CN109652659A - 锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统及方法 - Google Patents

锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统及方法，系统包括其包括依序设置并连接的飞灰储料单元、飞灰配料机、制球机、烘干机、矿热炉配料机和矿热电炉；还包括炉渣水碎装置、锰合金原料供应单元、除尘器、粉尘收集器、合金浇注装置和重金属铸锭装置，矿热电炉的进料口与矿热炉配料机的出口连接，熔融金属溶液出口与合金浇注装置连接，重金属排放口与重金属铸锭装置连接，炉渣出口与炉渣水碎装置连接，烟气出口与除尘器连接，除尘器与粉尘收集器连接，粉尘收集器和飞灰储料单元均与飞灰配料机的进料口连接，本方案操作简单、节约成本且对环境无害，能够实现废物资源二次经济价值。

Description

锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统及方法
技术领域
本发明属于环境治理及工业固废资源化利用领域，尤其是锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统及方法。
背景技术
随着社会经济的发展，城市化进程加剧，城市生活垃圾的排放量也不断增加，而我国对生活垃圾的处理正处在从以填埋为主向以焚烧为主的转型期，而垃圾焚烧发电技术是使生活垃圾无害化、减量化、资源化的有效方法。然而，在垃圾焚烧过程中会产生大量的飞灰，飞灰中由于含有二噁英和重金属等有害物质，属危险废物(危废编号HW18)。
目前国内外处理垃圾焚烧飞灰的主要方法有：稳定固化填埋法、湿式化学法、高温熔融法。三种处理方法中，基于飞灰的基本性质，采用高温熔融处理被认为是减容效果显著，无害化较为彻底，较为理想的工艺，特别是采用电熔融法处理飞灰，在发达国家因其环保效果好而得到高度重视和运用。我国对垃圾焚烧飞灰的处理，由于起步较晚，目前仍以稳定固化填埋为主，在资源化利用方面，国内采用水泥窑高温焙烧协同处理飞灰，以及有色金属火法冶炼“铅、铜、锡”协同处理飞灰等领域开展了积极的探索和运用。上述协同处理飞灰技术，由于高温熔融处理主体设备利用原水泥窑和原现有冶炼设备，主要生产产品不变，协同处理二噁英较为彻底，从资源利用和环保角度，均较稳定固化填埋法更佳。然而，由于我国垃圾焚烧飞灰与国外飞灰成分差别较大，特别是C1离子成分高达10％以上，这对水泥产品质量影响非常大，因此，飞灰在水泥窑协同处理前，必须对飞灰进行水洗预处理，以去除飞灰中大部分C1离子后，方可进入协同处理系统。然而，飞灰水洗预处理的成本费用远高于飞灰进入水泥产品资源化利用的价值。因此，水泥窑协同处理垃圾焚烧飞灰，如果没有处置费补贴，水泥生产成本不光不会降低，反而会增高很多，并且还需投入相应配套的水洗预处理系统及氯盐收集装置。
广东环境保护工程职业学院分别在发明专利申请公开号CN108486387A、CN108517418A、CH108486389A中分别提出了一种有色金属“铅、铜、锡“冶炼过程中将飞灰进行水洗处理，再经干燥处理后作为冶炼熔剂代替石灰石和石英砂等，实现飞灰资源化利用。
该方法与水泥窑协同处理飞灰共同存在的不足之处，仍然是飞灰协同前的预处理费用高于飞灰自身资源化利用的价值，因此，如果协同处理过程中没有处置费补贴，其资源化利用的经济意义仍然不大。并且，由于飞灰中除C1元素含量超过10％外，还含Fe2O3约6％～10％。根据公知的知识可知，有色金属“铅、铜、锡”冶炼过程中，冶炼炉渣中的金属元素含量是随着渣中Fe2O3含量升高而增加的。所以，用飞灰取代石灰石和硅石作熔剂冶炼，不仅因飞灰中CaO含量和SiO2含量没有石灰石和硅石高，会造成冶炼炉渣渣量增大外，同时还由于飞灰中带入的Fe2O3造成渣中铁氧化物增加，带来冶炼过程中金属元素回收率降低。因此，该协同方法对冶炼过程中的金属元素回收不会产生有益效果，只会带来不利的影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种操作简单、节约成本且对环境无害，能够实现废物资源二次经济价值的锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统及方法。
为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统，其包括依序设置并连接的飞灰储料单元、飞灰配料机、制球机、烘干机、矿热炉配料机和矿热电炉；其还包括炉渣水碎装置、锰合金原料供应单元、除尘器、粉尘收集器、合金浇注装置和重金属铸锭装置，所述的矿热电炉具有进料口、熔融金属溶液出口、重金属排放口、烟气出口和炉渣出口，矿热电炉的进料口与矿热炉配料机的出口连接，矿热电炉的烟气出口设于其上部，所述的炉渣出口、熔融金属溶液出口、重金属排放口由上至下依序设于矿热电炉炉体下部，所述的熔融金属溶液出口与合金浇注装置连接，所述的重金属排放口与重金属铸锭装置连接，所述的炉渣出口与炉渣水碎装置连接，所述的烟气出口与除尘器连接，所述的除尘器与粉尘收集器连接，粉尘收集器和飞灰储料单元均与飞灰配料机的进料口连接。
进一步，所述的飞灰储料单元包括飞灰储料仓和粘合剂储料仓，其中，飞灰储料仓为封闭式结构。
进一步，所述的矿热电炉为直流矿热电炉或交流矿热电炉。
进一步，所述的矿热电炉为半封闭式结构或全封闭式结构。
其中，所述的飞灰配料机、制球机、矿热炉配料机、合金浇注装置、炉渣水碎装置均为常规冶金设备，可根据矿热炉容量进行配置。
一种锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统的运行方法，其包括如下步骤：
(1)将垃圾焚烧飞灰与粘结剂加入到飞灰配料机中进行配料形成物料A；
(2)将配置好的物料A混合均匀后，送入制球机中制球处理，然后再输入到烘干机中进行烘干处理后，输送至矿热炉配料机中；
(3)将锰矿石、碳质还原剂加入到矿热炉配料机中与步骤(2)处理后的物料进行混合配料制得物料B；
(4)将物料B输入到矿热电炉中进行冶炼生产，其中，冶炼产生的烟气经烟气出口输送至除尘器中进行除尘处理，除尘产生的粉尘被粉尘收集器收集，然后经粉尘收集器输送回飞灰储料单元中；冶炼产生的熔融金属溶液经熔融金属溶液出口输送到合金浇注装置中进行浇注处理，冶炼过程中，重金属下沉至炉体下部，并经重金属排放口输送到重金属铸锭装置中进行铸锭处理，冶炼产生的炉渣最终经由炉渣出口输送到炉渣水碎装置中进行水碎处理。
进一步，步骤(1)中，垃圾焚烧飞灰与粘结剂的添加重量百分比为粘结剂/飞灰＝1％～5％。
进一步，步骤(2)中，物料A送入制球机中制球处理所的飞灰小球的粒度为20～50mm。
进一步，步骤(3)中的物料B含有CaO、MgO和SiO2，且其质量比为(CaO+MgO)/SiO2＝0.6～O.85。
进一步，步骤(4)中，矿热电炉冶炼的温度为1400～1650℃。
进一步，步骤(4)中，矿热电炉的每炉冶炼周期为3～8小时。
进一步，步骤(4)中，重金属产品排放、铸锭操作为不定时操作，需根据飞灰中重金属含量及锰矿石中重金属含量确定重金属(粗铅)排放时间。重金属排放由炉底重金属回收装置及排放孔排放回收，所述重金属产品主要为粗铅产品(主要来自于飞灰)。
本发明需要说明的是：在矿热炉冶炼锰硅合金协同处理飞灰过程中，飞灰的配入量，需根据飞灰小球中CaO、MgO、SiO2含量以及锰矿石中CaO、MgO、SiO2含量，按入炉原料元素分配要求,以及炉渣碱度,其中，CaO、MgO、SiO2的质量比为(CaO+MgO)/SiO2＝0.6～O.85，根据该式进行计算其配入量，还原剂的配入量，根据还原剂含碳量，按锰硅合金公知的配料计算方法进行配料计算。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：
1、本发明协同技术与现有协同技术(水泥窑和有色金属冶炼协同)相比较，其显著的不同和进步在于垃圾焚烧飞灰在协同处理前无需进行水洗预处理，无需增加新的投资，在协同处理过程中，节约了生产成本，操作简单、实用，经济效益好；
2、本发明的另一个显著特点是所使用的主体设备不同于现有协同技术所用设备；本发明所用的矿热炉设备的熔炼温度可调，锰矿石在矿热炉内的冶炼温度在1400℃～1650℃之间，飞灰在本发明的协同处理温度远高于现有(水泥窑和有色冶炼)协同技术处理温度，因此，飞灰中二噁英分解更快、更彻底，飞灰中重金属元素在矿热炉内首先被氯化后被不断加入的锰矿石及还原剂预热料所捕集后，进入熔化及还原反应区被还原后富集于炉底由特殊设计的重金属排放孔进行收集利用，达到了飞灰无害化、减容化和资源化的较好效果；
3、矿热炉冶炼锰硅合金由于单机产能大，飞灰协同效率高，适合于规模化协同处理。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明方案做进一步的阐述：
图1为本发明系统的简要连接结构示意图；
图2为本发明系统实施例的简要实施流程图。
具体实施方式
实施例1
一、系统结构
如图1所示，本发明系统包括依序设置并连接的飞灰储料单元、飞灰配料机、制球机、烘干机、矿热炉配料机和矿热电炉；其还包括炉渣水碎装置、锰合金原料供应单元、除尘器、粉尘收集器、合金浇注装置和重金属铸锭装置，所述的矿热电炉具有进料口、熔融金属溶液出口、重金属排放口、烟气出口和炉渣出口，矿热电炉的进料口与矿热炉配料机的出口连接，矿热电炉的烟气出口设于其上部，所述的炉渣出口、熔融金属溶液出口、重金属排放口由上至下依序设于矿热电炉炉体下部，所述的熔融金属溶液出口与合金浇注装置连接，所述的重金属排放口与重金属铸锭装置连接，所述的炉渣出口与炉渣水碎装置连接，所述的烟气出口与除尘器连接，所述的除尘器与粉尘收集器连接，粉尘收集器和飞灰储料单元均与飞灰配料机的进料口连接。
其中，所述的飞灰储料单元包括飞灰储料仓和粘合剂储料仓，其中，飞灰储料仓为封闭式结构；作为一种实施例，所述的矿热电炉为直流矿热电炉或交流矿热电炉。
进一步，所述的矿热电炉为半封闭式结构或全封闭式结构。
另外，所述的飞灰配料机、制球机、矿热炉配料机、合金浇注装置、炉渣水碎装置均为常规冶金设备，可根据矿热炉容量进行配置。
本实施例使用的矿热炉设备容量为33MVA。
二、工艺要求
根据GB/T4008-2008锰硅合金产品要求，本实施例产品按FeMn68si18牌号组织生产，其产品化学成分见下表1－1所示；
锰硅合金产品化学成分表表1－1
根据表1－1要求，本实施例选用的锰矿石及辅助原燃材料化学成分如下表1－2所示。
锰矿及原燃材料化学成分表表1－2
本实施例使用的垃圾焚烧飞灰化学成分见下表1－3所示
垃圾焚烧飞灰化学成分表表1－3
三、配料计算
(一)计算依据及条件：
(1)生产的锰硅合金产品化学成分为：Mn 68％，Si 19％，C 1.2％,Fe 11％、P0.18％；
(2)锰矿石元素分配见下表1－4；
锰矿石元素分配表％表1－4
元素 入合金 入渣 挥发
Mn 82 8 10
Fe 95 5 0
Si 45 50 5
P 75 15 10
(3)出铁口排碳及炉口碳燃烧损失10％；
(4)炉渣碱度R＝CaO+Mg0/Si02＝0.75；
(5)以100kg锰矿为计算基础，计算焦炭、硅石、石灰配入量，从而计算出传统工艺配料单；
(6)利用飞灰中CaO、SiO2及Fe2O3含量取代传统配料工艺中的石灰和铁矿石，从而计算协同处理飞灰的工艺配料单；
(7)配料计算中各原燃材料均按干基计算。
(二)具体计算如下：
(1)100kg锰矿石生产的合金重量为：
W(合金)＝100×34％×82％/68％＝41(kg)；
(2)合金中Si的重量为：
W(SI)＝41×19％＝7.79(kg)；
(3)合金中磷含量为：
P％＝100×0.06×0.75/41×100％＝0.11％；
(4)焦炭用量计算为：
①,还原锰用碳，MnO+C＝Mn+CO↑；
C1＝100×0.34×(0.82+0.1)×12/55＝6.82(kg)；
②,还原Si用碳，Sio2+2C＝Si+2CO↑；
C2＝7.79×(0.45+0.05)/0.45×24/28＝7.42(kg)
③,还原Fe用碳，Fe0+C＝Fe+CO↑；
C3＝41×11％×12/56＝0.97(kg)；
④,合金产品含碳为：
C4＝W合金×1.2％＝41×1.2％＝0.49(kg)；
合计总用碳量为C＝C1+C2+C3+C4＝15.7(kg)。
考虑出铁口排碳及烧损按10％计，焦炭固定碳含量为82％，实际配焦数量为：
C焦＝15.7×1.1/0.82＝21(kg)。
(5)硅石用量计算:SiO2+C＝Si+CO2↑；
①，合金中所需硅石量为：
W(硅石)＝7.79×60/28×0.99＝17.2(kg)；
②，按锰矿石元素分配表知，硅石总配入量45％入合金,进而可得出硅石总需要量为：W硅石总＝17.2/0.45＝38.24(kg)；
③，由表1－2知锰矿石含SiO2量为28.08％，即硅石实际比入量为；
W(硅石实)＝38.24－28.08/0.97＝9.29(kg)。
(6)石灰配入量：
根据炉渣碱度尺R＝CaO+Mg0/Si02＝0.75要求：
本实施例CaO+MgO＝0.75(38.24×50％)＝14.34(kg)
由表1－2知：锰矿石带入CaO+MgO＝3.5(kg),还需配入CaO量为：
W(CaO)＝14.34-3.5＝10.24(kg),折合需配入的石灰量为；
W(石灰)＝10.84/0.85＝12.7513≈13(kg)。
(7)铁矿石配入量：
根据本实施例合金含Fe为11％之要求，每100kg锰矿需配入的Fe元素量为：
W(Fe)＝41×11％/0.95＝4.81(kg),而锰矿自身含Fe量为3.31％,因此实际铁矿配入量为：
W(矿石)＝(4.81－3.31)/0.5＝3(kg)、铁矿石带入的SiO2等其它氧化物忽略不计。
根据以上配料计算，按33MVA矿热炉年生产锰硅合金时间300天计算，传统工艺的配料单见下表1－4所示
33MVA锰硅合金矿热炉冶炼传统工艺配料单表1－4
序号 名称 配方(kg) 百分比(％) 年使用量(吨) 备注
1 锰矿石 100 68.5 112320
2 硅石 9.3 6.3 10330
3 石灰 12.7 8.7 14265
4 铁矿石 3 2.1 3443
5 焦炭 21 14.4 23612
6 合计 146 100 163970 按干基
四、采用垃圾焚烧飞灰配料
采用垃圾焚烧飞灰取代传统工艺配方,具体配料单见下表1－5所示；
33MVA锰硅合金矿热炉同处理飞灰工艺配料单表1－5
本实施例表1－5中，使用的飞灰配入量是根据飞灰化学成分表1－3中CaO+MgO的合量及飞灰中SiO2、Fe元素含量对表1－4进行等值替换计算所得，从而保证了锰硅合金的工艺生产要求。
五、操作工艺流程
如图2所示，一种锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统的运行方法，其包括如下步骤：
(1)将垃圾焚烧飞灰与粘结剂加入到飞灰配料机中进行配料形成物料A；
(2)将配置好的物料A混合均匀后，送入制球机中制球处理，然后再输入到烘干机中进行烘干处理后，输送至矿热炉配料机中；
(3)将锰矿石、碳质还原剂加入到矿热炉配料机中与步骤(2)处理后的物料进行混合配料制得物料B；
(4)将物料B输入到矿热电炉中进行冶炼生产，其中，冶炼产生的烟气经烟气出口输送至除尘器中进行除尘处理，除尘产生的粉尘被粉尘收集器收集，然后经粉尘收集器输送回飞灰储料单元中；冶炼产生的炉渣最终经由炉渣出口输送到炉渣水碎装置中进行水碎处理；
(5)冶炼产生的熔融金属溶液经熔融金属溶液出口输送到合金浇注装置中进行浇注处理；
(6)冶炼过程中，重金属下沉至炉体下部，并经重金属排放口输送到重金属铸锭装置中进行铸锭处理。
最终步骤(4)、(5)、(6)形成的产品分类入库。
六,效果对比
从实施例表1－5与表1－4对比所知，本发明技术不仅可达到年协同处理飞灰31388吨，解决了垃圾焚烧所产生的飞灰二次环境污染，同时还为锰硅合金生产年节约硅石8124吨，节约石灰14265吨，节约铁矿石3443吨，全年合计可节约生产成本费用约1050万元(不包括飞灰中重金属产品回收的收益)，与现有协同处理垃圾焚烧飞灰技术相比较,具有更显著的经济效益和社会环境效益。
另外需要说明的是：锰硅合金产品根据按国标GB/T4008－2008内容，共计有八个牌号，本实施例只选择了其中一个牌号进行计算，其余牌号的配方计算及飞灰配入量，均可按本实施例的方法进行具体计算配料。
以上所述为本发明实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统，其特征在于：其包括依序设置并连接的飞灰储料单元、飞灰配料机、制球机、烘干机、矿热炉配料机和矿热电炉；其还包括炉渣水碎装置、锰合金原料供应单元、除尘器、粉尘收集器、合金浇注装置和重金属铸锭装置，所述的矿热电炉具有进料口、熔融金属溶液出口、重金属排放口、烟气出口和炉渣出口，矿热电炉的进料口与矿热炉配料机的出口连接，矿热电炉的烟气出口设于其上部，所述的炉渣出口、熔融金属溶液出口、重金属排放口由上至下依序设于矿热电炉炉体下部，所述的熔融金属溶液出口与合金浇注装置连接，所述的重金属排放口与重金属铸锭装置连接，所述的炉渣出口与炉渣水碎装置连接，所述的烟气出口与除尘器连接，所述的除尘器与粉尘收集器连接，粉尘收集器和飞灰储料单元均与飞灰配料机的进料口连接。
2.根据权利要求1所述的一种锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统，其特征在于：所述的飞灰储料单元包括飞灰储料仓和粘合剂储料仓，其中，飞灰储料仓为封闭式结构。
3.根据权利要求1所述的一种锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统，其特征在于：所述的矿热电炉为直流矿热电炉或交流矿热电炉。
4.根据权利要求1所述的一种锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统，其特征在于：所述的矿热电炉为半封闭式结构或全封闭式结构。
5.根据权利要求1至4之一所述的一种锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统的运行方法，其特征在于：其包括如下步骤：
（1）将垃圾焚烧飞灰与粘结剂加入到飞灰配料机中进行配料形成物料A；
（2）将配置好的物料A混合均匀后，送入制球机中制球处理，然后再输入到烘干机中进行烘干处理后，输送至矿热炉配料机中；
（3）将锰矿石、碳质还原剂加入到矿热炉配料机中与步骤（2）处理后的物料进行混合配料制得物料B；
（4）将物料B输入到矿热电炉中进行冶炼生产，其中，冶炼产生的烟气经烟气出口输送至除尘器中进行除尘处理，除尘产生的粉尘被粉尘收集器收集，然后经粉尘收集器输送回飞灰储料单元中；冶炼产生的熔融金属溶液经熔融金属溶液出口输送到合金浇注装置中进行浇注处理，冶炼过程中，重金属下沉至炉体下部，并经重金属排放口输送到重金属铸锭装置中进行铸锭处理，冶炼产生的炉渣最终经由炉渣出口输送到炉渣水碎装置中进行水碎处理。
6.根据权利要求5所述的一种锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统的运行方法，其特征在于：步骤（1）中，垃圾焚烧飞灰与粘结剂的添加重量百分比为粘结剂/飞灰=1%～5%。
7.根据权利要求5所述的一种锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统的运行方法，其特征在于：步骤（2）中，物料A送入制球机中制球处理所的飞灰小球的粒度为20～50mm。
8.根据权利要求5所述的一种锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统的运行方法，其特征在于：步骤（3）中的物料B含有CaO、MgO和SiO2，且其质量比为 (CaO+MgO)/SiO2=0.6～O.85。
9.根据权利要求5所述的一种锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统的运行方法，其特征在于：步骤（4）中，矿热电炉冶炼的温度为1400～1650℃。
10.根据权利要求5所述的一种锰硅合金矿热炉冶炼协同处理垃圾焚烧飞灰系统的运行方法，其特征在于：步骤（4）中，矿热电炉的每炉冶炼周期为3～8小时。
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