CN110238157A - 一种飞灰深度脱氯和资源化改性的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及垃圾焚烧处理技术，旨在提供一种飞灰深度脱氯和资源化改性的方法和系统。该系统中，飞灰给料仓接于水平式滚筒球磨机的进料口；后者的出料口接于一级板框压滤机，滤液导槽与废水输送管道相连，压滤飞灰出口接至一级搅拌釜的进料口；一级搅拌釜顶部设置给水进口，其底部出料口接至二级板框压滤机的进料口；二级板框压滤机的滤液导槽接至水平式滚筒球磨机的进料口，压滤飞灰出口接至桨叶式干燥机的进料口，后者设有排放飞灰的出料口。本发明能促进飞灰中难溶性氯盐和被包裹的可溶性氯盐的溶出，实现飞灰的深度脱氯；工艺整体反应条件温和，在常温常压大气气氛条件下进行，且流程简单，过程环保，无气体污染物产生。
Description
技术领域
本发明涉及垃圾焚烧处理技术，特别涉及城市生活垃圾焚烧飞灰的深度脱氯、改性及资源化利用，是一种高效且低成本的飞灰深度脱氯和资源化品质提升的处置技术。
背景技术
我国城市生活垃圾年产量逐年上升，2017年，垃圾清运量高达21520万吨，相比2016年增长5.69％。生活垃圾焚烧发电因其减容减量和能源回收的优势而越来越受到青睐，此外，焚烧的高温可以杀灭细菌和病毒，无害化程度更高。2011-2017年，垃圾焚烧年处理量从2599万吨/年显著增加到8463万吨/年，翻了三倍多。然而，垃圾焚烧所产生的飞灰被我国法律法规明确归类为危险废弃物，2017年我国的飞灰产量超过500万吨，因此，有必要对其进行合理的处置。飞灰中含有一定量的水泥类矿物质，如硅酸盐、石英砂、硅铝酸盐和石灰等，因此其具有一定的火山灰活性，并且在经过合理的处置之后，有建材化的潜质。常见的飞灰资源化利用方式包括：1、飞灰的水泥窑协同处置；2、飞灰直接添加到水泥、混凝土中用作路基堤坝等的建设。但是，飞灰中的氯是阻碍飞灰资源化利用的最主要因素，此外，飞灰中的痕量金属在飞灰作为熟料进行资源化利用的过程中，会造成严重的试块膨胀问题。因此，妥善、高效、低成本地对城市生活垃圾焚烧飞灰进行脱氯和资源化改性处置，已成为行业普遍和迫切的需求，也是制约垃圾焚烧行业发展的重要问题之一。
目前，城市生活垃圾焚烧飞灰的脱氯方式主要为水洗，水洗可以有效去除可溶性氯。然而普通的水洗脱氯存在其局限性，因为飞灰中还有部分难溶性的氯盐，以氯铝酸盐的形态存在(Friedel’s盐，[Ca2Al(OH)6]Cl·2H2O)，这部分氯是普通水洗无法去除的。此外，有关飞灰造成水泥试块发胀的问题，目前为止，鲜有合适的解决办法。水泥窑对入窑物料的氯含量有严格的限制，深度去除飞灰中的氯将有可能显著增加水泥窑对飞灰的处置能力，促进我国巨量飞灰的处置。此外，低氯含量的飞灰直接加到水泥基材料中使用，也可以更好地保证材料的品质不受影响。
因此，基于以上背景，本发明提出了一种高效且低成本的飞灰深度脱氯和资源化改性处置技术和系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种飞灰深度脱氯和资源化改性的方法和系统。该技术不仅能同时实现飞灰的深度脱氯和资源化品质的提升，而且具有操作简单、成本低廉、过程环保等特点。
为了解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种飞灰深度脱氯和资源化改性的系统，包括飞灰给料仓；该系统还包括水平式滚筒球磨机、一级搅拌釜、一级板框压滤机、二级板框压滤机和桨叶式干燥机；飞灰给料仓的底部接于水平式滚筒球磨机上部的进料口，水平式滚筒球磨机具有密封的筒体，内置若干不锈钢磨球，其出料口接于一级板框压滤机的进料口；一级板框压滤机的滤液导槽与废水输送管道相连，压滤飞灰出口由输送管道连接至一级搅拌釜的进料口；一级搅拌釜顶部设置给水进口，其底部出料口接至二级板框压滤机的进料口；二级板框压滤机的滤液导槽由输送管道接至水平式滚筒球磨机的进料口，压滤飞灰出口由输送管道接至桨叶式干燥机的进料口，后者设有排放飞灰的出料口。
本发明中，在二级板框压滤机和桨叶式干燥机之间，还串联设置至少一组由搅拌釜与板框压滤机组成的机械化学水洗模块；其中，新增搅拌釜的进料口接受给水和来自前方紧邻板框压滤机的压滤飞灰出料，新增板框压滤机的滤液导槽由输送管道接至一级搅拌釜的进料口。
本发明中，以搅拌池替换所述搅拌釜，原搅拌釜的底部出料方式改为在搅拌池底部设置潜水泵或连接离心泵入口的输送管路。
本发明中，所述水平式滚筒球磨机的滚筒转速为42～18rpm，滚筒容积为20L～30m3。
本发明中，所述搅拌釜中的搅拌器转速为100～3000rpm，搅拌釜的容积范围为1L～20m3。
本发明中，所述板框压滤机的压滤面积为0.5～500m2，滤布的孔径<1μm。
本发明中，所述桨叶式干燥机的干燥面积为0.5～500m2，干燥方式为蒸汽干燥或者导热油干燥。
本发明进一步提供了利用前述系统实现飞灰深度脱氯和资源化改性的方法，包括以下步骤：
(1)将含水率低于30％、粒径为0.01～1000μm的飞灰由给料仓添加入到水平式滚筒球磨机的密闭筒体中，不锈钢磨球与飞灰的质量比为4～40:1；导入来自二级板框压滤机的滤液后，在常温常压空气气氛下密闭水平式滚筒球磨机并运行，使飞灰中成分在球磨过程中发生化学反应，控制反应时间小于48个小时；
(2)将球磨后所得飞灰泥浆导入一级板框压滤机中进行固液分离，压滤所得滤液经废水输送管道送至污水处理厂处理，所得压滤飞灰输送至一级搅拌釜；向一级搅拌釜中加入清水，添加量是水平式滚筒球磨机中初始飞灰进料量的2～30倍质量；搅拌10～120分钟后，将飞灰泥浆导入二级板框压滤机进行固液分离，压滤所得滤液导入水平式滚筒球磨机中，压滤飞灰则输送至桨叶式干燥机中进行干燥，使飞灰的最终含水率低于5％。
本发明中，所述步骤(2)中还包括针对压滤飞灰的进一步机械化学水洗过程：在二级板框压滤机和桨叶式干燥机之间，串联设置至少一组由搅拌釜与板框压滤机组成的机械化学水洗设备；从新增搅拌釜的进料口引入清水和来自前方紧邻板框压滤机的压滤飞灰出料，新增板框压滤机的滤液则被送至一级搅拌釜；在新增搅拌釜中，清水的添加量是水平式滚筒球磨机中初始飞灰进料量的2～30倍质量，搅拌时间为10～120分钟。
本发明中，所述板框压滤机的过滤压强为0.5～2.5MPa，压滤时间为10～120分钟。
发明原理描述：
机械化学法是一种操作简单、反应条件温和且能耗低的飞灰非热处置方法，它通过持续的机械力作用，来对飞灰进行反复的破碎、挤压和聚合，使飞灰颗粒被激活，具体表现为：飞灰颗粒粒径显著降低、比表面积增大(产生大量新生表面)、分散度增加，同时，飞灰内部的晶体物质无定型化(晶格产生大量缺陷或者畸变)。被激活的飞灰颗粒内部难溶性氯盐溶解度增加，使得普通水洗难以去除的部分氯进一步溶出，而且，飞灰颗粒包裹的可溶性氯盐，也会随之颗粒的破碎而溶出，从而实现飞灰的深度脱氯。被激活的飞灰颗粒内部晶体的反应活性显著增加，并在碱性溶液的环境中，飞灰内部的痕量金属快速发生氧化腐蚀反应，产生还原性气体。痕量金属的氧化腐蚀反应在机械力的促进作用下，可以在较短时间进行完毕。这样，飞灰在后续的水泥基材料中作为熟料直接使用时，将不再会引发试块的膨胀问题。此外，本发明中，飞灰与水洗液的流动方向相反，这种水洗方式可以显著提升水洗液对飞灰中残余氯的洗脱效率，从而在保证不增加用水量的条件下，显著提升飞灰脱氯效果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明所采用的机械化学法可以促进飞灰中难溶性氯盐和被包裹的可溶性氯盐的溶出，实现飞灰的深度脱氯；
(2)飞灰经深度脱氯，其在水泥窑中添加量可大幅增加，且其在做熟料使用时，氯的危害也大大降低；
(3)处置后的飞灰粒径降低、比表面积增大、固体分散度增加、晶体反应活性增加，用作生料可以更好地参与水泥窑中的高温反应，用作熟料可以更好地参与水泥水化反应；
(4)处置后飞灰用作熟料直接添加到水泥材料中使用时，不再会发生产气反应，不会引起试块的膨胀问题，从而保障了试块的机械强度；
(5)飞灰中碱性化合物为飞灰机械化学水洗液提供了碱性环境，所以无需外加添加剂，节约了处置成本；
(6)工艺整体反应条件温和，在常温常压大气气氛条件下进行，且流程简单，过程环保，无气体污染物产生。
附图说明
图1为本发明的二级机械化学水洗结构示意图。
图2为本发明的三级机械化学水洗结构示意图。
附图标记：1飞灰给料仓；2水平式滚筒球磨机；3一级板框压滤机；4一级搅拌釜；5二级板框压滤机；6二级搅拌釜；7三级板框压滤机；8桨叶式干燥机。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明所述的飞灰深度脱氯和资源化改性的系统，具有二级机械化学水洗和三级机械化学水洗两种形式。
二级机械化学水洗系统包括：飞灰给料仓1、水平式滚筒球磨机2、一级板框压滤机3、一级搅拌釜4、二级板框压滤机5和桨叶式干燥机8。飞灰给料仓1的底部接于水平式滚筒球磨机2上部的进料口，水平式滚筒球磨机2具有密封的筒体，内有大量不锈钢磨球；水平式滚筒球磨机2的出料口接于一级板框压滤机3进料口，一级板框压滤机3的滤液导槽与废水输送管道相连，一级板框压滤机3的压滤飞灰输送管道连接一级搅拌釜4的进料口；一级搅拌釜4的出料口连接二级板框压滤机5，一级搅拌釜4的进料口还与清水给水管道相接；二级板框压滤机5的滤液导槽与水平式滚筒球磨机2进料口相接，二级板框压滤机5的压滤飞灰输送管道连接桨叶式干燥机8的进料口。
三级机械化学水洗系统是在二级机械化学水洗系统基础上增设了机械化学水洗模块，即在二级板框压滤机5和桨叶式干燥机8之间，还串联设置至少一组由搅拌釜与板框压滤机组成的机械化学水洗设备；其中，新增搅拌釜的进料口接受给水和来自前方紧邻板框压滤机的压滤飞灰出料，新增板框压滤机的滤液导槽由输送管道接至一级搅拌釜的进料口。
如图2所示，三级机械化学水洗系统具体包括：飞灰给料仓1、水平式滚筒球磨机2、一级板框压滤机3、一级搅拌釜4、二级板框压滤机5、二级搅拌釜6、三级板框压滤机7、桨叶式干燥机8。飞灰给料仓1的底部接于水平式滚筒球磨机2上部的进料口，水平式滚筒球磨机2具有密封的筒体，内有大量不锈钢磨球；水平式滚筒球磨机2的出料口接于一级板框压滤机3进料口，一级板框压滤机3的滤液导槽与废水输送管道相连，一级板框压滤机3的压滤飞灰输送管道连接一级搅拌釜4的进料口；一级搅拌釜4的出料口连接二级板框压滤机5；二级板框压滤机5的滤液导槽与水平式滚筒球磨机2进料口相接，二级板框压滤机5的压滤飞灰输送管道连接二级搅拌釜6的进料口，二级搅拌釜6的进料口还与清水给水管道相接；二级搅拌釜6的出料口与三级板框压滤机7的进料口相接，三级板框压滤机7的滤液导槽与一级搅拌釜4的进料口相接，三级板框压滤机7的压滤飞灰输送管道连接桨叶式干燥机8的进料口。
上述设备大小或性能的可选范围包括：水平式滚筒球磨机2的滚筒转速为42～18rpm，滚筒容积为20L～30m3；搅拌釜4、6中的搅拌器转速为100～3000rpm，搅拌釜4、6的容积范围为1L～20m3；板框压滤机3、5、7的压滤面积为0.5～500m2，滤布的孔径<1μm；桨叶式干燥机8的干燥面积为0.5～500m2，干燥方式为蒸汽干燥或者导热油干燥。本发明中可以用搅拌池替换搅拌釜，原搅拌釜的底部出料方式改为在搅拌池底部设置潜水泵或连接离心泵入口的输送管路。
基于上述设备搭配及选型，本发明所提供飞灰深度脱氯和资源化改性的方法包括以下步骤(方法具有二级机械化学水洗和三级机械化学水洗两种形式)：
(1)将含水率低于30％、粒径为0.01～1000μm的飞灰由飞灰给料仓1加入到水平式滚筒球磨机2的密闭筒体中，使不锈钢磨球与飞灰的质量比为4～40∶1；将来自二级板框压滤机5的二级滤液或者来自三级板框压滤机7的三级滤液全部加入水平式滚筒球磨机2中；水平式滚筒球磨机2在常温常压空气气氛下密闭后开始运行，使飞灰中成分在球磨过程中发生化学反应，控制反应时间小于48个小时；
对于二级机械化学水洗
(2)球磨后所得飞灰泥浆导入一级板框压滤机3中进行固液分离，压滤所得滤液输送至污水处理厂处理，所得压滤飞灰输送至一级搅拌釜4内；向一级搅拌釜4内加入初始飞灰2～30倍质量的清水，搅拌10～120分钟，然后将飞灰泥浆导入二级板框压滤机5进行固液分离；压滤所得二级滤液导入水平式滚筒球磨机2中，所得压滤飞灰输送至桨叶式干燥机8中进行干燥，干燥所得处理飞灰含水率低于5％。
对于三级机械化学水洗
(3)球磨后所得飞灰泥浆导入一级板框压滤机3中进行固液分离，压滤所得滤液输送至污水处理厂处理，所得压滤飞灰输送至一级搅拌釜4内；一级搅拌釜4内加入来自三级板框压滤机7的滤液，搅拌10～120分钟，然后将飞灰泥浆导入二级板框压滤机5进行固液分离，压滤所得二级滤液导入水平式滚筒球磨机2中，所得压滤飞灰输送至二级搅拌釜6内；向二级搅拌釜6内加入初始飞灰2～30倍质量的清水，搅拌10～120分钟，然后将飞灰泥浆导入三级板框压滤机7进行固液分离；压滤所得三级滤液导入一级搅拌釜4中，所得压滤飞灰输送至桨叶式干燥机8中进行干燥，干燥所得处理飞灰含水率低于5％。
作为一个具体实施的例子，其二级机械化学水洗实现过程描述如下：
(1)自循环流化床生活垃圾焚烧电厂的布袋除尘器中，取10kg含水率低于5％、粒径为0.1～200μm的飞灰，由飞灰给料仓1送入容积为120L的水平式滚筒球磨机2中，滚筒内预先放有100kg不锈钢磨球。导入来自二级板框压滤机5的全部二级滤液，在常温常压的空气气氛调节下密封滚筒。(这里单次处理量为10kg，如果需要增大处理量，可以选用容积更大的水平式滚筒球磨机。)
(2)启动水平式滚筒球磨机2，使滚筒转速在40rpm。球磨机的滚筒容积越大，相对应的滚筒转速就越小。球磨反应时间为8小时，反应完成后，飞灰泥浆由水平式滚筒球磨机2的出料口排除出。
(3)从出料口排除的飞灰泥浆被输送到一级板框压滤机3中，在0.6MPa的压强下压滤30分钟后，所得滤液由滤液导槽连接废水输送管道排向污水处理厂，所得压滤飞灰输送进入100L容积的一级搅拌釜4，并向一级搅拌釜4加入60L清水。启动搅拌器，使水与飞灰在釜内充分搅拌混合，釜内搅拌器转速为200rpm，搅拌时间为30分钟。
(4)搅拌完成后，飞灰泥浆由一级搅拌釜4底部排除到二级板框压滤机5中，在0.6MPa的压强下压滤30分钟后，所得二级滤液由输送管道导入水平式滚筒球磨机2中，所得压滤飞灰输送进入干燥面积1m2的桨叶式干燥机8中，在130℃热油的作用下干燥30分钟，干燥飞灰由桨叶式干燥机8的出料口排除收集，得到处理飞灰。
分别取3g处理后的飞灰和原始飞灰在烘箱中105℃条件下干燥12h，然后进行X射线荧光光谱分析(XRF)，以分析处理后飞灰和原始飞灰中氯元素的含量，根据所得结果计算氯元素的脱除率为94.68％，处理飞灰中残余氯质量百分比为0.33％。
记原始飞灰为RFA，处理飞灰为MWFA。取一定量RFA和MWFA在烘箱中105℃条件下干燥12h，然后分别将它们添加到水泥胶砂中部分取代水泥，取代比例以水泥为基底，分别是水泥质量的20、30、40％。根据胶砂强度检测标准GB/T 17671-1999，胶砂的混合配方如下：450g OPC+1350g标准砂+225g水。经混合充分搅拌之后，混合物倒入40mm×40mm×160mm的模具中振实，模具随后置于20±1℃的水浴中储存3或28天进行养护，硬化后胶砂块进行抗压和抗折强度的检测。抗压和抗折强度的检测结果如表1所示：
表1胶砂试块的抗压抗折强度
相比不添加飞灰的胶砂块，原始飞灰(仅仅20％)的添加极大地降低了胶砂块的抗折和抗压强度，28天的抗折和抗压强度分别从9.3±0.4和64.8±0.8MPa下降到5.3±0.3和25.5±2.0MPa。此外，添加了飞灰的胶砂快在养护后发生了非常明显的体积膨胀，这一现象将可能导致飞灰无法用于水泥基材料。然而，机械化学水洗处置很好地解决了膨胀问题，从而大大提升了抗折和抗压强度。MWFA参与制成的胶砂块不再存在体积膨胀的问题。对比添加量20％RFA的胶砂块，添加20％MWFA胶砂块的28天抗折和抗压强度分别从5.3±0.3和25.5±2.0MPa显著上升到9.1±0.1和56.9±1.0MPa。机械化学水洗处置对飞灰性能的提升使得它拥有在水泥基材料中使用的很好品质，且改性后飞灰的表现几乎可以媲美纯水泥。
因此，本发明提供的机械化学水洗对飞灰的深度脱氯和资源化改性方法和系统可以实现生活垃圾焚烧飞灰的深度脱氯和资源化品质的显著提升，而且可以进行飞灰的规模化处置，是一种非常具有商业应用前景的、投资和运行成本低廉且有效的垃圾焚烧行业飞灰处置技术。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种飞灰深度脱氯和资源化改性的系统，包括飞灰给料仓；其特征在于，该系统还包括水平式滚筒球磨机、一级搅拌釜、一级板框压滤机、二级板框压滤机和桨叶式干燥机；飞灰给料仓的底部接于水平式滚筒球磨机上部的进料口，水平式滚筒球磨机具有密封的筒体，内置若干不锈钢磨球，其出料口接于一级板框压滤机的进料口；一级板框压滤机的滤液导槽与废水输送管道相连，压滤飞灰出口由输送管道连接至一级搅拌釜的进料口；一级搅拌釜顶部设置给水进口，其底部出料口接至二级板框压滤机的进料口；二级板框压滤机的滤液导槽由输送管道接至水平式滚筒球磨机的进料口，压滤飞灰出口由输送管道接至桨叶式干燥机的进料口，后者设有排放飞灰的出料口。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在二级板框压滤机和桨叶式干燥机之间，还串联设置至少一组由搅拌釜与板框压滤机组成的机械化学水洗模块；其中，新增搅拌釜的进料口接受给水和来自前方紧邻板框压滤机的压滤飞灰出料，新增板框压滤机的滤液导槽由输送管道接至一级搅拌釜的进料口。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，以搅拌池替换所述搅拌釜，原搅拌釜的底部出料方式改为在搅拌池底部设置潜水泵或连接离心泵入口的输送管路。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述水平式滚筒球磨机的滚筒转速为42～18rpm，滚筒容积为20L～30m3。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述搅拌釜中的搅拌器转速为100～3000rpm，搅拌釜的容积范围为1L～20m3。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述板框压滤机的压滤面积为0.5～500m2，滤布的孔径<1μm。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述桨叶式干燥机的干燥面积为0.5～500m2，干燥方式为蒸汽干燥或者导热油干燥。
8.利用权利要求1所述系统实现飞灰深度脱氯和资源化改性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将含水率低于30％、粒径为0.01～1000μm的飞灰由给料仓添加入到水平式滚筒球磨机的密闭筒体中，不锈钢磨球与飞灰的质量比为4～40:1；导入来自二级板框压滤机的滤液后，在常温常压空气气氛下密闭水平式滚筒球磨机并运行，使飞灰中成分在球磨过程中发生化学反应，控制反应时间小于48个小时；
(2)将球磨后所得飞灰泥浆导入一级板框压滤机中进行固液分离，压滤所得滤液经废水输送管道送至污水处理厂处理，所得压滤飞灰输送至一级搅拌釜；向一级搅拌釜中加入清水，添加量是水平式滚筒球磨机中初始飞灰进料量的2～30倍质量；搅拌10～120分钟后，将飞灰泥浆导入二级板框压滤机进行固液分离，压滤所得滤液导入水平式滚筒球磨机中，压滤飞灰则输送至桨叶式干燥机中进行干燥，使飞灰的最终含水率低于5％。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中还包括针对压滤飞灰的进一步机械化学水洗过程：在二级板框压滤机和桨叶式干燥机之间，串联设置至少一组由搅拌釜与板框压滤机组成的机械化学水洗设备；从新增搅拌釜的进料口引入清水和来自前方紧邻板框压滤机的压滤飞灰出料，新增板框压滤机的滤液则被送至一级搅拌釜；在新增搅拌釜中，清水的添加量是水平式滚筒球磨机中初始飞灰进料量的2～30倍质量，搅拌时间为10～120分钟。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述板框压滤机的过滤压强为0.5～2.5MPa，压滤时间为10～120分钟。
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