CN106755665A - 一种利用高温熔渣处理垃圾焚烧飞灰的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用高温熔渣处理垃圾焚烧飞灰的装置及方法，该装置包括熔炉，熔炉上设有熔渣入口、飞灰入口、熔渣出口，熔炉包括侧墙以及安装在侧墙上的密封罩，侧墙、密封罩围合形成封闭的腔室。本发明依托成熟的炼铁工艺，利用红渣的显热熔融固化垃圾焚烧飞灰，实现钢铁厂能源利用的最大化，将城市固废再生资源化。

Description

一种利用高温熔渣处理垃圾焚烧飞灰的装置及方法

技术领域

本发明涉及垃圾焚烧飞灰回收利用领域，特别是涉及一种利用高温熔渣处理垃圾焚烧飞灰的装置及方法。

背景技术

在金属冶炼领域，高温熔渣具有较高的温度，例如，高炉红渣。高炉红渣是高炉炼铁的副产品之一，铁矿石中的脉石、生产添加剂、燃料灰分等经高炉熔炼，呈熔融状态，从高炉排出，经过撇渣器实现渣铁分离，通过耐火材料砌筑的渣沟排出高炉车间，因其炽热发红，因此也被称为红渣。红渣温度1400℃～1500℃，主要成分是氧化钙、二氧化硅、氧化铝、氧化镁等。目前大多数的高炉红渣经水淬粒化作为建筑材料资源化利用，其高温显热没有得到有效利用。

垃圾焚烧飞灰是指在垃圾焚烧厂的烟气净化系统中收集得到的残余物，主要成分是氧化钙、二氧化硅、氧化镁、氧化铝，以及少量的Hg、Pb、Cd等有毒重金属和大量的二噁英类物质，是一种同时具有重金属危害特性和环境持久有机毒性危害特性的双料危险废物，对人体健康和生态环境具有极大的危害性。垃圾焚烧飞灰目前已经列入《国家危险废物名录》，编号为HW18。国内目前对垃圾焚烧飞灰通常采用的处理方法有：1)安全填埋法；2)固化稳定化，包括水泥固化、沥青固化、熔融固化、化学药剂固化稳定化等；3)将飞灰中的重金属提取，包括酸提取、碱提取、生物及生物制剂提取等。其中，熔融固化减容率高、熔渣性质稳定，玻璃态熔渣可以作为建筑材料达到资源化利用，高温处理可以分解破坏绝大部分二噁英类污染物，并将大部分重金属固化在固体中，从而实现稳定化，但采用高温熔融工艺需要消耗大量的能源，熔融后还要考虑废气的处理。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用高温熔渣处理垃圾焚烧飞灰的装置及方法，用于解决垃圾焚烧飞灰处理的能量来源等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种利用高温熔渣处理飞灰的装置，包括熔炉，所述熔炉上设有熔渣入口、飞灰入口、熔渣出口，所述熔炉包括侧墙以及安装在侧墙上的密封罩，所述侧墙、密封罩围合形成封闭的腔室。密封罩能够减少熔炉热量损失，收集熔炉尾气以及飞灰中的有害挥发分。

在本发明的一些实施例中，所述熔炉的腔室内设有挡墙，所述挡墙将熔炉的腔室隔成供熔渣通过的折流通道。

在本发明的一些实施例中，所述侧墙包括外壳，所述外壳内衬耐火材料。外壳可采用钢板等材料，耐火材料可以为耐火砖等。

在本发明的一些实施例中，所述熔渣入口连接至熔渣发生炉，用于引入高温熔渣，所述熔渣出口排出混合熔渣并将其送入水冲渣装置。

在本发明的一些实施例中，所述熔渣入口连接至用于引入高温熔渣的熔渣发生炉(13)，所述熔渣出口流出的混合熔渣进入水冲渣装置。

在本发明的一些实施例中，所述熔炉上设有用于排放腔室内沉积物的排放孔。

在本发明的一些实施例中，所述熔炉上还设有对腔室内部进行加热的加热装置。

在本发明的一些实施例中，还包括用于净化熔炉中烟气的尾气净化装置，所述尾气净化装置与所述熔炉的腔室相连通，尾气净化装置用于净化烟气中的粉尘，吸附其中的污染物等。

在本发明的一些实施例中，还包括通过所述飞灰入口向熔炉加入飞灰的飞灰加入装置。

在本发明的一些实施例中，所述飞灰加入装置包括加料仓、送料管、给料机，所述给料机通过送料管、飞灰入口将加料仓中的飞灰送入熔炉中。飞灰加入还可以采用气力输送法，主要部件包含飞灰料罐、流化器、输送载气、输送管道、喷头等，气力输送可实现长距离连续输送。

本发明第二方面提供利用上述装置处理飞灰的方法，通过飞灰入口向熔炉加入飞灰，通过熔渣入口向熔炉加入高温熔渣，飞灰与高温熔渣在熔炉内充分混合，飞灰升温熔化，其中的部分有害成分分解并被尾气净化装置处理，混合熔渣从熔渣出口排出。

在本发明的一些实施例中，所述熔炉的腔室内设有挡墙，所述挡墙将熔炉的腔室隔成供熔渣通过的折流通道，高温熔渣与飞灰在熔炉的折流通道内流动，不断地改变流向，延长其流动路径，使二者充分混合。

垃圾焚烧飞灰是垃圾焚烧厂的烟气净化系统的残余物，高温熔渣来自高炉红渣、矿热炉熔渣、COREX熔化炉渣等冶金熔渣中的一种或多种组合。

如上所述，本发明的一种利用高温熔渣处理飞灰的装置及方法，具有以下有益效果：本发明依托成熟的冶金工艺，利用高温熔渣的显热熔融固化城市垃圾焚烧飞灰，实现钢铁厂能源利用的最大化，将城市固废再生资源化。

附图说明

图1显示为本发明实施例的利用高温熔渣处理垃圾焚烧飞灰的装置结构示意图。

图2显示为图1中熔炉的平面结构示意图。

图3显示为本发明实施例1中利用高温熔渣处理垃圾焚烧飞灰的装置结构示意图。

图4显示为本发明实施例1中熔炉与渣沟的连接关系示意图。

图5显示为图4中的A部放大图。

图6显示为本发明实施例2中利用高温熔渣处理垃圾焚烧飞灰的装置结构示意图。

图7显示为本发明实施例2中熔炉与渣沟的连接关系示意图。

零件标号说明

1—外壳

2—侧墙

3—密封罩

4—挡墙

5—加热装置

6—飞灰加入装置

61—飞灰入口

62—加料仓

63—送料管

64—给料机

7—熔渣入口

8—熔渣出口

9—排放孔

10—尾气净化装置

11—熔炉

12—水冲渣装置

13—熔渣发生炉

14—主铁沟

15—渣沟

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图1-图2所示，一种利用高温熔渣处理垃圾焚烧飞灰的装置，包括熔炉11，熔炉11上设有熔渣入口7、飞灰入口61、熔渣出口8，熔炉11包括侧墙2以及安装在侧墙2上的密封罩3，侧墙2、密封罩3围合形成封闭的腔室，有效减小熔渣的热量损失。熔炉11可以为圆形或矩形等形状，熔炉11的炉底以及侧墙2的内衬材料是采用耐火材料砌筑或浇注而成。密封罩3覆盖在侧墙2的上部，用于减少散热并收集粉尘和废气。优选地，熔渣入口7、飞灰入口61设置在熔炉11的一侧，熔渣出口8设置在熔炉11的另一侧，使得熔渣与飞灰在熔炉11中达到最大的流动路径，充分混合，再从熔渣出口8排出。

熔炉11的腔室内设有挡墙4，挡墙4将熔炉11的腔室隔成供熔渣通过的折流通道，折流通道可以为“∽”型、“N”型或者二者的混合型等，通过改变熔渣的流动方向，使得飞灰与熔渣充分混合，挡墙4采用耐火材料砌筑或浇注而成。挡墙4的设置方式较多，目的是实现熔渣的充分折流，使飞灰与熔渣充分混合，如图1所示，熔炉11内设置多个挡墙4，挡墙4的两侧均与熔炉11的内侧壁连接，部分挡墙4与熔炉11的底部存在间隙，另一部分挡墙4与熔炉11的底部连接，作为优选，与熔炉11的底部存在间隙的挡墙4相邻于与熔炉11的底部连接的挡墙4，使得熔炉11内的熔渣被充分折流，该种挡墙即为“N”型挡墙。如图3和图4所示，熔炉11内设置多个挡墙4，挡墙4的一侧与熔炉11的一个侧壁连接，另一侧与熔炉11相对的另一侧壁存在间隙，挡墙4的底部与熔炉11的底部紧密连接，相邻两个挡墙4与熔炉11内壁之间存在的间隙处于相对侧，该种挡墙即为“∽”型挡墙，从图4可以看出，间隙交错设置，能够实现熔渣的充分折流。

熔炉11的底部设有用于排放腔室内沉积物的排放孔9，实现对熔炉11底部的沉积物进行定期排放，沉积物通常为金属沉积物、金属与熔渣的混合物等，排放孔9上可以设置节流装置，便于控制熔渣的流出。

还包括尾气净化装置10，尾气净化装置10与熔炉11的腔室相连通，尾气净化装置10连通至密封罩3的顶部或侧部。尾气净化装置10可以根据垃圾焚烧飞灰的特征选择相应的装置，如布袋过滤器、能够脱除二噁英类物质的装置等，尾气净化装置10通过风机将熔炉11中的气体抽走并进行处理，实现对气体的净化。

熔炉11上还设有对腔室内部进行加热的加热装置5，其本体为一燃烧器，可燃烧煤气、天然气、煤粉、焦粉等燃料供热，或者用电极、电弧加热等，当熔渣热量不足时，采用加热装置5进行加热，一方面促使飞灰熔化，防止熔渣固结，另一方面，能够在熔炉11内形成高温惰性气氛(CO₂)，促使有害物质分解挥发，被尾气净化装置10抽走处理。

侧墙2包括外壳1，外壳1为钢板、混凝土等材质，外壳1内衬耐火材料，具体可以为耐火砖等，起到隔热作用。

熔渣出口8流出的熔渣进入水冲渣装置12，具体地，从熔渣出口8流出的熔渣通过渣沟进入水冲渣装置12，经过水淬粒化制成水渣，实现对飞灰的固化。通常，水冲渣装置12为熔渣发生炉窑13的已有装置，无需额外建设，熔渣发生炉13具体可以为高炉或矿热炉等。对于从熔渣出口8流出的熔渣，还可以采用自然冷却粒化等方法进行冷却粒化。

本装置还包括通过飞灰入口61向熔炉11的腔室加入飞灰的飞灰加入装置6，具体地，飞灰加入装置6包括加料仓62、送料管63、给料机64，给料机64通过送料管63将加料仓62中的飞灰从熔炉11的顶部或侧面的飞灰入口61送入熔炉11中。加料仓62、给料机64均为封闭式，有效避免飞灰外扬。飞灰加入装置6放置在熔炉11的上方或侧面。

如前所述，高炉是钢铁冶金工业高温熔渣的主要生产装置之一，因此，以高炉红渣处理垃圾焚烧飞灰为例说明具体实施方法。高炉出渣时温度一般为1400～1500℃，红渣比热容约1.2kJ/(kg*℃)，典型成分见表1。

表1 高炉红渣典型成分表(重量％)

城市垃圾焚烧飞灰加入熔炉时温度约20℃，比热容约1.2kJ/(kg*℃)，飞灰熔点约1400℃，成分不同时略有变化，城市垃圾焚烧飞灰典型成分见表2。

表2 城市垃圾焚烧飞灰典型成分表(重量％)

利用高温熔渣处理垃圾焚烧飞灰，飞灰的加入速率与红渣流量、温度的关系如下式：

Q_灰＝[C_渣*Q_渣*(t_渣-t₀)]/[C_灰*(t₀-t_灰)+q_相]

式中，Q_灰——飞灰加入量kg/h；

C_灰——飞灰比热容J/(kg*℃)；

t_灰——飞灰加入时温度，℃；

Q_渣——红渣流量kg/h；

C_渣——红渣比热容J/(kg*℃)；

t_灰——红渣入炉时温度，℃；

t_o——飞灰与红渣熔融后温度，℃；

q_相——飞灰熔化相变热，J/kg。

由上式可知，飞灰加入速率与红渣温度、流量呈正比例关系，红渣的比热容、温度以及飞灰相变热等通常是相对稳定的。炼铁高炉一次出渣约1-2小时，每天出渣6-8次，即每天出渣时间约8-12小时。利用高炉红渣处理垃圾焚烧飞灰效率取决于高炉出渣量和出渣温度。

垃圾焚烧飞灰在常温约20℃加入熔炉，与红渣混合后升温至熔点1400℃开始熔化，继续升温至完全熔化，飞灰升温熔化过程需要一定时间周期。飞灰与红渣之间的传热过程较复杂，飞灰颗粒较大时，飞灰与红渣之间流动速度差较大，传热以对流换热为主，此时影响飞灰升温熔化周期t的主要因素是对流换热系数α与温度差Δt。即：

t＝f(Δt,α)

式中，Δt——飞灰与红渣之间的温度差，℃；

α——飞灰与红渣之间的对流换热系数，W/(m²*℃)。

其中，对流换热系数由多个因素决定。即：

α＝g(v,λ,Cp,ρ,μ,Δt,L,Φ)

式中：v——红渣流速，m/s；

λ——导热系数，W/(m²*℃)；

Cp——比热容，J/(kg*℃)；

ρ——密度，kg/m³；

μ——粘度；

Δt——流体与固体温度差，℃；

L——飞灰表面尺寸，m；

Φ——壁面的几何因素。

因此，影响飞灰熔化时间的因素较多，理论计算的熔化时间与实际情况通常有一定的偏差，实际应用时多通过试验确定。

飞灰与红渣混合后还有另一种情况，即飞灰颗粒较小，比表面积大，与红渣混合后悬浮在红渣中，与红渣以相同的速度流动。此时，飞灰与红渣的传热以接触导热为主，影响因素与对流换热情况类似，主要受到温度差与导热系数的影响，此处不再赘述。

飞灰加入高炉红渣后，二者成分相似，对红渣的成分变化通过物质守恒原理计算。

总之，根据高炉红渣及垃圾焚烧飞灰的成分计算、理化性质分析等，利用红渣处理垃圾焚烧飞灰的方法是可行的；飞灰的加入量、处理效率等取决于渣量和出渣温度。飞灰与红渣混合后升温、熔化时间主要取决于飞灰或红渣的理化状态，通常通过试验测定。

实施例1

本实施例利用高炉红渣处理垃圾飞灰的装置如图3-图5所示。

某高炉容积约4700m³，平均日产生铁约9400吨，红渣约2630t，渣铁比0.28t/t，红渣平均流量240t/h，进入渣沟时红渣温度1470℃，假设熔炉与渣沟热损10％，高炉一次出铁(渣)时间约160分钟。垃圾焚烧飞灰在撇渣器之后以常温粉料匀速加入熔炉，与红渣在熔炉内混合熔化，最终进入水渣槽进行水淬粒化，该高炉已有水渣粒化装置。

根据上述条件计算飞灰加入量与熔渣出炉温度与成分变化，结果见表3。

表3 加入飞灰后熔渣温度与主要成分变化表(重量％)

注：传热效率、比热等取值不同时计算结果稍有差异

根据表3，飞灰加入后红渣温度快速下降，熔渣成分、碱度变化较小。混合熔渣的出炉温度不能低于飞灰熔点，本实施例中，应控制出渣温度≥1400℃，因此，飞灰的最大加入速率不能超过7t/h。考虑到飞灰熔化需要一定的过热度，实际加入速率小于7t/h。从表3可以看出，飞灰加入红渣后，并未明显改变红渣成分与碱度，因此，红渣中加入飞灰后，对红渣或水渣的传统处理工艺与用途影响很小。

飞灰在熔炉11中从常温升温到飞灰熔点温度以上需要一定时间，设熔渣在熔炉11内运动速度0.1m/s，需停留150s，熔渣在熔炉内行程15m。本实施例的熔炉11的结构如附图2所示，熔炉11为矩形，布置在渣沟15旁边，长4.0m(从熔渣入口7到熔渣出口8方向的长度)，宽2.0m(垂直于红渣流入方向的宽度)，熔池深度0.5m(即侧墙2的高度)，侧墙2的外壳1是用钢板包裹而成，外壳1内衬耐火砖，起到隔热作用。顶部密封罩3由钢板喷涂不定型耐材制作而成。熔炉11内砌筑挡墙4，挡墙4也采用耐火砖，形成“∽”型折流通道，熔渣在挡墙4的作用下流动路径约16.5m。熔炉11的侧墙2上设加热装置5，燃烧转炉或焦炉煤气。飞灰通过飞灰加入装置6从熔炉11顶部连续加入，熔炉11的左侧上部设熔渣入口7，从熔渣发生炉13(高炉)的渣沟15引入红渣，渣沟15的上游为主铁沟14，熔炉11的右侧下部设熔渣出口8，引导混合熔渣进入渣沟15，进而送入水冲渣装置12。熔炉11底部设排放孔9，排放熔池底部的沉积物。密封罩33通过管道连通至尾气净化装置10，净化熔炉11排出的尾气。熔炉11的深度根据飞灰中重金属含量确定，本实施例的飞灰中重金属含量0.34重量％，加入飞灰约30吨才能聚集约100kg重金属，理论上熔池体积约需要0.01m³，本实施例中熔池深度远大于该容积。因此，本实施例设计的装置可满足生产需要。

实施例2

本实施例利用高炉红渣处理垃圾飞灰的装置如图6-图7所示。

本实施例的熔渣发生炉13为高炉，其产生的熔渣具体为红渣，有效容积约2000m³，日产生铁约4800t，日产红渣约2400t，渣铁比0.5t/t，渣沟平均流量300t/h，进入熔炉时红渣温度1500℃，假设熔炉11与渣沟热损20％。该高炉出铁场渣沟长约70m，红渣在渣沟15中的停留时间约180s。计算飞灰加入后熔渣温度与成分变化见表4。

表4 加入飞灰后熔渣温度与成分变化表(重量％)

注：传热效率，飞灰比热等取值不同时计算结果稍有差异

根据表4，飞灰加入熔炉11后，熔渣温度下降速度较快，熔渣成分变化较小。混合熔渣出炉温度不能低于飞灰熔点，本实施例中，应控制出渣温度≥1400℃，根据表4，最大加入速率不能超过10t/h。考虑到飞灰熔化需要一定的过热度，实际加入速率远小于10t/h。

飞灰在熔炉11中从常温升至1400℃需要一定时间，熔渣发生炉13(本实施例为高炉)的渣沟15长约70m，红渣在渣沟15中停留时间约180s，飞灰已经有较长的熔化时间。因此，仅需要在渣沟15上设置一小型熔炉11，用于加入飞灰，促使飞灰与红渣充分混合，同时收集投送飞灰时的扬尘和有害烟气。熔炉11的结构如图6-7所示。熔炉11长2m(从熔渣入口7到熔渣出口8方向的长度)，宽0.8m(垂直于红渣流入方向的宽度)，深度0.5m(即侧墙2的高度)，熔渣在熔炉11内停留约30s，熔渣流动行程2.85m，熔炉11的外壳1用钢板包裹而成，内部砌筑耐火砖，形成侧墙2，熔炉11的顶部用钢板与耐材形成密封罩3。熔炉11内砌筑挡墙4，形成垂直的“N”型折流通道，熔渣分别从挡墙4的底部和顶部通过，从熔炉11的熔渣出口8流出，挡墙4的目的是促使熔渣与飞灰充分接触，飞灰内有害挥发分受热分解并被收集处理。侧墙2上靠近熔渣出口8的部位设加热装置5，燃烧转炉煤气，在熔炉11热量不足时，加热装置5向熔炉11补充热量，在红渣温度降低的情况下，促进飞灰升温，促进有害气体分解。飞灰通过飞灰加入装置6从熔炉11顶部连续加入。熔炉的左侧上部设熔渣入口7，引入红渣，右侧下部设熔渣出口8，排出熔渣到渣沟15，送到水冲渣装置12。熔炉11底部设排放孔9，排放熔池沉积物。密封罩3通过管道连通至尾气净化装置10，尾气净化装置10起到净化熔炉11的尾气的作用。熔炉11的深度根据飞灰中重金属含量确定，本实施例中飞灰重金属含量0.34％，加入飞灰约30吨才能聚集约100kg重金属，理论上熔池体积约需要0.01m³，本实施例熔池深度远大于该容积。综上，本实施例设计的装置可满足生产需要。

综上所述，本发明实现对钢铁厂高温熔渣余热的充分利用，并且对城市垃圾焚烧飞灰资源化利用，高温熔渣与城市垃圾焚烧飞灰在熔炉内充分混合，利用高温熔渣的高温显热处置城市垃圾焚烧飞灰，熔融固化或分解飞灰中的有害成分，实现城市固废的资源化利用。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种利用高温熔渣处理垃圾焚烧飞灰的装置，其特征在于，包括熔炉(11)，所述熔炉(11)上设有熔渣入口(7)、飞灰入口(61)、熔渣出口(8)，所述熔炉(11)包括侧墙(2)以及安装在侧墙(2)上的密封罩(3)，所述侧墙(2)、密封罩(3)围合形成封闭的腔室。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述熔炉(11)的腔室内设有挡墙(4)，所述挡墙(4)将熔炉(11)的腔室隔成供熔渣通过的折流通道。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述侧墙(2)包括外壳(1)，所述外壳(1)内衬耐火材料。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述熔渣入口(7)连接至熔渣发生炉(13)，用于引入高温熔渣，所述熔渣出口(8)排出混合熔渣并将其送入水冲渣装置(12)。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述熔炉(11)上设有用于排放腔室内沉积物的排放孔(9)。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述熔炉(11)上还设有对腔室内部进行加热的加热装置(5)。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括用于净化熔炉(11)中烟气的尾气净化装置(10)，所述尾气净化装置(10)与所述熔炉(11)的腔室相连通。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括通过所述飞灰入口(61)向熔炉(11)加入飞灰的飞灰加入装置(6)。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述飞灰加入装置(6)包括加料仓(62)、送料管(63)、给料机(64)，所述给料机(64)通过送料管(63)、飞灰入口(61)将加料仓(62)中的飞灰送入熔炉(11)中。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的装置处理垃圾焚烧飞灰的方法，其特征在于，通过飞灰入口(61)向熔炉(11)加入飞灰，通过熔渣入口(7)向熔炉(11)加入高温熔渣，飞灰与高温熔渣在熔炉(11)中混合后，从熔渣出口(8)排出。