CN106277886A - 一种粉煤灰熔融资源化利用的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种粉煤灰熔融资源化利用的方法。粉煤灰的历史堆存量大等原因引起了社会环境问题。本发明的步骤如下：（1）根据粉煤灰的组成预测灰样在1400℃时的粘度，若1400℃时的粘度大于10Pa·S，则向粉煤灰中添加SiO2或者CaO；（2）粉煤灰进入熔融炉，熔融炉在1400℃以上，停留时间为10～15min；（3）熔融炉内的熔渣从熔融炉的排渣口连续排出，根据需要对排出的熔渣采用水冷淬火、空气中冷却、或者慢速冷却以得到不同性质的产品。本发明解决了粉煤灰因品质不高、建筑行业不景气、历史堆存量大等原因所引起的社会环境问题，同时针对单一水冷淬火方式得到的熔渣性质单一问题。

Description

一种粉煤灰熔融资源化利用的方法
技术领域
本发明涉及一种粉煤灰熔融资源化利用的方法，属于工业废弃物粉煤灰的综合应用领域。
背景技术
粉煤灰是火力发电厂燃烧煤粉、燃料等燃料后形成的灰渣，我国的能源结构主要以煤为主，相应产生的粉煤灰是我国排放量最大的工业废料，目前我国粉煤灰的总堆存量已经超过十亿吨，而且正以每年超过8000吨的速度增长。粉煤灰的堆存不仅占用了大量的土地，同时还会引起粉尘污染、重金属浸出进入地下水等。
目前我国的粉煤灰的应用领域主要包括：混凝土、生产水泥、生产砖材、粉煤灰陶粒、粉煤灰砂浆粉、筑路、粉煤灰混凝土轻质隔墙板等，如公开日为2013年01月23日，公开号为CN102886812A的中国专利中，公开的一种粉煤灰保温板生产系统。但由于我国燃煤电厂煤种来源多，煤质差异大，同时因为燃烧不充实，粉煤灰颗粒粗且含碳量高，造成灰的品质不高，加之建筑行业的疲软造成粉煤灰的实际利用率并不高，同时因为历史堆积的总量巨大，因此急需寻求新的利用方式解决粉煤灰所带来的社会及环境问题。
熔融技术是一种广泛应用于处置垃圾焚烧灰的技术，熔融过程在高于1400℃的高温条件下进行，高温过程可以固定飞灰中的重金属及辐射性元素，还可以大幅度的减小飞灰的体积，同时得到的熔渣又可作为建筑、路基材料等，因此可实现垃圾飞灰的减量化、资源化、无害化应用。因此可借鉴垃圾焚烧灰的处理技术将其应用于粉煤灰。对于熔渣的传统冷却方法是采用水冷淬火，但得到的产品单一，不能适应不同粉煤灰所在地的市场差异。
发明内容
为解决粉煤灰因品质不高、建筑行业不景气、历史堆存量大等原因所引起的社会环境问题，同时针对单一水冷淬火方式得到的熔渣性质单一问题，本发明提出一种粉煤灰熔融资源化利用的方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该粉煤灰熔融资源化利用的方法的特点在于：所述方法的步骤如下：
（1）根据粉煤灰的组成预测灰样在1400℃时的粘度，若1400℃时的粘度在10Pa·S以下时，直接进入步骤（2）；若1400℃时的粘度大于10Pa·S，则向粉煤灰中添加SiO2或者CaO来调节组成使得目标组成在1400℃时的粘度在10Pa·S以下，以确保能够顺利排渣，然后进入步骤（2）；
（2）粉煤灰经给料装置进入熔融炉，熔融炉的温度在1400℃以上，调节给料及排渣速度使得粉煤灰在熔融炉内的停留时间为10～15min，以确保粉煤灰完全熔融，同时粉煤灰熔融后的金属能够充分沉淀于熔融炉的底部；
（3）熔融炉内的熔渣从熔融炉的排渣口连续排出，控制排渣速度与给料口进料速度以保证熔融炉内的灰量一定；根据需要对排出的熔渣采用水冷淬火、空气中冷却、或者慢速冷却以得到不同性质的产品。
作为优选，本发明借助FACTSAGE软件对粉煤灰的灰样的熔点以及1400℃时的粘度进行预测。
作为优选，本发明粉煤灰中含有质量百分数为1～15%的Fe2O3，同时还含有Cr、Pb、Mn微量金属，因此可进行金属成分的回收。
作为优选，本发明粉煤灰中的主要成分为SiO2、Al2O3和CaO，三者构成的共熔体使得粉煤灰在1400℃以上的高温能够完全熔融。
作为优选，本发明根据密度差对金属进行回收，金属因为密度大沉积在熔融炉的底部，当达到一定的量即可打开阀门排出金属溶液以实现金属的回收。
作为优选，本发明水冷淬火即将熔渣直接排入水中急冷，该方式得到的熔渣呈玻璃态的细砂状，其强度和脆性天然材料相当，可作为填土、路盘材及混凝土材等使用，另外将水冷熔渣粉磨还可作为烧结透水砖保温砖微晶材料等高附加值产品的原料。水冷淬火冷却方式具有以下特点：①装置结构简单，易于维护；②散热到建筑内部的热量小，能够保持良好的室内工作环境；③需要对冷卻水进行控制。
作为优选，本发明空气中冷却即将熔渣置于空气环境下自燃冷却，空冷得到的熔渣一般为玻璃质或部分结晶化的块状，强度大，熔渣可作为路盘材、表层材及混凝土骨材使用，另外，通过特定形状的模具对熔渣进行空冷，还可以制备得到各种形状与性质的工艺品等高附加值产品。空气中冷却的方式具有以下特点：①不同于水淬冷却，不需要对冷却水进行控制；②处理装置占地大。
作为优选，本发明慢速冷却即将熔渣转移至可程序控温保温炉中以较慢的冷却速度（1℃/min～5℃/min）实现冷却，慢冷得到的熔渣，结晶度较高且得到的熔渣强度大，更适合混凝土骨材，另外通过控制冷却速率还可以制备玻璃陶瓷材料。慢速冷却的方式具有以下特点：①处理量少，能耗高；②可制备高附加值的玻璃陶瓷材料。
作为优选，本发明所述SiO2采用废弃玻璃，所述CaO采用石灰石，所述废弃玻璃及石灰石需要粉碎研磨使得与粉煤灰混合均匀。以SiO2（碎玻璃）或者CaO（石灰石）为辅料，可对粉煤灰的熔点以及粘度进行调整。
作为优选，本发明高温熔融产生的尾气通过旋风分离器和脱硫脱硝设备，然后经引风机排出大气。以保证对环境不会造成二次污染。
作为优选，本发明所述熔融炉为电熔融炉。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：（1）本发明以具有严重环境及社会危害的工业废弃物粉煤灰为处理对象，充分利用高温熔融技术将粉煤灰减量化无害化处理。（2）根据市场需求灵活决定采用水冷淬火、空气中冷却、慢速冷却等多种方式得到不同性质的产品，以使熔渣能够得到资源化应用。（3）粉煤灰中含有的有毒重金属会经雨水淋出从而污染地下水，虽然单位质量的粉煤灰重金属浸出量不多，但因为我国产生和堆存的粉煤灰量巨大，因此浸出的有毒重金属总量较大，熔融处理可以使得重金属能够固定在熔渣内，从而避免或降低其浸出的可能性，因此可无害化的应用于建筑、道路、装饰等行业。（4）.粉煤灰中含有较高含量的Fe等金属元素，在熔融的同时对于该部分的金属元素进行回收符合资源循环利用政策，具有重要的社会效益及经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例中粉煤灰熔融资源化利用的方法的示意图。
图2是本发明实施例中回收得到的金属相示意图。
图3是本发明实施例中不同冷却方式得到产品的XRD示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1至图3，本实施例中粉煤灰熔融资源化利用的方法的步骤如下。
（1）根据粉煤灰的组成预测灰样在1400℃时的粘度，若1400℃时的粘度在10Pa·S以下时，直接进入步骤（2）；若1400℃时的粘度大于10Pa·S，则向粉煤灰中添加SiO2或者CaO来调节组成使得目标组成在1400℃时的粘度在10Pa·S以下，以确保能够顺利排渣，然后进入步骤（2）。SiO2可以采用废弃玻璃，CaO可以采用石灰石，废弃玻璃及石灰石需要粉碎研磨使得与粉煤灰混合均匀。
（2）粉煤灰经给料装置进入熔融炉，熔融炉的温度在1400℃以上，调节给料及排渣速度使得粉煤灰在熔融炉内的停留时间为10～15min，以确保粉煤灰完全熔融，同时粉煤灰熔融后的金属能够充分沉淀于熔融炉的底部。
（3）熔融炉内的熔渣从熔融炉的排渣口连续排出，控制排渣速度与给料口进料速度以保证熔融炉内的灰量一定；根据需要对排出的熔渣采用水冷淬火、空气中冷却、或者慢速冷却以得到不同性质的产品。
A、水冷淬火即将熔渣直接排入水中急冷，水冷淬火得到的熔渣呈玻璃态的细砂状，其强度和脆性与天然材料相当，可作为填土、路盘材及混凝土材使用，另外将水冷熔渣粉磨还可作为烧结透水砖保温砖微晶材料高附加值产品的原料。
B、空气中冷却即将熔渣置于空气环境下自燃冷却，空气中冷却得到的熔渣为玻璃质或部分结晶化的块状，强度大，熔渣可作为路盘材、表层材及混凝土骨材使用，另外，通过各种形状的模具对熔渣进行空冷，还可以制备得到各种形状与性质的工艺品高附加值产品。
C、慢速冷却即将熔渣转移至可程序控温保温炉中，以1～5℃/min的冷却速度实现冷却，慢冷得到的熔渣结晶度较高且得到的熔渣强度大，更适合混凝土骨材，另外通过控制冷却速率还可以制备玻璃陶瓷材料。
（4）高温熔融产生的尾气通过旋风分离器和脱硫脱硝设备，然后经引风机排出大气。
本实施例可以借助FACTSAGE软件对粉煤灰的灰样的熔点以及1400℃时的粘度进行预测。粉煤灰中含有质量百分数为1～15%的Fe2O3，同时还含有Cr、Pb、Mn微量金属，因此可进行金属成分的回收。根据密度差对金属进行回收，金属因为密度大沉积在熔融炉的底部，当达到一定的量即可打开阀门排出金属溶液以实现金属的回收。粉煤灰中的主要成分为SiO2、Al2O3和CaO，三者构成的共熔体使得粉煤灰在1400℃以上的高温能够完全熔融。
下面采用一实验室内的实施再进行详细说明，具体如下。
1.原料粉煤灰的组成如表1所示。
表1 原料粉煤灰XRF组成
组成 SiO2 Al2O3 CaO SO3 Fe2O3 K2O TiO2 MgO Na2O P2O5
含量（wt %） 21.8 16.9 35.5 14.3 7.3 0.69 1.43 1.04 0.74 0.08
2．根据原料粉煤灰的组成经FACTSAGE软件计算得到该灰样的熔点为1390℃，在1400℃下的粘度为0.305Pa·S，因此不需要进行组成调整。
3.取一定量的上述粉煤灰样品分别装在3个坩埚中，然后一起置于电加热炉中，随炉升温到1400℃并恒温15min。得到的熔渣将1号坩埚快速倒入水中，2号坩埚置于空气中自燃冷却，3号坩埚设定以下程序冷却：以1.5℃/min冷却到1100℃，然后随炉子自燃冷却到室温。
4.经熔融处理后，Fe元素发生富集并集中在坩埚底部并可分离出来，图2为经水冷后收集到的金属相。
5.三种冷却方式得到的产品XRD图谱见图3，水冷及空冷主要得到无定型的玻璃相，而慢冷得到主晶相为钙铝黄长石的陶瓷材料。
6.三种冷却方式得到的产品部分物化性质见表2，熔融后得到的产品的密度均大于大理石，且耐酸性、耐碱性性质要优于大理石材料。
表2 三种冷却方式得到的产品部分物化性质
样品 密度(g/cm3) 耐酸性(wt.%) 耐碱性(wt.%)
实例灰水冷渣 2.98 1.70 0.07
实例灰空冷渣 3.06 2.70 0.15
实例灰慢冷渣 3.18 2.17 0.06
大理石 2.60 10.20 0.30
本发明的高温熔融过程使得粉煤灰中的有害重金属得以固定在熔渣中，抑制了其在应用过程中的浸出，从而避免了对土壤及地下水的污染，另外不同方式的熔渣又可根据市场的需求实现资源化利用。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种粉煤灰熔融资源化利用的方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：
（1）根据粉煤灰的组成预测灰样在1400℃时的粘度，若1400℃时的粘度在10Pa·S以下时，直接进入步骤（2）；若1400℃时的粘度大于10Pa·S，则向粉煤灰中添加SiO2或者CaO来调节组成使得目标组成在1400℃时的粘度在10Pa·S以下，以确保能够顺利排渣，然后进入步骤（2）；
（2）粉煤灰经给料装置进入熔融炉，熔融炉的温度在1400℃以上，调节给料及排渣速度使得粉煤灰在熔融炉内的停留时间为10～15min，以确保粉煤灰完全熔融，同时粉煤灰熔融后的金属能够充分沉淀于熔融炉的底部；
（3）熔融炉内的熔渣从熔融炉的排渣口连续排出，控制排渣速度与给料口进料速度以保证熔融炉内的灰量一定；根据需要对排出的熔渣采用水冷淬火、空气中冷却、或者慢速冷却以得到不同性质的产品。
2.根据权利要求1所述的粉煤灰熔融资源化利用的方法，其特征在于：借助FACTSAGE软件对粉煤灰的灰样的熔点以及1400℃时的粘度进行预测。
3.根据权利要求1所述的粉煤灰熔融资源化利用的方法，其特征在于：粉煤灰中含有质量百分数为1～15%的Fe2O3，同时还含有Cr、Pb、Mn微量金属，因此可进行金属成分的回收。
4.根据权利要求1所述的粉煤灰熔融资源化利用的方法，其特征在于：粉煤灰中的主要成分为SiO2、Al2O3和CaO，三者构成的共熔体使得粉煤灰在1400℃以上的高温能够完全熔融。
5.根据权利要求1所述的粉煤灰熔融资源化利用的方法，其特征在于：根据密度差对金属进行回收，金属因为密度大沉积在熔融炉的底部，当达到一定的量即可打开阀门排出金属溶液以实现金属的回收。
6.根据权利要求1所述的粉煤灰熔融资源化利用的方法，其特征在于：水冷淬火即将熔渣直接排入水中急冷，水冷淬火得到的熔渣呈玻璃态的细砂状，其强度和脆性与天然材料相当，可作为填土、路盘材及混凝土材使用，另外将水冷熔渣粉磨还可作为烧结透水砖保温砖微晶材料高附加值产品的原料。
7.根据权利要求1所述的粉煤灰熔融资源化利用的方法，其特征在于：空气中冷却即将熔渣置于空气环境下自燃冷却，空气中冷却得到的熔渣为玻璃质或部分结晶化的块状，强度大，熔渣可作为路盘材、表层材及混凝土骨材使用，另外，通过各种形状的模具对熔渣进行空冷，还可以制备得到各种形状与性质的工艺品高附加值产品。
8.根据权利要求1所述的粉煤灰熔融资源化利用的方法，其特征在于：慢速冷却即将熔渣转移至可程序控温保温炉中，以1～5℃/min的冷却速度实现冷却，慢冷得到的熔渣结晶度较高且得到的熔渣强度大，更适合混凝土骨材，另外通过控制冷却速率还可以制备玻璃陶瓷材料。
9.根据权利要求1所述的粉煤灰熔融资源化利用的方法，其特征在于：所述SiO2采用废弃玻璃，所述CaO采用石灰石，所述废弃玻璃及石灰石需要粉碎研磨使得与粉煤灰混合均匀。
10.根据权利要求1所述的粉煤灰熔融资源化利用的方法，其特征在于：高温熔融产生的尾气通过旋风分离器和脱硫脱硝设备，然后经引风机排出大气。
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