CN113617805A - 一种低温热处理飞灰的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低温热处理飞灰的系统与方法，包括飞灰预热单元、飞灰多级热解单元、飞灰换热排料单元、空气预热器、燃烧炉；飞灰预热单元、飞灰多级热解单元、飞灰换热排料单元依次连通，燃烧炉输出端与飞灰多级热解单元输入端连通。本发明能够解决现有的水泥固化法处理焚烧飞灰固化二噁英问题，也降低了高温熔融法和水泥窑协同处置法存在能耗高和预处理成本高的问题，克服了活性炭吸附法和光降解法存在吸附材料回收再利用效果不佳和飞灰二噁英降解效率低的缺陷，实现焚烧飞灰连续热处理和高二噁英降解率，而且还可以实现热处理过程余热高效集成利用。

Description

一种低温热处理飞灰的系统与方法

技术领域

本发明涉及垃圾焚烧飞灰处理技术领域，特别是涉及一种低温热处理飞灰的系统与方法。

背景技术

伴随着我国经济高速发展与城市化进程加快，城市生活垃圾产量急剧增加。据报道，我国垃圾总焚烧量截止到2020年底约达59万t/d。目前城市生活垃圾主要采用焚烧处理方式处理，此法能够最大限度实现生活垃圾减容化、减量化、资源化，预计年产生飞灰量约为1000万吨。由此可知，城市垃圾焚烧所产生飞灰产量巨大。

在城市垃圾焚烧过程中不仅所产生飞灰量巨大，而且飞灰中还含有大量的Hg、Pb和Cd等毒性重金属以及大量二噁英类。其中，二噁英在自然界的微生物和水解作用下难以自然分解消除，且毒性相当于砒霜的900倍；同时，二噁英有致癌毒性、生殖毒性以及遗传毒性。为此，《国家危险废物名录》中明确规定垃圾飞灰为危险废弃物。

国内外研究表明，城市垃圾焚烧过程中形成的二噁英主要富集在飞灰中，而排到大气的二噁英不到焚烧厂排放总量的0.3％。因此，垃圾焚烧工艺对气相二噁英主要以控制为主，而固相飞灰二噁英必须予以去除，但是目前尚无完善的飞灰二噁英的处理处置方法。因此，本专利以流态化技术为基础提出一种新型垃圾焚烧飞灰热处理方法与装置，不仅可实现飞灰连续热处理和高二噁英降解率，而且还可以实现热处理过程余热高效集成利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温热处理飞灰的系统与方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现解决了现有的水泥固化法处理焚烧飞灰固化二噁英问题，也降低了高温熔融法和水泥窑协同处置法存在能耗高和预处理成本高的问题，克服了活性炭吸附法和光降解法存在吸附材料回收再利用效果不佳和飞灰二噁英降解效率低的缺陷，实现焚烧飞灰连续热处理和高二噁英降解率，而且还可以实现热处理过程余热高效集成利用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种低温热处理飞灰的系统，包括飞灰预热单元、飞灰多级热解单元、飞灰换热排料单元、空气预热器、燃烧炉；

所述飞灰预热单元、所述飞灰多级热解单元、所述飞灰换热排料单元依次连通，所述燃烧炉输出端与所述飞灰多级热解单元输入端连通，所述飞灰多级热解单元输出端与所述空气预热器输入端连通，所述空气预热器预热烟气输出端与所述飞灰预热单元连通，所述空气预热器预热空气输出端与所述飞灰换热排料单元换热后与所述燃烧炉连通；

所述飞灰多级热解单元包括热解室和设置在所述热解室内的热解螺旋通道，所述热解螺旋通道进料端与所述飞灰预热单元连通，所述热解螺旋通道出料端与所述飞灰换热排料单元连通，所述热解室进气端与所述燃烧炉连通，所述热解室出气端与所述空气预热器连通。

优选的，所述热解室进气端和所述热解室出气端均连通有烟气分流器，所述热解室进气端通过所述烟气分流器与所述燃烧炉连通，所述热解室出气端通过所述烟气分流器与所述空气预热器连通。

优选的，所述热解螺旋通道进料端连通有预热飞灰料仓，所述热解螺旋通道进料端通过预热飞灰料仓与所述飞灰预热单元连通。

优选的，所述热解螺旋通道内设置有用于热解飞灰的热解螺旋杆，所述热解螺旋杆为直杆螺旋杆。

优选的，所述热解螺旋通道进料口和所述热解螺旋通道出料口均设置有氮气吹扫口。

优选的，所述燃烧炉位于所述热解室下方，所述空气预热器和所述飞灰预热单元位于所述热解室上方。

一种低温热处理飞灰的系统的使用方法，操作步骤包括：

a、飞灰预热：向飞灰预热单元通入焚烧飞灰和预热烟气，对焚烧飞灰进行预热得到预热飞灰和外部达标烟气；

b、飞灰热解：向热解螺旋通道通入预热飞灰，启动燃烧炉和热解螺旋杆，燃烧炉向热解室通入热烟气后得到热解处理烟气，热解螺旋杆对预热飞灰进行热解得到热解飞灰；

c、飞灰换热：热解飞灰通入飞灰换热排料单元进行换热，换热完毕后排出；

d、热解处理烟气换热：向空气预热器通入热解处理烟气和外部常温空气，热解处理烟气与外部常温空气换热得到预热烟气和预热空气，预热烟气通入飞灰预热单元内，预热空气通入燃烧炉内。

优选的，步骤d中，预热空气与飞灰换热排料单元内的热解飞灰换热后通入燃烧炉。

优选的，步骤a中，焚烧飞灰与预热烟气直接接触换热得到预热飞灰和外部达标烟气。

优选的，步骤b中，预热飞灰与热烟气间壁换热后得到热解飞灰，步骤d中热解处理烟气与外部常温空气间壁换热得到预热烟气和预热空气。

本发明公开了以下技术效果：

1.本技术方案中从能量利用角度而言实现了能量的高度回收集成利用，整个工艺过程除了设备热损失和尾端储灰器合格飞灰的显热损失外，能量基本完全回收利用，降低了处理吨焚烧飞灰的能耗，本发明处理飞灰工艺(焚烧飞灰能耗在400kWh/t～800kWh/t)，比高温熔融法和水泥窑协同处置法处置焚烧飞灰工艺(焚烧飞灰能耗在1500～2000kWh/t)能耗降低40％～80％。

2.本技术方案中应用飞灰预热单元对焚烧飞灰预热、外部常温空气两级预热、飞灰多级热解单元对飞灰热解、燃烧炉燃烧供热和飞灰换热排料耦合技术处理焚烧飞灰，实现焚烧飞灰中二噁英热降解率高达99.5％以上；操作设备简单可靠，易于检修，投资规模小，比较适合于中小型投资规模焚烧飞灰处理厂。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为低温热处理飞灰的系统的结构示意图；

图2为飞灰多级热解单元的结构示意图；

图3为焚烧飞灰热处理流程图；

其中，1-飞灰预热单元，2-飞灰多级热解单元，21-热解室，22-热解螺旋通道，3-飞灰换热排料单元，4-空气预热器，5-燃烧炉，6-烟气分流器，7-预热飞灰料仓，8-热解螺旋杆，9-氮气吹扫口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种低温热处理飞灰的系统，包括飞灰预热单元1、飞灰多级热解单元2、飞灰换热排料单元3、空气预热器4、燃烧炉5；飞灰预热单元1、飞灰多级热解单元2、飞灰换热排料单元3依次连通，燃烧炉5输出端与飞灰多级热解单元2输入端连通，飞灰多级热解单元2输出端与空气预热器4输入端连通，空气预热器4预热烟气输出端与飞灰预热单元1连通，空气预热器4预热空气输出端与飞灰换热排料单元3换热后与燃烧炉5连通；飞灰多级热解单元2包括热解室21和设置在热解室21内的热解螺旋通道22，热解螺旋通道22进料端与飞灰预热单元1连通，热解螺旋通道22出料端与飞灰换热排料单元3连通，热解室21进气端与燃烧炉5连通，热解室21出气端与空气预热器4连通。

飞灰预热单元1主要利用飞灰多级热解单元2的热解处理烟气余热将焚烧飞灰进行预热；飞灰多级热解单元2主要是对预热飞灰在氮气气氛和多级螺旋输送条件下，通过多级螺旋外的低温热烟气间壁式加热进行热分解飞灰中的二噁英，实现飞灰热处理后无害化；飞灰换热排料单元3主要是将飞灰多级热解单元2热处理合格后的排料降温，并应用空气换热回收再利用排料飞灰显热，实现合格飞灰的余热回收再利用。其中，热解处理烟气指的是预热飞灰热解后得到的热烟气，其内含有热量，将得到的热解处理烟气通入空气预热器4内进行换热。

本技术方案中飞灰换热排料单元3主要用来对经热解处理后的热解飞灰显热进行余热回收再利用。温度在280℃～340℃的热解飞灰进入到飞灰换热排料单元3后移动式排料，合格飞灰排料温度在30℃～50℃。在飞灰换热排料单元3内设置空气盘管(图中未示出)，同时在空气盘管内加设导热体(比如钢丝、陶粒等)，从空气预热器4出来的150℃～180℃的预热空气进入到空气盘管内与热解飞灰进行间壁换热后再次预热。

外部常温空气经过空气预热器4与热解处理烟气一次换热后，再与飞灰换热排料单元内的热解飞灰进行二次换热，空气预热温度到300℃～350℃后进入燃烧炉5内参与燃烧。本技术方案中设置燃烧炉5目的就是为飞灰多级热解单元提供飞灰热解所需热源——热烟气。燃烧炉可采用多种炉型，在此不做限制，燃烧炉所用燃料可以为固体燃料(如煤、渣油、生物质、油页岩等)、液体燃料(如柴油、液化石油等)和气体燃料(天然气等)，氧化剂采用经空气预热器4和飞灰换热排料单元两级预热的预热空气。

本技术方案中空气预热器4优选采用管式换热器，热解处理烟气走壳程，常温空气走管程，管程内放置导热体(比如钢丝、陶粒等)，用于提高常温空气的预热温度。

本技术方案中的飞灰预热单元优选采用带式移动式干燥器、回转式干燥器或流化式干燥器等中的任一装置。如若采用带式移动式干燥器和回转式干燥器方式，常温焚烧飞灰与预热烟气换热采用逆流对流换热方式；如若采用流化式干燥器，常温焚烧飞灰与预热烟气换热采用顺流同向流化换热方式。

本技术方案中，测量进料或者出料温度可以使用温度传感器(图中未示出)，温度传感器应当电性连接有控制阀(图中未示出)，只有当温度传感器检测到进料或者出料温度合格后，控制控制阀启动进行进料或者出料，其中，温度传感器和控制阀的连接与使用方式均属于现有技术，在此不做过多赘述。

本技术方案中，由于对于热量回收率高，进而实现耗能低，相对于现有的高温熔融法和水泥窑协同处置法处置焚烧飞灰工艺，对于热量回收率低，本技术方案具有明显优势。

进一步优化方案，热解室21进气端和热解室21出气端均连通有烟气分流器6，热解室21进气端通过烟气分流器6与燃烧炉5连通，热解室21出气端通过烟气分流器6与空气预热器4连通。燃烧炉5产生的热烟气首先热解室21进气端上的烟气分流器6，使得热烟气较为均匀的布置在热解室21内，热烟气经过传热后得到的热解处理烟气经过热解室21出气端上的烟气分流器6合流进入空气预热器4。在热解室21的热烟气进口和热解处理烟气出口均设置烟气分流器6目的是保证换热热解过程温度较为均匀。

进一步优化方案，热解螺旋通道22进料端连通有预热飞灰料仓7，热解螺旋通道22进料端通过预热飞灰料仓7与飞灰预热单元1连通。由于预热飞灰需要在热解螺旋通道22内运动一端距离后排出，为了防止过多的预热飞灰堵塞热解螺旋通道22，导致预热飞灰内的二噁英分解效果降低，因此在热解螺旋通道22的进料端设置有预热飞灰料仓，完成预热的预热飞灰储存在预热飞灰料仓7内，以使得热解螺旋通道22对预热飞灰中的二噁英进行正常热解处理。

进一步优化方案，热解螺旋通道22内设置有用于热解飞灰的热解螺旋杆8，热解螺旋杆8为直杆螺旋杆。预热飞灰的热解过程采用多级螺旋进行热解，其中，由于传统具有螺旋导向板的螺旋存在飞灰填充率低，处理能力小的确定，因此热解螺旋杆8应当使用无螺旋导向板的直杆螺旋，直杆螺旋杆扰动和推动预热飞灰进入下一级热解螺旋，应用直杆螺旋杆能够改善上述弊端。热解螺旋通道22中热解螺旋长度控制在0.30m～0.50m，以保证预热飞灰在热解过程中不会在热解螺旋通道22内堆积。预热飞灰从预热飞灰料仓7进入第一级螺旋热解后，经过螺旋下料口进入下一级热解螺旋进行热解，后续依次类推。多级螺旋飞灰热解装置设置螺旋级数优选为3级～5级，热解螺旋杆8的旋转转速控制在0.1r/min～0.2r/min，以保证预热飞灰在热解螺旋通道22中反应时间在1.0h～1.5h，预热飞灰热解处理后得到的热解飞灰温度为280℃～340℃。

进一步优化方案，热解螺旋通道22进料口和热解螺旋通道22出料口均设置有氮气吹扫口9。在热解螺旋通道22中的进料口和热解螺旋通道22中的出料口上均设置有氮气吹扫口9，同时在螺旋下料口进入下一级热解螺旋进料口的位置应当也设置有氮气吹扫口9，氮气吹扫口9的设置一方面便于热解螺旋通道22的出料口排出热解飞灰，另一方面便于在热解螺旋杆8转动部分形成微正压，阻止热烟气中氧气进入热解螺旋通道内，造成飞灰二噁英低降解率和再生成问题，同时，还可以将预热飞灰热解产生的二噁英等有毒物质分解物携带出螺旋热解通道22。

进一步优化方案，燃烧炉5位于热解室21下方，空气预热器4和飞灰预热单元1位于热解室21上方。飞灰多级热解单元2位于燃烧炉5与飞灰预热单元1之间，飞灰预热单元1内产生的预热飞灰由上至下排入飞灰换热排料单元3内，在预热飞灰自重和热解螺旋杆8的作用下，使得预热飞灰热解完毕后的热解飞灰顺利排出，而燃烧炉5产生的热烟气由下至上通入热解室21内，最终进入空气预热器4内进行换热，热烟气和预热飞灰采用逆流间壁式换热方式进行飞灰热解。

一种低温热处理飞灰的系统的使用方法，操作步骤包括：

a、飞灰预热：向飞灰预热单元1通入焚烧飞灰和预热烟气，对焚烧飞灰进行预热得到预热飞灰和外部达标烟气。焚烧飞灰直接接触换热得到预热飞灰和外部达标烟气，其中，预热飞灰储存在预热飞灰料仓内，以供给热解螺旋通道22使用，而外部达标烟气排出飞灰预热单元，在经过其他净化步骤后排出。

b、飞灰热解：向热解螺旋通道22通入预热飞灰，启动燃烧炉5和热解螺旋杆8，燃烧炉5向热解室21通入热烟气后得到热解处理烟气，热解螺旋杆8对预热飞灰进行热解得到热解飞灰。燃烧炉5为预热飞灰提供热解，在热解螺旋杆8和热烟气的作用下，预热飞灰内的二噁英被分解，得到热解飞灰，热解飞灰中含大量热量进入飞灰换热排料单元，以进行后期的换热步骤。

c、飞灰换热：热解飞灰通入飞灰换热排料单元3进行换热，换热完毕后排出；外部常温空气首先经过空气预热器4进行一次换热，在经过飞灰换热排料单元3进行二次换热，将外部常温空气提升至符合燃烧炉5使用的温度，同时，二次换热也提高的热量的利用率，降低了能耗。

d、热解处理烟气换热：向空气预热器4通入热解处理烟气和外部常温空气，热解处理烟气与外部常温空气换热得到预热烟气和预热空气，预热烟气通入飞灰预热单元1内，预热空气通入燃烧炉5内。外部常温空气进入空气预热器4将外部常温空气吸入装置内，并使得外部常温空气与热解处理烟气进行一次换热，热解处理烟气换热后温度降低，变为预热烟气为焚烧飞灰换热，而外部常温空气温度提高导入飞灰换热排料单元3和燃烧炉5内。

进一步优化方案，步骤d中，预热空气与飞灰换热排料单元3内的热解飞灰换热后通入燃烧炉5。预热空气进入飞灰换热排料单元进行二次换热。

进一步优化方案，步骤a中，焚烧飞灰与预热烟气直接接触换热得到预热飞灰和外部达标烟气。焚烧飞灰是与预热烟气直接接触的，以提高换热效果。

进一步优化方案，步骤b中，预热飞灰与热烟气间壁换热后得到热解飞灰，步骤d中热解处理烟气与外部常温空气间壁换热得到预热烟气和预热空气。热解处理烟气和外部常温空气采用间壁式换热是为了防止热解处理烟气与外部常温空气混合，导致热解处理烟气进入燃烧炉5内，进而影响燃烧炉5的正常工作。

实施例1

常温下焚烧飞灰经飞灰预热单元1飞灰进口进入飞灰预热单元1内(进料量在～85t/d)，飞灰预热单元1内预热飞灰出口温度在～65℃；预热烟气入口温度在～150℃，飞灰预热单元1烟气出口温度在～105℃。飞灰多级热解单元2加热采用热烟气间壁式加热方式，热解操作温度控制在～350℃；飞灰换热排料单元3热解飞灰进口温度在～320℃，换热后的热解飞灰出口温度在～45℃，再次预热气体温度在～300℃。经上述操作处理后的焚烧飞灰其二噁英热降解率达99.8％。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于常温下焚烧飞灰经飞灰预热单元1飞灰进口进入飞灰预热单元1内(进料量在～100t/d)，飞灰预热单元1内预热飞灰出口温度在～75℃；预热烟气入口温度在～160℃，飞灰预热单元1烟气出口温度在～102℃。飞灰多级热解单元2加热采用热烟气间壁式加热方式，热解操作温度控制在～360℃；飞灰换热排料单元3热解飞灰进口温度在～330℃，换热后的热解飞灰出口温度在～40℃，再次预热气体温度在～320℃。经上述操作处理后的焚烧飞灰，其二噁英热降解率达99.7％。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低温热处理飞灰的系统，其特征在于，包括飞灰预热单元(1)、飞灰多级热解单元(2)、飞灰换热排料单元(3)、空气预热器(4)、燃烧炉(5)；

所述飞灰预热单元(1)、所述飞灰多级热解单元(2)、所述飞灰换热排料单元(3)依次连通，所述燃烧炉(5)输出端与所述飞灰多级热解单元(2)输入端连通，所述飞灰多级热解单元(2)输出端与所述空气预热器(4)输入端连通，所述空气预热器(4)预热烟气输出端与所述飞灰预热单元(1)连通，所述空气预热器(4)预热空气输出端与所述飞灰换热排料单元(3)换热后与所述燃烧炉(5)连通；

所述飞灰多级热解单元(2)包括热解室(21)和设置在所述热解室(21)内的热解螺旋通道(22)，所述热解螺旋通道(22)进料端与所述飞灰预热单元(1)连通，所述热解螺旋通道(22)出料端与所述飞灰换热排料单元(3)连通，所述热解室(21)进气端与所述燃烧炉(5)连通，所述热解室(21)出气端与所述空气预热器(4)连通。

2.根据权利要求1所述的低温热处理飞灰的系统，其特征在于：所述热解室(21)进气端和所述热解室(21)出气端均连通有烟气分流器(6)，所述热解室(21)进气端通过所述烟气分流器(6)与所述燃烧炉(5)连通，所述热解室(21)出气端通过所述烟气分流器(6)与所述空气预热器(4)连通。

3.根据权利要求1所述的低温热处理飞灰的系统，其特征在于：所述热解螺旋通道(22)进料端连通有预热飞灰料仓(7)，所述热解螺旋通道(22)进料端通过预热飞灰料仓(7)与所述飞灰预热单元(1)连通。

4.根据权利要求1所述的低温热处理飞灰的系统，其特征在于：所述热解螺旋通道(22)内设置有用于热解飞灰的热解螺旋杆(8)，所述热解螺旋杆(8)为直杆螺旋杆。

5.根据权利要求1所述的低温热处理飞灰的系统，其特征在于：所述热解螺旋通道(22)进料口和所述热解螺旋通道(22)出料口均设置有氮气吹扫口(9)。

6.根据权利要求1所述的低温热处理飞灰的系统，其特征在于：所述燃烧炉(5)位于所述热解室(21)下方，所述空气预热器(4)和所述飞灰预热单元(1)位于所述热解室(21)上方。

7.一种低温热处理飞灰的系统的使用方法，根据权利要求1-6任一项所述的低温热处理飞灰的系统，其特征在于：操作步骤包括：

a、飞灰预热：向飞灰预热单元(1)通入焚烧飞灰和预热烟气，对焚烧飞灰进行预热得到预热飞灰和外部达标烟气；

b、飞灰热解：向热解螺旋通道(22)通入预热飞灰，启动燃烧炉(5)和热解螺旋杆(8)，燃烧炉(5)向热解室(21)通入热烟气后得到热解处理烟气，热解螺旋杆(8)对预热飞灰进行热解得到热解飞灰；

c、飞灰换热：热解飞灰通入飞灰换热排料单元(3)进行换热，换热完毕后排出；

d、热解处理烟气换热：向空气预热器(4)通入热解处理烟气和外部常温空气，热解处理烟气与外部常温空气换热得到预热烟气和预热空气，预热烟气通入飞灰预热单元(1)内，预热空气通入燃烧炉(5)内。

8.根据权利要求7所述的低温热处理飞灰的系统的使用方法，其特征在于：步骤d中，预热空气与飞灰换热排料单元(3)内的热解飞灰换热后通入燃烧炉(5)。

9.根据权利要求7所述的低温热处理飞灰的系统的使用方法，其特征在于：步骤a中，焚烧飞灰与预热烟气直接接触换热得到预热飞灰和外部达标烟气。

10.根据权利要求7所述的低温热处理飞灰的系统的使用方法，其特征在于：步骤b中，预热飞灰与热烟气间壁换热后得到热解飞灰，步骤d中热解处理烟气与外部常温空气间壁换热得到预热烟气和预热空气。

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