CN112222149A - 一种热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统及其工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统及其工艺，包括热脱附装置、烟气处理装置、水洗装置、干燥装置和蒸发结晶工段。不仅能实现飞灰中可溶性盐的回收利用，而且还能通过加热去除飞灰中二噁英等有机毒物，处理飞灰过程中产生的烟气进入垃圾焚烧电厂的炉排炉或活性炭吸附装置处理。本发明能实现飞灰的无害化、资源化、减量化。
Description
技术领域
本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统及其工艺。
背景技术
近年来，在“垃圾围城”日益严峻的形势下，垃圾焚烧发电作为“减量化、无害化、资源化”处置生活垃圾的最佳方式，引起国家高度重视与关注。在焚烧垃圾过程中会产生飞灰，飞灰中不仅含有重金属元素和二噁英等毒性很大的有机物质，还含有大量可溶性盐，对环境有很大的危害性，容易污染环境，进一步危害人体健康。
二噁英类物质具有低水溶性、高脂溶性的特点，以及“三致(致癌、致畸、致突变)”效应，能够在环境中持久地存在，能够经过长距离迁移到达偏远地区，不易被生物降解、光解、化学分解，在环境中难于被分解，还能蓄积在食物链中，对动物和人体构成巨大威胁。
现有技术中脱除飞灰中二噁英的技术主要有：(1)熔融法加热到熔融温度(1300℃左右)以上，将二噁英分解；(2)气相氢气还原法在密闭容器中加热到850℃以上，在氢气的还原作用下脱氯；(3)光化学分解法利用紫外线等照射使二噁英脱氯，同时产生臭氧，由于臭氧的氧化作用使之分解；(4)电子束分解技术使用电子束让废气中的氧气和水等生成活性氧等易反应性物质，进而破坏二噁英的化学结构；(5)低温等离子体外加脉冲电压产生不连续的非破坏性放电，激活二噁英并使之离子化、分解；(6)水泥固化处理；(7)水洗资源化回收工业盐。
其中，水泥稳固化是最常用的飞灰处理技术，主要是将飞灰掺入水泥中，在加水的条件下发生水化反应，形成水化硅酸钙可以固化包容重金属，从而减少重金属的溶出。该技术需要大量的水泥，占用大量填埋空间，不能解决二噁英等有机物的污染问题；
在水泥生产过程中，飞灰中氯含量过高会阻碍水泥水化过程，影响水泥品质。氯化物会在水泥回转窑高温段挥发，然后在低温出口处冷凝而堵塞下游设备，会引起设备停车，因此水泥厂需做旁路放风系统，增加固定投入。
并且仅水洗工艺是将飞灰溶解在水中，只能回收了飞灰中的可溶性盐，在整个工艺流程中并没有处置二噁英等有毒有机物。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统及其工艺，飞灰就地处理，减少飞灰流通环节，减少安全风险，提高效率。本系统与垃圾焚烧电厂协同处置，不产生次生污染物，不用新增排放点。不仅能实现飞灰中可溶性盐的回收利用，而且还能通过加热去除飞灰中二噁英等有机毒物，将尾渣改性为一般固废，处理飞灰过程中产生的高温烟气经过处理后送至垃圾焚烧电厂协同处理。本发明能实现飞灰的无害化、资源化、减量化，且利用现有电厂蒸汽或电能作为补充能源处置焚烧飞灰，处理成本低。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统，包括热脱附装置、烟气处理装置、水洗装置、干燥装置和蒸发结晶工段；其中，蒸发结晶工段包括依次连接的反应池、过滤装置和蒸发结晶装置；
热脱附装置设有飞灰入口，热脱附装置通过对飞灰进行加热，分离有机物；热脱附装置的烟气出口与烟气处理装置的烟气入口连接；热脱附装置的出渣口与水洗装置的入渣口连接，水洗装置内设置有电导率仪和钙镁离子浓度测量仪，水洗装置内先后添加可溶性碳酸盐溶液和絮凝剂；水洗装置的出泥口与干燥装置的入泥口连接，水洗装置的出液口与反应池的入液口连接；其中，烟气处理装置为垃圾焚烧电厂的炉排炉和/或活性炭吸附装置。
反应池内先后添加可溶性碳酸盐和pH调节剂，pH调节剂用于将pH调节至7.0～8.5，根据钙镁离子的浓度补充可溶性碳酸盐至溶液不再产生沉淀，再加入pH调节剂使溶液从碱性到中性；反应池的出料口与过滤装置的入料口连接；过滤装置的出液口与蒸发结晶装置连接；蒸发结晶装置的冷凝水出口与水洗装置的入水口连接。
热脱附装置通过加热污泥，使污泥中二噁英等高分子有机物升华成为气体，同时部分分解为H2、CO、CH4和C2H6等低分子化合物，经热脱附装置处理后的污泥不含二噁英等有机物，可以作为再生材料使用，材料可以作为建筑材料使用也可以去水泥处理系统。
热脱附过程中产生的含二噁英的烟气经烟气处理装置净化后，符合排放标准。本发明的系统无额外的烟气排放点。
进一步，所述水洗装置包括依次连接的一级水洗装置、二级水洗装置和三级水洗装置；一级水洗装置内设置电导率仪和钙镁离子浓度测量仪；二级水洗装置内添加可溶性碳酸盐；三级水洗装置内添加絮凝剂，三级水洗装置的出泥口与干燥装置的入泥口连接，三级水洗装置的出液口与反应池的入液口连接。
一级水洗装置主要是缓冲和中和水质波动，去除不可溶性盐，测量水体中电导率和检测钙镁离子浓度，具体地，钙镁离子浓度的测量可定期取样测量；根据电导率和钙镁离子浓度，在二级水洗装置添加碳酸钠，与废水中的钙离子和镁离子反应，使其形成不溶于水的沉淀物；在三级水洗装置中添加絮凝剂，吸附加速污泥聚合，加快溶液澄清和污泥聚合，便于固液分离。
再进一步，所述絮凝剂为PAC和/或PAM。
进一步，所述pH调节剂为盐酸溶液；所述可溶性碳酸盐为碳酸钠。
再进一步，所述热脱附装置的加热方式为微波加热、电加热、电磁加热、热风加热和红外加热中的一种或几种。
作为优选，所述热脱附装置的加热方式为微波加热，微波波段范围为915～2450MHz。利用电磁波把能量传播到污泥内部，利用微波在快速变化的高频电磁场中与污泥中的极性分子相互作用，致使分子间频繁碰撞而产生摩擦热，使污泥加热。
进一步地，还包括垃圾焚烧电厂能量供给装置，垃圾焚烧电厂能量供给装置分别与干燥装置和热脱附装置连接；垃圾焚烧电厂能量供给装置用于为干燥装置和热脱附装置供应热能(蒸汽)或电能。垃圾焚烧电厂能量供应装置的蒸汽作为干燥装置和热脱附装置的补充热源，或垃圾焚烧电厂能量供应装置为干燥装置和热脱附装置提供电能，以电加热的方式提供热源。利用现有电厂蒸汽(热能)或电能处理焚烧飞灰，降低处理成本。
再进一步，还包括催化分解装置，催化分解装置设置在热脱附装置与烟气处理装置之间；催化分解装置内添加有催化剂，催化剂为钒钛催化剂，钒钛催化剂为V2O5/TiO2和/或V2O5-WO3/TiO2。热脱附装置加热过程中产生的尾气先送入催化分解装置，与其中的催化剂充分接触后的烟气再进入烟气处理系统。催化分解装置可以缓解垃圾焚烧电厂的炉排炉或活性炭吸附装置的处理压力。
进一步，还包括水泥处理系统，干燥装置的出泥口与水泥处理系统的出泥口连接。污泥不含二噁英等有机物和氯元素，可以作为生产原料进入水泥处理系统制成成品水泥。
热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统的工艺，包括以下步骤：
1)将焚烧飞灰送入热脱附装置内，升温至400～600℃加热污泥，污泥中二噁英等高分子有机物气化，同时部分分解为H2、CO、CH4和C2H6等低分子化合物，加热过程中产生的尾气送入进入烟气处理系统；
经过加热后的污泥温度为400～600℃，在加热过程中产生的尾气温度为460～600℃，尾气温度≥污泥温度。
2)将步骤1)加热后的污泥通入一级水洗装置内，加入清水与固体混合，得到浑浊液；
3)测量水体中电导率和钙镁离子浓度，将污泥通入二级水洗装置中，根据电导率和钙镁离子浓度添加可溶性碳酸盐，再通入三级水洗装置中添加絮凝剂，分离污泥和液体，固体进入干燥装置，液体进入反应池；
特别地，可以根据污泥情况在一级水洗装置、二级水洗装置和三级水洗装置中反复漂洗和压滤。
4)步骤3)所得的液体进入反应池，加入可溶性碳酸盐至溶液不再产生沉淀后，再加入pH调节剂将pH调节至7.0～8.5，接着液体进入过滤装置，取上清液通入蒸发结晶装置；
5)蒸发结晶装置通过控制温度得到氯化钠和氯化钾产物；其中，氯化钠的蒸发温度为100℃，氯化钾的蒸发温度为55℃。其中，蒸发结晶装置所产生的冷凝水在水洗装置中回用。
6)步骤3)所得的污泥进入干燥装置后，作为再生材料，此材料可以作为建筑材料使用也可以去水泥处理系统。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明实现飞灰中可溶性盐的回收利用，而且还能通过加热去除飞灰中二噁英等有机毒物和飞灰中的氯元素，处理飞灰过程中产生的烟气进入烟气处理装置，达标后排放至大气。水洗装置中的水重复利用，蒸发结晶装置产生的冷凝水在水洗装置中回用，实现了水资源的回收利用。本发明能实现飞灰的无害化、资源化、减量化。
(2)本发明设置垃圾焚烧电厂能量供应装置，与垃圾焚烧电厂协同处置，不产生次生污染物，不用新增排放点，利用现有热能或电能，降低生产成本；生产出售工业盐，增加企业收益。进入水泥处理系统的干污泥不含有二噁英和氯元素，可作为再生材料，此材料可以作为建筑材料使用也可以去水泥窑协同处理系统。
附图说明
图1为热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统的工艺流程图；
图2为热脱附处理协同电厂能源的工艺流程图。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统，如图1所示，包括热脱附装置、烟气处理装置、水洗装置、干燥装置和蒸发结晶工段；其中，蒸发结晶工段包括依次连接的反应池、过滤装置和蒸发结晶装置；
热脱附装置设有飞灰入口，热脱附装置用于加热飞灰，分离有机物；热脱附装置的烟气出口与烟气处理装置的烟气入口连接；热脱附装置的出渣口与水洗装置的入渣口连接，水洗装置内设置有电导率仪和钙镁离子浓度测量仪，水洗装置内先后添加可溶性碳酸盐溶液和絮凝剂；水洗装置的出泥口与干燥装置的入泥口连接，干燥装置的出泥口与水泥处理系统连接，水洗装置的出液口与反应池的入液口连接。其中，烟气处理装置为垃圾焚烧电厂的炉排炉和/或活性炭吸附装置。
热脱附装置加热污泥，污泥中二噁英等高分子有机物升华成为气体，同时部分分解为H2、CO、CH4和C2H6等低分子化合物，经热脱附装置处理后的污泥不含二噁英等有机物，残渣经过水洗装置处理后作为再生材料，此材料可以作为建筑材料使用也可以去水泥处理系统。
例如：干燥后的水泥可制成成品水泥，具体步骤为：(残渣)进入原料配料站→和硫酸渣、河沙、石灰石等原材料依次进入生料磨→均化库→分解炉→回转窑→熟料库→水泥磨(也可直接添加进水泥磨)→制成成品水泥。
已知二噁英融化温度为303～304℃，沸点为421～446℃。重金属的挥发温度为：Zn908℃；Cd 765℃；Pb1740℃；Sn2260℃；As615℃(升华)；Hg356℃。加热温度为400～600℃，绝大部分Hg均挥发至烟气中。其余如Zn、Cd、Pb、Sn和As等重金属则继续残留在污泥残渣中。而含有的较多Hg元素以及二噁英的烟气处理装置方能排出大气。
水洗装置包括依次连接的一级水洗装置、二级水洗装置和三级水洗装置；飞灰通过一级水洗装置的入渣口进入水洗装置，一级水洗装置内设置电导率仪和钙镁离子浓度测量仪；二级水洗装置内添加可溶性碳酸盐；三级水洗装置内添加絮凝剂，絮凝剂为PAC和/或PAM；三级水洗装置的出泥口与干燥装置的入泥口连接，三级水洗装置的出液口与反应池的入液口连接；
反应池内先后添加可溶性碳酸盐和pH调节剂，pH调节剂用于将pH调节至7.0～8.5，根据钙镁离子的浓度补充可溶性碳酸盐至溶液不再产生沉淀，再加入pH调节剂使溶液从碱性到中性；反应池的出料口与过滤装置的入料口连接；过滤装置的出液口与蒸发结晶装置连接；蒸发结晶装置的冷凝水出口与水洗装置的入水口连接。
进一步地，如图2所示，还包括垃圾焚烧电厂能量供给装置以及催化分解装置，垃圾焚烧电厂能量供给装置分别与干燥装置和热脱附装置连接；垃圾焚烧电厂能量供给装置用于为干燥装置和热脱附装置供应热能(蒸汽)或电能。垃圾焚烧电厂能量供应装置的蒸汽作为干燥装置和热脱附装置的补充热源，或垃圾焚烧电厂能量供应装置为干燥装置和热脱附装置提供电能，以电加热的方式提供热源。利用现有垃圾焚烧电厂的蒸汽(热能)或电能处理焚烧飞灰，降低处理成本。
催化分解装置设置在热脱附装置与烟气处理装置之间；催化分解装置内添加有催化剂，催化剂为钒钛催化剂，钒钛催化剂为V2O5/TiO2和/或V2O5-WO3/TiO2。热脱附装置加热过程中产生的尾气先送入催化分解装置，与其中的催化剂充分接触后的烟气再进入烟气处理系统。催化分解装置可以缓解垃圾焚烧电厂的炉排炉或活性炭吸附装置的处理压力。
实施例1
热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统的工艺，包括以下步骤：
1)将焚烧飞灰送入热脱附装置内，使用2000MHz的微波升温至460℃加热污泥，污泥中二噁英等高分子有机物气化，同时部分分解为H2、CO、CH4和C2H6等低分子化合物，加热过程中产生的尾气送入垃圾焚烧电厂的炉排炉；
经过加热后的污泥温度为400～600℃，在加热过程中产生的尾气温度为460～600℃，尾气温度≥污泥温度。微波加热的原理为：利用电磁波把能量传播到污泥内部，利用微波在快速变化的高频电磁场中与污泥中的极性分子相互作用，致使分子间频繁碰撞而产生摩擦热。
2)将步骤1)加热后的污泥通入一级水洗装置内，加入清水与固体混合，得到浑浊液；
3)测量水体中电导率和钙镁离子浓度，将污泥通入二级水洗装置中，根据电导率和钙镁离子浓度添加碳酸钠，再通入三级水洗装置中添加PAM，分离污泥和液体，固体进入干燥装置，液体进入反应池；
特别地，可以根据污泥情况在一级水洗装置、二级水洗装置和三级水洗装置中反复漂洗和压滤。
4)步骤3)所得的液体进入反应池，加入碳酸钠至溶液不再产生沉淀后，再加入pH调节剂将pH调节至7.0，接着液体进入过滤装置，取上清液通入蒸发结晶装置；
5)蒸发结晶装置通过控制蒸发温度为55℃得到氯化钾产物；其中，蒸发结晶装置所产生的冷凝水在水洗装置中回用；
6)步骤3)所得的污泥进入干燥装置后，干污泥不含有二噁英和氯元素，得到再生材料，送往水泥处理系统处理。
实施例2
热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统的工艺，包括以下步骤：
1)将焚烧飞灰送入热脱附装置内，使用电加热的方法加热污泥至600℃，污泥中二噁英等高分子有机物气化，同时部分分解为H2、CO、CH4和C2H6等低分子化合物，加热过程中产生的尾气送入催化分解装置，与其中的V2O5/TiO2催化剂充分接触后的烟气再进入活性炭吸附装置；
在加热过程中产生的尾气温度为460～600℃，尾气温度≥污泥温度。
2)将步骤1)加热后的污泥通入一级水洗装置内，加入清水与固体混合，得到浑浊液；
3)测量水体中电导率和钙镁离子浓度，将污泥通入二级水洗装置中，根据电导率和钙镁离子浓度添加碳酸钠，再通入三级水洗装置中添加PAM，分离污泥和液体，固体进入干燥装置，液体进入反应池；
特别地，可以根据污泥情况在一级水洗装置、二级水洗装置和三级水洗装置中反复漂洗和压滤。
4)步骤3)所得的液体进入反应池，加入碳酸钠至溶液不再产生沉淀后，再加入pH调节剂将pH调节至7.5，接着液体进入过滤装置，取上清液通入蒸发结晶装置；
5)蒸发结晶装置通过控制蒸发温度为100℃得到氯化钠产物；其中，蒸发结晶装置所产生的冷凝水在水洗装置中回用；
6)步骤3)所得的污泥进入干燥装置后，干污泥不含有二噁英和氯元素，得到再生材料，此材料作为建筑材料备用。
性能测试
一、取实施例1中步骤5)所得的盐类(氯化钾)和步骤6)所得的干燥处理后的干污泥测量其含水率、含氯量、含汞量、含铅量和二噁英的含量，得出下表数据：
表1经处理后的盐类和残渣与处理前的飞灰数据
二、取实施例2步骤5)所得的氯化钠进行实验测试，得出下表数据：
表2经处理后所得盐类的性能参数
| 质量指标 | 单位 | 标准(精致工业盐二级) | 实测结果 |
| 氯化钠 | ％ | ≥97.5 | 99.78 |
| 水分 | ％ | ≤0.8 | 0.26 |
| 水不溶物 | ％ | ≤0.2 | / |
| 钙镁离子 | ％ | ≤0.6 | / |
| 硫酸根离子 | ％ | ≤0.9 | 0.032 |
根据表1的数据可知，经过处理的盐类(氯化钾)均不含二噁英和铅、汞等重金属元素；经过处理的残渣内不含有二噁英，残余的氯元素仅占0.74％，但是还有残留的汞和铅等有毒重金属，说明经过热脱附装置有效去除飞灰中二噁英等有机毒物，还有效去除了飞灰中的氯元素，减量化明显，干燥处理后的干污泥可作为再生材料，干污泥残存的重金属也可以在水泥处理系统中去除。
根据表2的数据可知，经过蒸发结晶工段(反应池、过滤装置和蒸发结晶装置)处理后的氯化钠，符合精制工业盐二级的标准，说明本发明提供的装置可以有效回收工业盐。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统，其特征在于，包括热脱附装置、烟气处理装置、水洗装置、干燥装置和蒸发结晶工段；其中，蒸发结晶工段包括依次连接的反应池、过滤装置和蒸发结晶装置；
热脱附装置设有飞灰入口，热脱附装置用于加热飞灰，分离有机物；热脱附装置的烟气出口与烟气处理装置的烟气入口连接；热脱附装置的出渣口与水洗装置的入渣口连接，水洗装置内设置有电导率仪和钙镁离子浓度测量仪，水洗装置内先后添加可溶性碳酸盐溶液和絮凝剂；水洗装置的出泥口与干燥装置的入泥口连接，水洗装置的出液口与反应池的入液口连接；其中，烟气处理装置为垃圾焚烧电厂的炉排炉和/或活性炭吸附装置；
反应池内先后添加可溶性碳酸盐和pH调节剂，pH调节剂用于将pH调节至7.0～8.5；反应池的出料口与过滤装置的入料口连接；过滤装置的出液口与蒸发结晶装置连接；蒸发结晶装置的冷凝水出口与水洗装置的入水口连接。
2.如权利要求1所述的热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统，其特征在于，所述水洗装置包括依次连接的一级水洗装置、二级水洗装置和三级水洗装置；热脱附后的飞灰从一级水洗装置入渣口进入，一级水洗装置内设置电导率仪和钙镁离子浓度测量仪；二级水洗装置内添加可溶性碳酸盐；三级水洗装置内添加絮凝剂，三级水洗装置的出泥口与干燥装置的入泥口连接，三级水洗装置的出液口与反应池的入液口连接。
3.如权利要求1所述的热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统，其特征在于，所述热脱附装置的加热方式为微波加热、电加热、电磁加热、热风加热和红外加热中的一种或几种。
4.如权利要求1或3所述的热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统，其特征在于，所述热脱附装置的加热方式为微波加热，微波波段范围为915～2450MHz。
5.如权利要求1所述的热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统，其特征在于，所述絮凝剂为PAC和/或PAM。
6.如权利要求1所述的热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统，其特征在于，所述pH调节剂为盐酸溶液；所述可溶性碳酸盐为碳酸钠。
7.如权利要求1所述的热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统，其特征在于，还包括水泥处理系统，干燥装置的出泥口与水泥处理系统的出泥口连接。
8.如权利要求1所述的热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统，其特征在于，还包括垃圾焚烧电厂能量供给装置，垃圾焚烧电厂能量供给装置分别与干燥装置和热脱附装置连接；垃圾焚烧电厂能量供给装置用于为干燥装置和热脱附装置供应热能或电能。
9.如权利要求1所述的热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统，其特征在于，还包括催化分解装置，催化分解装置设置在热脱附装置与烟气处理装置之间；催化分解装置内添加有催化剂，催化剂为钒钛催化剂，钒钛催化剂为V2O5/TiO2和/或V2O5-WO3/TiO2。
10.如权利要求1～9任一所述的热脱附垃圾焚烧飞灰的处理系统的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)将焚烧飞灰送入热脱附装置内，升温至400～600℃加热污泥，加热过程中产生的尾气送入垃圾焚烧电厂的炉排炉焚烧处理或进入活性炭吸附装置处理；
2)将步骤1)加热后的污泥通入水洗装置内，加入清水与固体混合，得到浑浊液；
3)测量水体中电导率和钙镁离子浓度，然后根据电导率和钙镁离子浓度添加可溶性碳酸盐，再添加絮凝剂，分离污泥和液体，固体进入干燥装置，液体进入反应池；
4)步骤3)所得的液体进入反应池，加入可溶性碳酸盐至溶液不再产生沉淀后，再加入pH调节剂将pH调节至7.0～8.5，接着液体进入过滤装置，取上清液通入蒸发结晶装置；
5)蒸发结晶装置通过控制温度得到氯化钠和氯化钾产物；
6)步骤3)所得的污泥进入干燥装置后，得到再生材料。
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