料，利用了熔渣的显热，大幅度降低了固态渣料在熔化炉内熔化所消耗的燃料和其它能源费用，生产成本大幅度降低。
综上所述，本发明不仅能将垃圾焚烧飞灰熔融后的熔渣转变为有用的材料回收利用，提供附加经济效益，有效减少焚烧飞灰的熔融处理成本，而且可减少飞灰熔融过程酸性气体的排放，消除飞灰中氯化物对熔融炉耐火材料的腐蚀，有效利用电弧炉熔渣的物理显热，降低制备工艺中的能耗。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，详细说明如下：
本发明的原理是：垃圾焚烧飞灰主要成分通常是SiO2、CaO、Al2O3等，由于垃圾焚烧飞灰中网格形成物SiO2组分通常较低，一般难以满足微晶玻璃的化学组成要求，若垃圾焚烧飞灰单独电弧炉熔融不仅无法获得稳定的玻璃质熔渣，而且会引起酸性气体和重金属的挥发，同时还会存在氯和活性炭等杂质对耐火材料的侵蚀和石墨电极的烧损等诸多问题，因此，有必要将飞灰进行水洗预处理以提高网格形成物的比例。另外，虽然飞灰中含有少量的成核物质Fe2O3、P2O5和TiO2，但不足以形成大量的晶坯，适当添加晶核剂有助于熔渣的晶化过程。
实施例1：
(1)水洗预处理：按照飞灰∶水＝1∶20的重量比混合，飞灰水洗后进行过滤、干燥得到水洗飞灰；
(2)配制混合料：以水洗飞灰为主要原料，加入晶核剂TiO2，并机械混合均匀，所述晶核剂加入的重量为所述混合料的3％；
(3)电弧炉熔融：将所述混合料放入电弧炉中融化成玻璃熔液，熔池内温度为1700℃，熔化时间为15分钟；
(4)浇铸成型：将所述玻璃熔液浇注到预热至500℃的石墨模具中，在模具中形成浇铸件；
(5)退火：浇铸件成形后于560℃保温2h并缓慢冷却至室温；
(6)晶化处理：将退火后的所述浇铸件送入晶化炉内以5℃/分钟的升温速度加热到900℃使其进行晶化，保温2小时，之后随炉自然冷却至室温，在模具中形成微晶玻璃毛坯；
(7)冷加工：将所述微晶玻璃毛坯脱模，打磨、抛光后获得主晶相为钙黄长石(Ca2Al2SiO7)和镁黄长石(Ca2MgSi2O7)的微晶玻璃成品。
本实施例中所用的飞灰为生活垃圾焚烧飞灰，飞灰及经水洗后飞灰的化学成分见表1。
表1 实施例1中生活垃圾焚烧飞灰化学成分
| 样品 | SiO2 | CaO | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | K2O | Na2O | SO3 | Cl | P2O5 | TiO2 |
| 焚烧飞灰 | 26.03 | 33.59 | 3.93 | 2.37 | 3.18 | 5.98 | 3.58 | 6.21 | 11.40 | 2.09 | 0.76 |
| 水洗飞灰 | 30.44 | 38.61 | 6.03 | 3.38 | 5.53 | 1.41 | 0.53 | 7.51 | 0.80 | 3.22 | 1.18 |
实施例2：
(1)水洗预处理：按照飞灰∶水＝1∶5的重量比混合，飞灰水洗后进行过滤、干燥得到水洗飞灰；
(2)配制混合料：以水洗飞灰为主要原料，加入晶核剂Cr2O3，并机械混合均匀，所述晶核剂加入的重量为所述混合料的2％；
(3)电弧炉熔融：将所述混合料放入电弧炉中融化成玻璃熔液，熔池内温度为1500℃，熔化时间为90分钟；
(4)浇铸成型：将所述玻璃熔液浇注到预热至550℃的石墨模具中，在模具中形成浇铸件；
(5)退火：浇铸件成形后于500℃保温1.5h并缓慢冷却至室温；
(6)晶化处理：将退火后的所述浇铸件送入晶化炉内以3℃/分钟的升温速度加热到800℃使其进行晶化，保温1小时，之后随炉自然冷却至室温，在模具中形成微晶玻璃毛坯；
(7)冷加工：将所述微晶玻璃毛坯脱模，打磨、抛光后获得主晶相为钙黄长石(Ca2Al2SiO7)和镁黄长石(Ca2MgSi2O7)的微晶玻璃成品。
本实施例中所用的飞灰及经水洗后飞灰的化学成分与实施例1中相同。
实施例3：
(1)水洗预处理：按照飞灰∶水＝1∶12的重量比混合，飞灰水洗后进行过滤、干燥得到水洗飞灰；
(2)配制混合料：以水洗飞灰为主要原料，加入晶核剂Cr2O3，并机械混合均匀，所述晶核剂加入的重量为所述混合料的4％；
(3)电弧炉熔融：将所述混合料放入电弧炉中融化成玻璃熔液，熔池内温度为1600℃，熔化时间为30分钟；
(4)浇铸成型：将所述玻璃熔液浇注到预热至600℃的石墨模具中，在模具中形成浇铸件；
(5)退火：浇铸件成形后于700℃保温2.5h并缓慢冷却至室温；
(6)晶化处理：将退火后的所述浇铸件送入晶化炉内以10℃/分钟的升温速度加热到1050℃使其进行晶化，保温3小时，之后随炉自然冷却至室温，在模具中形成微晶玻璃毛坯；
(7)冷加工：将所述微晶玻璃毛坯脱模，打磨、抛光后获得主晶相为钙黄长石(Ca2Al2SiO7)和镁黄长石(Ca2MgSi2O7)的微晶玻璃成品。
本实施例中所用的飞灰及经水洗后飞灰的化学成分与实施例1中相同。
尽管上面结合本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种垃圾焚烧飞灰电弧炉熔融制备微晶玻璃的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)水洗预处理：按照飞灰∶水＝1∶20～1∶5的重量比混合，飞灰水洗后进行过滤、干燥得到水洗飞灰；
(2)配制混合料：以水洗飞灰为主要原料，加入晶核剂TiO2或Cr2O3，混合均匀，所述晶核剂加入的重量为所述混合料的2％～4％；
(3)电弧炉熔融：将所述混合料放入电弧炉中融化成玻璃熔液，熔池内温度为1500～1700℃，熔化时间为15～90分钟；
(4)浇铸成型：将所述玻璃熔液浇注到预热的成型模具中，在模具中形成浇铸件；
(5)退火：将所述浇铸件进行退火处理，退火温度为500～700℃；
(6)晶化处理：将退火后的所述浇铸件送入晶化炉内以3～10℃/分钟的升温速度加热到晶化温度，晶化温度为800～1050℃，晶化时间为1～3小时，之后随炉自然冷却至室温，在模具中形成微晶玻璃毛坯；
(7)冷加工：将所述微晶玻璃毛坯脱模，打磨、抛光后获得成品。
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