CN112642842A - 一种高温熔融及全资源分类回收处理生活垃圾焚烧飞灰的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温熔融及全资源分类回收处理生活垃圾焚烧飞灰的方法，通过高温熔融的方式，利用无定型玻璃体稳定固化效果，充分且同时实现了飞灰无害化、减量化、资源化；熔融玻璃体满足相关国家标准要求，冷却凝固后的玻璃体可资源化利用；飞灰高温熔融处理过程中产生的烟气经烟气处理系统处理后达标排放；烟气处理产生的浓缩灰与熔融过程产生的氯盐经再处理系统处理，生成工业盐与金属冶炼原料，过程产生的残渣返回原流程；飞灰高温熔融过程中形成的还原金属液固化后作为金属冶炼原料。本发明还公开了一种高温熔融及全资源分类回收处理生活垃圾焚烧飞灰的处理系统。本发明工艺简单、可操作性强、处理成本低、环保性高、利于推广，实现了焚烧飞灰减量化处理处置与最大程度的资源化回收与利用，具有环保和经济双重价值。
Description
技术领域
本发明属于固废处置与资源化利用领域，特别涉及一种高温熔融及全资源分类回收处理生活垃圾焚烧飞灰的方法和系统。
背景技术
当前，我国正处于城镇化快速发展的时期，生活垃圾产量逐年增高，垃圾焚烧作为一种十分有效的垃圾处理方式得到了广泛的应用，但随之产生了新问题——生活垃圾焚烧飞灰的处理。垃圾飞灰因富集了高含量且易浸出的重金属以及高毒性的二噁英类有机致癌物，在我国被规定为危险废弃物(代码HW18)。
目前，国内外垃圾飞灰无害化处理技术主要有水泥固化、烧结固化、熔融固化和药剂稳定化等。其中熔融固化处理技术将垃圾飞灰与添加剂混合后在1000～1600℃高温下熔融，其高温高效的特性可有效分解飞灰中的二噁英，同时具有减容率高、熔渣性质稳定、可再生利用等优点，应用最为广泛。
中国发明专利(CN109516700B)公开了一种垃圾焚烧灰渣重金属固化方法。该方法将垃圾焚烧灰渣经分选、破碎后得到废杂金属和细底渣；废杂金属用于再生金属；细底渣与垃圾焚烧飞灰混合、熔化和水淬得到水淬渣；水淬渣用于水泥和微晶玻璃。该发明工艺简单、易于产业化，实现了垃圾焚烧灰渣重金属固化并资源化。虽然经过处理的玻璃态固体产品中的重金属含量低于《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007) 限值，但该方法并未充分实现资源化分类回收、熔融基质未充分解毒，重金属等污染成分的长期稳定性难以得到保证，仍然存在二次污染的风险。
中国发明专利(CN109734307B)公开了一种垃圾焚烧飞灰低能耗熔融及高效固化重金属的方法。该方法是将两种以上垃圾焚烧飞灰经过配料得到混合物料；混合物料依次进行热熔融处理和冷却固化处理，得到固化玻璃体；通过多种垃圾焚烧飞灰协同处理控制垃圾焚烧飞灰CaO、SiO2、Al2O3、MgO、Fe2O3等主要组分含量使其形成低熔点熔融体系，同时提高重金属在熔渣中的固化程度，降低垃圾焚烧飞灰熔融处理的成本。但该方法需要对混合物料中主要组分含量进行调控以形成低熔点熔融体系，限制了该方法的进一步应用。处理后的熔渣仍需进入填埋场填埋，占用土地资源，未实现资源物料的二次利用。
中国发明专利(CN111515224A)公开了一种垃圾飞灰处理方法。该方法通过预处理、冶炼、金属回收、建材制作和提盐5个步骤，飞灰处理过程能同时消纳多种城市与工业固废，处理后得到包括金属产品、建材和结晶盐在内的多种工业产品，不仅实现了垃圾飞灰的无害化处理，而且实现了对垃圾飞灰最大程度的资源化回收与利用。但是该方法操作工序复杂，不利于实现工业化推广。
综上所述，开发一种适用于生活垃圾焚烧飞灰特性的可操作性强、处理成本低、环保性高、利于推广的高温熔融处理技术并实现全资源分类回收非常有必要，这既解决飞灰作为危险废物不易处置的难题，而且最大程度地实现了飞灰的减量化与无害化，是垃圾飞灰处理处置的有效途径。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提出一种高温熔融及全资源分类回收处理生活垃圾焚烧飞灰的方法及系统。
本发明通过以下技术方案予以实现：
1.一种高温熔融及全资源分类回收处理生活垃圾焚烧飞灰的方法，其特征在于，将飞灰混合料送入飞灰高温熔融系统，经高温熔融、炉内还原，形成以氯盐和轻质重金属为主的混合氯盐熔液、均质化玻璃液、重质金属还原熔液，经分步梯级回收，实现焚烧飞灰中盐类、玻璃体和重金属的全资源回收利用，可分别用作工业盐、建材原料、冶金原料。所述方法包括以下步骤：
(1)飞灰混合：将飞灰、熔融辅料、助熔剂等按照重量比加入密闭混料系统进行物料混合，实现飞灰混合料均化；
(2)飞灰高温熔融：混合均匀物料经过高温熔融，将飞灰内重金属包裹固化在无定形玻璃态结构内，产生高温烟气、氯盐混合物、均质玻璃液及还原重金属等；
(3)烟气处理：易挥发组分生成高温烟气，经烟气处理后达标排放并产生一定量浓缩灰；
(4)浓缩灰/氯盐再处理：将步骤(2)产生氯盐混合物与步骤(3)产生浓缩灰单独或联合经过再处理工艺过程，将轻质重金属和氯盐进行分离回收，残渣作为配料返回步骤1；
(5)金属还原：通过控制重质重金属在炉内还原区的停留时间，激发重质重金属与飞灰自身碳元素的还原反应，实现重质重金属还原及与玻璃液的分离；
(6)玻璃体固化：利用玻璃体的稳定结构形式，将未分离的重金属固化在玻璃体晶格结构内，满足相关标准要求，实现飞灰无害化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述辅料为碎玻璃、石英砂、矿渣、灰渣、硼砂、碳酸钠、碳酸锂、水玻璃、膨润土中的一种或几种；所述飞灰的添加量为混合料总质量的20～100％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述熔融方式为电阻熔融、电弧熔融、等离子熔融、燃料熔融中的一种或组合；所述炉内温度在800～1500℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述烟气经再燃焼、急冷、吸收、喷淋、脱酸、吸附、过滤及收尘方法中的一种或组合；
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述包括储存、计量、粉碎、水洗、酸洗、碱洗、过滤、烘干、预处理、蒸发结晶方法中的一种或多种；
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述重质重金属在炉内还原区的停留时间为60～200min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中所述重质重金属和玻璃化产物可采用空气冷却、水淬冷却、退火降温中的一种或组合；
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)与步骤(5)所述回收金属可用作有色金属冶炼原料；
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述氯盐可用作化工氯盐产品；
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)所述玻璃化产物可用作微晶玻璃、保温材料、建筑材料、路基材料中的一种或几种；
11.一种采用如权利要求1所述生活垃圾焚烧飞灰高温熔融处理方法的系统，其特征在于，包括物料混合系统1、飞灰高温熔融系统2、烟气处理系统3、浓缩灰/氯盐再处理系统4、还原金属液出料系统5和玻璃液出料系统6。所述物料混合系统出口与飞灰高温熔融系统进口连接，所述烟气处理系统进口与飞灰高温熔融系统热空间出口连接，所述烟气处理系统固体出口、飞灰高温熔融系统氯盐出口与浓缩灰/氯盐再处理系统进口连接；所述飞灰高温熔融系统设有玻璃液出口与还原金属液出口，所述玻璃液出料口与玻璃液出料系统进口连接；所述还原金属液出口与还原金属液出料系统进口连接。
12.根据权利要求11所述的生活垃圾焚烧飞灰高温熔融处理系统，其特征在于，在所述物料混合系统包括物料储存、物料计量、物料输送及物料搅拌均化装置。
13.根据权利要求11所述的生活垃圾焚烧飞灰高温熔融处理系统，其特征在于，所述物料混合系统与飞灰高温熔融系统间配置加料装置，实现物料计量及加料控制。
14.根据权利要求11所述的生活垃圾焚烧飞灰高温熔融处理系统，其特征在于，所述电熔融系统为电阻熔融炉、电弧熔融炉、等离子熔融炉、燃料熔融炉中的一种或多种；
15.根据权利要求11所述的生活垃圾焚烧飞灰电热熔融处理系统，其特征在于，所述烟气处理系统包括二燃室、急冷塔、吸收塔、喷淋塔、脱酸塔、吸附过滤器及布袋除尘器装置中的一种或多种；
16.根据权利要求11所述的生活垃圾焚烧飞灰电热熔融处理系统，其特征在于，所述浓缩灰/氯盐再处理系统包括储存、计量、粉碎、水洗、酸洗、碱洗、过滤、烘干、预处理、蒸发结晶装置中的一种或多种。
17.根据权利要求11所述的生活垃圾焚烧飞灰电热熔融处理系统，其特征在于，在所玻璃液出料系统包括水冷、捞渣、空冷、退火、成型装置中的一种或多种。
18.根据权利要求16所述的浓缩灰/氯盐再处理系统，其特征在于，所述液体过滤除杂系统，为常压过滤、膜过滤、离心分离、重力沉降中的一种或组合；
19.根据权利要求16所述的浓缩灰灰/氯盐再处理系统，其特征在于，所述蒸发结晶，为机械蒸汽再压缩结晶、多效蒸发结晶中的任意一种。
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)本发明所述方法运用“熔盐介质分离”原理，将飞灰含氯浓度高转化为有利因素，创造出“疏、堵、收”结合的固废热处理理论，突破了“重固化轻分离”的传统理论误区。
(2)利用熔盐作为导电介质、反应介质和分级介质，研发了集高温熔融-炉内还原-三料分层-梯级回收-资源利用于一体的电极熔融成套技术，使飞灰在高温熔融炉中分为轻、中、重三层，实现焚烧飞灰中盐类、玻璃体和重金属的全资源回收，熔融产物和回收物可分别达到相应的产品标准，实现了焚烧飞灰减量化处理处置与资源化利用。
(3)熔融玻璃体重金属浸出指标能够满足相关标准限值要求。
(3)重金属分步回收，提高回收率。回收的重金属中铜、铅、锌含量均高于相关地质勘查规范中铜、铅锌矿床平均品位。
附图说明
图1为一种高温熔融及全资源分类回收处理生活垃圾焚烧飞灰方法系统流程示意图。
图2为一种高温熔融及全资源分类回收处理生活垃圾焚烧飞灰系统示意图。
图中：1是物料混合系统、2是高温熔融系统、3是烟气处理系统、4是浓缩灰/氯盐再处理系统、5是还原金属液出料系统、6是玻璃液出料系统
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。但下述实例仅仅是本发明的简单例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1：
将飞灰中添加硅质校正辅料和助熔剂制备成混合料，送入高温熔融炉，飞灰的添加量为混合料总质量的50％，硅质校正辅料选用石英砂。
熔炉为全电熔化，由2支水平平插钼电极把电能输入到垃圾焚烧飞灰熔融液中，为垃圾焚烧飞灰熔化提供能量。炉内熔融温度控制在1350℃时，物料停留90min后进行排料，轻质重金属漂浮在上层成为硝水的组成部分，同步实现硝水层与重质重金属玻璃液层分离，硝水汇集至炉池顶部的导流装置，通过定期或连续卸料的方式排出，冷却，破碎，备用；烟气经二燃室、急冷塔、吸收塔、活性炭吸附装置、布袋除尘器，废气深度净化后达标排放(GB18484-2020)，收集布袋浓缩灰备用；重质熔融液沉降至熔融炉底部。
控制重质重金属在炉内还原区的停留时间为90min，重质重金属与飞灰自身碳元素的还原反应，使重质层中重质重金属与玻璃液分离，重质重金属和玻璃化产物分别在熔融炉的底部放渣口和侧面的玻璃液流出口采用水淬冷却的方式回收，重质重金属可用作有色金属冶炼原料，所述水淬玻璃化产物可用作微晶玻璃、保温材料原料。
破碎的硝水冷却物和回收布袋浓缩灰混合，通过水洗、逐级分离，将轻质重金属和可溶盐进行分离回收，残渣作为配料回熔融炉。
回收结晶盐和重金属综合回收率见表1，回收的重金属中铜、铅、锌含量均高于相关地质勘查规范中铜、铅锌矿床平均品位，回收的盐类符合《工业盐》GB/T 5462-2015和《工业氯化钾》GB/T 7118-2008标准中二级产品要求；玻璃化产品重金属浸出指标见表 2，远远低于GB 5085.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》标准要求；烟气检测指标见表3，满足GB18484-2020《危险废物焚烧污染控制标准》要求。
表1回收率
表2玻璃化产品重金属浸出毒性检测
单位：mg/L
| 重金属 | Zn | Cd | Pb | Ni | Cu | Cr | As |
| 浸出毒性 | 0.018 | ND | ND | ND | ND | ND | ND |
表3烟气检测指标
单位：mg/m3
| 污染物项目 | 烟尘 | 二氧化硫 | 氟化氢 | 氯化氢 | 氮氧化物 | 二噁英类ng TEQ/m<sup>3</sup> |
| 净化后烟气 | 14 | 35 | ND | 15.2 | 39 | 0.024 |
实施例2：
将飞灰中添加硅质校正辅料和助熔剂制备成混合料，送入高温熔融炉，飞灰的添加量为混合料总质量的75％，硅质校正辅料选用石英砂，助熔剂选用硼砂。
熔炉为全电融化，由2支水平平插钼电极把电能输入到垃圾焚烧飞灰熔融液中，为垃圾焚烧飞灰熔化提供能量。炉内熔融温度控制在1400℃时，物料停留100min后进行排料，轻质重金属漂浮在上层成为硝水的组成部分，同步实现硝水层与重质重金属玻璃液层分离，硝水汇集至炉池顶部的导流装置，通过定期或连续卸料的方式排出，冷却，破碎，备用；烟气经二燃室、急冷塔、吸收塔、活性炭吸附装置、布袋除尘器，废气深度净化后达标排放(GB18484-2020)，收集布袋浓缩灰备用；重质熔融液沉降至熔融炉底部。
控制重质重金属在炉内还原区的停留时间为100min，重质重金属与飞灰自身碳元素的还原反应，使重质层中重质重金属与玻璃液分离，重质重金属和玻璃化产物分别在熔融炉的底部放渣口和侧面的玻璃液流出口采用水淬冷却的方式回收，重质重金属可用作有色金属冶炼原料，所述水淬玻璃化产物可用作微晶玻璃、保温材料原料。
破碎的硝水冷却物和回收布袋浓缩灰混合，通过水洗、逐级分离，将轻质重金属和可溶盐进行分离回收，残渣作为配料回熔融炉。
回收结晶盐和重金属综合回收率见表1，回收的重金属中铜、铅、锌含量均高于相关地质勘查规范中铜、铅锌矿床平均品位，回收的盐类符合《工业盐》GB/T 5462-2015和《工业氯化钾》GB/T 7118-2008标准中二级产品要求；玻璃化产品重金属浸出指标见表 2，远远低于GB 5085.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》标准要求；烟气检测指标见表3，满足GB18484-2020《危险废物焚烧污染控制标准》要求。
表1回收率
表2玻璃化产品重金属浸出毒性检测
单位：mg/L
| 重金属 | Zn | Cd | Pb | Ni | Cu | Cr | As |
| 浸出毒性 | ND | ND | ND | ND | ND | ND | ND |
表3烟气检测指标
单位：mg/m3
| 污染物项目 | 烟尘 | 二氧化硫 | 氟化氢 | 氯化氢 | 氮氧化物 | 二噁英类ng TEQ/m<sup>3</sup> |
| 净化后烟气 | 16 | 29 | ND | 18.5 | 28 | 0.011 |
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，即上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (19)
1.一种高温熔融及全资源分类回收处理生活垃圾焚烧飞灰的方法，其特征在于，将飞灰混合料送入飞灰高温熔融系统，经高温熔融、炉内还原，形成以氯盐和轻质重金属为主的混合氯盐熔液、均质化玻璃液、重质金属还原熔液，经分步梯级回收，实现焚烧飞灰中盐类、玻璃体和重金属的全资源回收利用，可分别用作工业盐、建材原料、冶金原料。所述方法包括以下步骤：
(1)飞灰混合：将飞灰、熔融辅料、助熔剂等按照重量比加入密闭混料系统进行物料混合，实现飞灰混合料均化；
(2)飞灰高温熔融：混合均匀物料经过高温熔融，将飞灰内重金属包裹固化在无定形玻璃态结构内，产生高温烟气、氯盐混合物、均质玻璃液及还原重金属等；
(3)烟气处理：易挥发组分生成高温烟气，经烟气处理后达标排放并产生一定量浓缩灰；
(4)浓缩灰/氯盐再处理：将步骤(2)产生氯盐混合物与步骤(3)产生浓缩灰单独或联合经过再处理工艺过程，将轻质重金属和氯盐进行分离回收，残渣作为配料返回步骤1；
(5)金属还原：通过控制重质重金属在炉内还原区的停留时间，激发重质重金属与飞灰自身碳元素的还原反应，实现重质重金属还原及与玻璃液的分离；
(6)玻璃体固化：利用玻璃体的稳定结构形式，将未分离的重金属固化在玻璃体晶格结构内，满足相关标准要求，实现飞灰无害化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述辅料为碎玻璃、石英砂、矿渣、灰渣、硼砂、碳酸钠、碳酸锂、水玻璃、膨润土中的一种或几种；所述飞灰的添加量为混合料总质量的20～100％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述熔融方式为电阻熔融、电弧熔融、等离子熔融、燃料熔融中的一种或组合；所述炉内温度在800～1500℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述烟气经再燃焼、急冷、吸收、喷淋、脱酸、吸附、过滤及收尘方法中的一种或组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述包括储存、计量、粉碎、水洗、酸洗、碱洗、过滤、烘干、预处理、蒸发结晶方法中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述重质重金属在炉内还原区的停留时间为60～200min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中所述重质重金属和玻璃化产物可采用空气冷却、水淬冷却、退火降温中的一种或组合。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)与步骤(5)所述回收金属可用作有色金属冶炼原料。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述氯盐可用作化工氯盐产品。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)所述玻璃化产物可用作微晶玻璃、保温材料、建筑材料、路基材料中的一种或几种。
11.一种采用如权利要求1所述生活垃圾焚烧飞灰高温熔融处理方法的系统，其特征在于，包括物料混合系统1、飞灰高温熔融系统2、烟气处理系统3、浓缩灰/氯盐再处理系统4、还原金属液出料系统5和玻璃液出料系统6。所述物料混合系统出口与飞灰高温熔融系统进口连接，所述烟气处理系统进口与飞灰高温熔融系统热空间出口连接，所述烟气处理系统浓缩灰出口、飞灰高温熔融系统氯盐出口与浓缩灰/氯盐再处理系统进口连接；所述飞灰高温熔融系统设有玻璃液出口与还原金属液出口，所述玻璃液出料口与玻璃液出料系统进口连接；所述还原金属液出口与还原金属液出料系统进口连接。
12.根据权利要求11所述的生活垃圾焚烧飞灰高温熔融处理系统，其特征在于，在所述物料混合系统包括物料储存、物料计量、物料输送及物料搅拌均化装置。
13.根据权利要求11所述的生活垃圾焚烧飞灰高温熔融处理系统，其特征在于，所述物料混合系统与飞灰高温熔融系统间配置加料装置，实现物料计量及加料控制。
14.根据权利要求11所述的生活垃圾焚烧飞灰高温熔融处理系统，其特征在于，所述电熔融系统为电阻熔融炉、电弧熔融炉、等离子熔融炉、燃料熔融炉中的一种或多种。
15.根据权利要求11所述的生活垃圾焚烧飞灰电热熔融处理系统，其特征在于，所述烟气处理系统包括二燃室、急冷塔、吸收塔、喷淋塔、脱酸塔、吸附过滤器及布袋除尘器装置中的一种或多种。
16.根据权利要求11所述的生活垃圾焚烧飞灰电热熔融处理系统，其特征在于，所述浓缩灰/氯盐再处理系统包括储存、计量、粉碎、水洗、酸洗、碱洗、过滤、烘干、预处理、蒸发结晶装置中的一种或多种。
17.根据权利要求11所述的生活垃圾焚烧飞灰电热熔融处理系统，其特征在于，在所玻璃液出料系统包括水冷、捞渣、空冷、退火、成型装置中的一种或多种。
18.根据权利要求16所述的浓缩灰/氯盐再处理系统，其特征在于，所述液体过滤除杂系统，为常压过滤、膜过滤、离心分离、重力沉降中的一种或组合。
19.根据权利要求16所述的浓缩灰/氯盐再处理系统，其特征在于，所述蒸发结晶，为机械蒸汽再压缩结晶、多效蒸发结晶中的任意一种。
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