CN113399437A - 一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统，包括依次布置的旋涡燃烧室、燃尽室、炉膛和余热回收系统，所述旋涡燃烧室用于接收飞灰的燃烧物料以及通过输送管道直接与垃圾焚烧电厂现场的飞灰捕集装置连接，经所述余热回收系统降温后的烟气通向垃圾焚烧电厂现场的烟气处理装置。以解决焚烧飞灰高温熔融过程中处理工艺复杂、燃料消耗量大、玻璃化不彻底、经济性差的问题。本发明还公开一种方法，直接将焚烧飞灰气力输送至高温熔融玻璃化装置，实现熔融工艺与垃圾焚烧电厂一体化运行，整体系统构成闭式循环，没有额外的外运填埋物，系统形成的唯一的玻璃熔渣能进行资源化利用，真正实现垃圾零填埋的绿色处理。
Description
技术领域
本发明涉及高温熔融玻璃化技术领域，具体涉及一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统及方法。
背景技术
随着经济的高速发展，城市垃圾也在不断的增加，目前我国城市生活垃圾以每年8％～10％的速度增长。随着城市生活垃圾热值逐年提高，产量不断增大，我国许多城市采取了焚烧法处理城市生活垃圾。生活垃圾焚烧后，矿物质元素及各种有害元素浓缩于焚烧灰渣中，有毒元素的含量比一般土壤大10～100倍，且垃圾焚烧灰渣中含有高浓度的二恶英《国家危险废物名录》已经明确规定生活垃圾焚烧飞灰为危险废物，飞灰的处置必须严格按照危险废物的标准进行。
目前，垃圾焚烧锅炉产生的大量飞灰的处理办法有水泥固化、螯合剂稳定化等，通过这些方法处理后，不容易发生二次污染。采用水泥固化螯合剂稳定化技术，水泥固化体的浸出速率较高，水泥固化体增容比较高，不仅飞灰体积增大，还需作预处理或需要加入添加剂，因而可能影响水泥浆的凝固，并会使成本增加，而且水泥的碱性能使铵离子变成氨气释出，处理化学泥渣时，由于生成胶状物，使混合物的排料较困难。
高温熔融法是目前公认的无害化处理垃圾焚烧的重要途径。飞灰在熔融升温过程中，其内含有的大量二恶英类有毒有机物被高温分解而彻底消除，大量重金属随熔融物冷却后包封在化学性能异常稳定的玻璃体内，从而实现飞灰的无害化处理。研究表明，采用高温熔融法处理飞灰的耗能很大，因而飞灰处理的成本很高，同时，熔融炉的高温尾气因含有大量重金属和烟尘而无法直排大气，需要复杂的降温、重金属脱除和除尘等设备，系统复杂，一次投资和运行维护的成本都很高。
中国发明专利CN1632376A公布了一种垃圾焚烧飞灰的旋风炉高温熔融处理方法，是利用飞灰与煤粉按照一定比例混合后送入旋风炉燃烧至高温熔融，旋风炉处于还原状态，过量空气系数0.8～0.9，重金属沉落到底部熔渣池底，并能实现重金属与熔渣从各自单独的熔渣口流出。
中国发明专利CN1632376A公布了一种垃圾焚烧飞灰的高温熔融处理方法，按质量比为1:8～10:0.05～0.08混合垃圾飞灰、水和水洗添加剂，置于紫外光照射的条件下，在50～55℃温度下，在180-200r/min的搅拌速率下，水洗处理15～20min，混合物压滤处理，得到滤液和飞灰滤饼，然后将压滤所得的液体经过蒸馏处理后得到可回收利用的水以及可外售的混合盐，将飞灰滤饼与焦炭粉按质量比为1:0.20-0.25混合均匀得到飞灰物料；飞灰物料粉碎后，烘干至含水率≤6％，然后添加质量为飞灰物料质量的1～1.5％的复合助熔剂混匀，再置于温度为1100～1200℃条件下进行熔炼处理，将熔炼产生的废气经过净化处理后排出，并将熔炼后的物料进行提炼分离，即可得到熔融渣和金属合金；
中国发明专利CN100354052C公布了一种垃圾焚烧处理的飞灰熔融添加剂，公布了采用30～50％的B2O3、25～40％的SiO2、7～20％的MgO研磨成106～256目混匀。
现有的工艺系统无法适用于对垃圾焚烧电厂产生的飞灰进行现场处理。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：本发明目的是提供一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统及方法，以解决焚烧飞灰高温熔融过程中处理工艺复杂、燃料消耗量大、玻璃化不彻底、经济性差的问题。直接将垃圾焚烧电厂现场焚烧的飞灰气力输送至高温熔融玻璃化装置，实现熔融工艺与垃圾焚烧电厂一体化运行，整体系统构成闭式循环，没有额外的外运填埋物，系统形成的唯一的玻璃熔渣能进行资源化利用，真正实现垃圾零填埋的绿色处理。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
一方面，本发明提供一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统，包括依次布置的旋涡燃烧室、燃尽室、炉膛和余热回收系统，所述旋涡燃烧室通过输送管道直接与垃圾焚烧电厂现场的飞灰捕集装置连接，经所述余热回收系统降温后的烟气通向垃圾焚烧电厂现场的烟气处理装置。
优选的是，所述旋涡燃烧室倾斜固设于燃尽室侧壁上并与其内部腔体连通，所述炉膛固设于燃尽室顶部并与其内部腔体连通；所述旋涡燃烧室的进料口包括设置于其轴向上的第一入口和侧壁上的格栅状第二入口，所述旋涡燃烧室的尾部设置有锥体结构；旋涡燃烧室的出料口连接有一次排渣口，一次排渣口另一端与设置在燃尽室下方的放渣管连接，放渣管下方对应布置有密封式水冷除渣器。
优选的是，所述放渣管上设置有烟气抽引口，抽出的烟气与外界空气混合后输送至空气预热器内进行预热。
优选的是，所述余热回收系统包括依次布置的余热锅炉、除尘器以及空气预热器，所述余热锅炉和除尘器产生的飞灰与所述飞灰捕集装置捕集的飞灰汇合后输送至所述旋涡燃烧室内，经所述空气预热器降温后的烟气通向所述烟气处理装置。
优选的是，所述旋涡燃烧室的飞灰输送管道上安装有飞灰计量和飞灰缓冲罐。
优选的是，所述燃尽室内设有喷枪。
另一方面，本发明还提供一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统的方法，包括如下步骤：
S1、在旋涡燃烧室内高温弱还原性氛围下，直接将飞灰捕集装置现场捕集的飞灰与燃烧物料混合后送入旋涡燃烧室内高温燃烧至完全熔融状态，并向外排放至密封式水冷除渣器内形成玻璃熔渣；
S2、旋涡燃烧室内的高温烟气经燃尽室转化和初步降温后上行进入炉膛，在炉内烟气进一步降温，并通过向炉内喷射碱性溶液实现炉内烟气的氮氧化物脱除；
S3、炉膛内的烟气引出后送入余热回收系统处理，然后送入烟气处理装置中进行烟气处理，再经飞灰捕集装置进行二次飞灰捕集后再次送入熔融系统，如此形成闭式循环。
优选的是，所述燃烧物料包括燃料、添加剂以及助燃空气。总助燃空气的量与燃料完全燃烧需氧量比例在1.05～1.2之间，其中旋涡燃烧室内助燃空气总量与燃料的理论燃烧空气量之比在0.85～0.95之间；添加剂的添加量为燃料量的1～5％。
优选的是，所述燃料包括固体燃料、液态燃料及气体燃料中的至少一种，所述固体燃料包括煤粉、兰炭粉、木材粉、木质素粉中的至少一种，所述气体燃料包括天然气、沼气、液化石油气、醇类气、有机挥发性气体中的至少一种，所述液态燃料包括重油、汽油、柴油、乙醇中的至少一种；所述助燃空气包括外界空气和引自飞灰燃烧后的部分烟气，所述助燃空气的预热温度控制在200～300℃以上；所述旋涡燃烧室内的燃烧中心温度可达至少1500～1600℃以上，所述燃尽室出口的温度控制在1200～1300℃。
优选的是，旋涡燃烧室中，在第一入口进料过程中，第一入口的风速控制在15～20m/s，飞灰进料量占飞灰总供给量的的0～20％；在第二入口进料过程中，第二入口的风速控制在120m/s以上，飞灰通过第二入口的格栅口由割线方向喷入，飞灰引入速度控制在40～60m/s，飞灰进料量占飞灰总供给量的80～100％。第二入口的风流速高、有利于形成高强湍流，强化飞灰的离心旋转，在高温下飞灰能实现贴壁熔融，提高旋风筒体捕渣率。飞灰从割线方向高速引入时，能增加飞灰在高温空间内的行程，高温下停留时间长，显著降低飞灰硬度，避免固体飞灰颗粒对旋风筒体磨损，延长了设备使用寿命。
与现有技术相比，本发明的一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的方法具有以下优点：
1、采用一体化撬装式系统设计，系统紧凑、简洁，结合智能化控制，系统自动化程度高，安全性好。
2、采用与现有垃圾焚烧电厂现有工艺有机结合，利用现有垃圾焚烧电厂的部分设备，最大限度减少设备投资及运行费用。
3、直接将焚烧飞灰气力输送至高温熔融玻璃化装置，实现熔融工艺与垃圾焚烧电厂一体化运行，整体系统构成闭式循环，没有额外的外运填埋物，系统形成的唯一的玻璃熔渣能进行资源化利用，真正实现垃圾零填埋的绿色处理。
4、采用高温旋涡燃烧形成二次回流，延长飞灰在高温下停留时间，彻底达到飞灰100％的熔融，在特殊添加剂作用下完全玻璃化，玻璃体含量大于90％。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
图2为本发明的旋涡燃烧室侧面结构示意图。
图3为图2中A向结构示意图。
附图标记：1-旋涡燃烧室；2-燃尽室；3-炉膛；4-余热锅炉；5-除尘器；6-空气预热器；7-密封式水冷除渣器；8-一次排渣口；9-放渣管；10-喷枪；11-抽引口；12-飞灰计量；13-飞灰缓冲罐；14-垃圾焚烧炉；15-激冷除酸塔；16-脱硫塔；17-袋式除尘器；18-脱硝系统；19-第一入口；20-第二入口；21-锥体结构。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是不能理解为对本专利的限制。
如图1-3所示，本实施例提供的一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统与现有焚烧电厂相结合共同处理焚烧飞灰，其中，以某一现有焚烧电厂作为实施基础，该现有焚烧电厂包括依次布置的垃圾焚烧炉14、烟气处理装置、飞灰捕集装置以及脱硝系统18，其中烟气处理装置由激冷除酸塔15和脱硫塔16组成，飞灰捕集装置采用袋式除尘器17。本实施例的高温熔融玻璃化利用的系统包括依次布置的旋涡燃烧室1、燃尽室2、炉膛3、余热锅炉4、除尘器5以及空气预热器6，整体系统实现撬装设计，旋涡燃烧室1设置于燃尽室2侧壁上，炉膛3设置于燃尽室2顶部，飞灰在旋涡燃烧室1内形成的熔融灰渣通过一次排渣口8流经所述燃尽室2底部的放渣管9排放至密封式水冷除渣器7。高温熔融炉(包括旋涡燃烧室1、燃尽室2和炉膛3)高度不超过4米，余热回收系统(包括余热锅炉4、除尘器5和空气预热器6)采用水平方向布置，整体系统布置紧凑。固废、危废等废弃物通过垃圾焚烧炉14焚烧后，烟气经过烟气处理装置进行烟气处理，烟气中飞灰将在袋式除尘器17中得到捕集，捕集的飞灰随后经过气力输送送往本发明所述的飞灰高温熔融玻璃化利用工艺系统。本发明的系统利用现有垃圾焚烧电厂的烟气处理装置和飞灰捕集装置，最大限度减少设备投资及运行费用。
旋涡燃烧室1用于接收燃料、添加剂与助燃空气以及通过输送管道直接输入垃圾焚烧电厂现场捕集的飞灰，通过向旋涡燃烧内添加燃料、添加剂与助燃空气能够实现飞灰的燃烧，其中燃料与助燃空气预混后喷入旋涡燃烧室1内，能够快速实现旋涡燃烧室1内的燃烧高温，避免燃料形成炭黑化；在旋涡燃烧室1内形成极度高温，中心温度可达至少1500～1600℃以上，瞬间将进入旋涡燃烧室1的飞灰完全熔融。添加剂成分包括SiO2、碎玻璃渣和CaF2，可以有效降低飞灰的熔融温度，玻璃化程度高。助燃空气预热温度在200℃～300℃以上，并可以掺混循环烟气，达到降低燃烧中氮氧化物，并节省热能的目的。
所述旋涡燃烧室1倾斜固设于燃尽室2侧壁上并与其内部腔体连通，所述炉膛3固设于燃尽室2顶部并与其内部腔体连通；所述旋涡燃烧室1的进料口包括设置于其轴向上的第一入口19和侧壁上的格栅状第二入口20，所述旋涡燃烧室1的尾部设置有锥体结构21。其中，飞灰、燃料、添加剂和助燃空气的输送管道分别通过星形给料阀分别通向第一入口19和第二入口20。由于第二入口20呈格栅状设置，具有多个格栅口，可合理将飞灰、燃料、空气以及添加剂的输出端分别布置于不同的格栅口上，以达到更好地高温熔融效果。
旋涡燃烧室1内飞灰在高速旋转气流的携带下，从旋涡燃烧室1入口端沿着筒壁方向沿螺旋线移动到旋涡燃烧室1尾端，在尾部特殊设计的锥体结构21作用下，飞灰再次经历中心线方向的二次回流，极大提高飞灰在高温燃烧室内的停留时间，并控制出口飞灰的熔融率，能保证飞灰实现100％熔融。
熔融灰渣在旋转离心力作用下飞向旋涡燃烧室1筒壁并被筒壁捕捉，形成一层渣膜，通过旋涡燃烧室1设置有一定的倾角，高温液膜在旋流及重力作用下，逐步向下流动，通过尾端一次排渣口8流出旋涡燃烧室1。其中，一次排渣口8为细条形L型，宽度在50～100mm。
旋涡燃烧室1内通过控制燃料与助燃空气的比例，能实现燃料高温燃烧及燃烧室内弱还原性氛围。旋涡燃烧室1内燃烧烟气从旋涡燃烧室1尾部出口引出后进入燃尽室2，高温烟气弱微向下冲再向上折出，向下出口对着高温熔渣的二次引出口，以实现利用高温烟气的高温保持二次熔渣口温度的目的，避免熔渣冷却导致二次渣口堵塞，影响装置运行。在燃尽室2内火焰能达到伸展，高速气流中含有的未捕集的熔融小液滴及未燃透的含炭微粒在燃尽室2内有足够的停留时间及伸展空间，使得燃料中未然微粒及可燃性气体完全转化，同时上折的燃烧烟气上行时，在燃尽室2顶部与凝渣管相遇，将烟气中剩余熔渣颗粒实现降温、凝聚的目的。燃尽室2出口的温度控制在1200～1300℃以内。
初步降温后的含尘烟气上行进入炉膛3，在炉内烟气进一步降温，在炉膛3内设置有SNCR喷枪10，通过向炉内喷射液氨或尿素实现炉内烟气的氮氧化物脱除，不为后续工艺增加氮氧化物脱除的额外负担。
降温后的烟气随后引出炉膛3进入尾部余热锅炉4降温、除尘器5除尘、空气预热器6预热等工艺环节，降温后的烟气根据飞灰物料特性，随后送入焚烧系统现有的烟气处理装置(激冷除酸塔15和脱硫塔16)，由于烟气量极低，可以利用现有工艺的设备余量兼容该部分烟气的处理设施，烟气随后在现有烟气处理工艺系统中利用飞灰捕集装置再次将二次飞灰捕集，再送入熔融系统，如此循环，系统始终只有燃烧炉底部玻璃化熔渣一个固体废弃物出口，因而真正实现了固废、危废等零污染、零填埋的目的。
其中，高温旋涡燃烧室采用智能化控制，以飞灰输送量为基本参数量，通过燃烧室温度控制燃料、助燃空气量。通过烟气成分分析控制燃料与助燃空气的比例分配。通过熔渣流动监视控制添加剂量。
所述旋涡燃烧室1的飞灰输送管道上安装有飞灰计量12和飞灰缓冲罐13，设置飞灰缓冲罐13的目的是为了对气力输送引起的飞灰流量变化的缓冲，保证后续入炉飞灰量测量参数的恒定。
密封式水冷除渣器7能快速实现熔渣激冷，形成玻璃体。也可以采用旋转空气盘空冷方式来实现熔渣快速冷却。
放渣管9上设置有烟气抽引口11，其主要作用在于抽吸炉膛3部分烟气流保障熔融炉底部渣口高温，同时也抽吸下部激冷产生的部分水蒸汽，混合后送入助燃空气内。
为了使本工艺达到最佳工作效果，满足工艺整体性能要求，设计中关键是控制好飞灰、燃料、助燃空气的供给比例。旋涡燃烧室1中，在第一入口19进料过程中，第一入口19仅通入混合后的燃料和助燃空气，第一入口19的风速(该风速是由燃料和助燃空气的气力输送产生的)控制在15～20m/s，在第二入口205进料过程中，第二入口20的风速(该风速也是由燃料和助燃空气的气力输送产生)的控制在120m/s以上，飞灰通过第二入口的格栅口(该格栅口与燃料和助燃空气输入口不同)由割线方向喷入，飞灰引入速度控制在40～60m/s，飞灰进料量占飞灰总供给量的100％。工艺系统中也布置有温度与压力测点，在烟道内应设有气体成分含量样本采集与检测点，以满足对上述关键因素的控制。
该工艺适用于各种焚烧工艺产生的飞灰，如垃圾焚烧锅炉产生的飞灰、废液焚烧炉产生的飞灰、燃煤锅炉的粉煤灰、气化炉的含炭飞灰、重金属提炼炉产生的飞灰、生产玻璃的0.1mm以下的矿砂细粉等，以上所述飞灰均可以采用本发明的高温熔融玻璃化工艺来实现飞灰的玻璃化处理。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统，其特征在于：包括依次布置的旋涡燃烧室(1)、燃尽室(2)、炉膛(3)和余热回收系统，所述旋涡燃烧室(1)通过输送管道直接与垃圾焚烧电厂现场的飞灰捕集装置连接，经所述余热回收系统降温后的烟气通向垃圾焚烧电厂现场的烟气处理装置。
2.根据权利要求1所述的一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统，其特征在于：所述旋涡燃烧室(1)倾斜固设于燃尽室(2)侧壁上并与其内部腔体连通，所述炉膛(3)固设于燃尽室(2)顶部并与其内部腔体连通；所述旋涡燃烧室(1)的进料口包括设置于其轴向上的第一入口(19)和侧壁上的格栅状第二入口(20)，所述旋涡燃烧室(1)的尾部设置有锥体结构(21)；旋涡燃烧室(1)的出料口连接有一次排渣口(8)，一次排渣口(8)另一端与设置在燃尽室(2)下方的放渣管(9)连接，放渣管(9)下方对应布置有密封式水冷除渣器(7)。
3.根据权利要求2所述的一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统，其特征在于：所述放渣管(9)上设置有烟气抽引口(11)，抽出的烟气与外界空气混合后输送至空气预热器(6)内进行预热。
4.根据权利要求1所述的一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统，其特征在于：所述余热回收系统包括依次布置的余热锅炉(4)、除尘器(5)以及空气预热器(6)，所述余热锅炉(4)和除尘器(5)产生的飞灰与所述飞灰捕集装置捕集的飞灰汇合后输送至所述旋涡燃烧室(1)内，经所述空气预热器(6)降温后的烟气通向所述烟气处理装置。
5.根据权利要求1所述的一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统，其特征在于：所述旋涡燃烧室(1)的飞灰输送管道上安装有飞灰计量(12)和飞灰缓冲罐(13)。
6.根据权利要求1所述的一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统，其特征在于：所述燃尽室(2)内设有喷枪。
7.一种如权利要求1所述的分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在旋涡燃烧室(1)内高温弱还原性氛围下，直接将飞灰捕集装置现场捕集的飞灰与燃烧物料混合后送入旋涡燃烧室(1)内高温燃烧至完全熔融状态，并向外排放至密封式水冷除渣器(7)内形成玻璃熔渣；
S2、旋涡燃烧室(1)内的高温烟气经燃尽室(2)转化和初步降温后上行进入炉膛(3)，在炉内烟气进一步降温，并通过向炉内喷射碱性溶液实现炉内烟气的氮氧化物脱除；
S3、炉膛(3)内的烟气引出后送入余热回收系统处理，然后送入烟气处理装置中进行烟气处理，再经飞灰捕集装置进行二次飞灰捕集后再次送入熔融系统，如此形成闭式循环。
8.根据权利要求7所述的一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的方法，其特征在于：所述燃烧物料包括燃料、添加剂以及助燃空气。
9.根据权利要求7所述的一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的方法，其特征在于：所述燃料包括固体燃料、液态燃料及气体燃料中的至少一种，所述固体燃料包括煤粉、兰炭粉、木材粉、木质素粉中的至少一种，所述气体燃料包括天然气、沼气、液化石油气、醇类气、有机挥发性气体中的至少一种，所述液态燃料包括重油、汽油、柴油、乙醇中的至少一种；所述助燃空气包括外界空气和引自飞灰燃烧后的部分烟气，所述助燃空气的预热温度控制在200～300℃以上；所述旋涡燃烧室(1)内的燃烧中心温度可达至少1500～1600℃以上，所述燃尽室(2)出口的温度控制在1200～1300℃。
10.根据权利要求7所述的一种分布式飞灰高温熔融玻璃化利用的方法，其特征在于：旋涡燃烧室(1)中，在第一入口(19)进料过程中，第一入口(19)的风速控制在15～20m/s，飞灰进料量占飞灰总供给量的的0～20％；在第二入口(20)进料过程中，第二入口(20)的风速控制在120m/s以上，飞灰通过第二入口的格栅口由割线方向喷入，飞灰引入速度控制在40～60m/s，飞灰进料量占飞灰总供给量的80～100％。
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