CN115872600A - 一种含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法，含碳固体废物、垃圾焚烧飞灰和适量的添加剂在熔融设备中进行物理化学协同作用，获得的熔融液用于制备高性能无机产品，富集在熔融设备底部的重金属集中回收，熔融设备排出的高温烟气经热量回收和净化处理后外排。本发明的方法基于含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰自身的物理化学属性，通过高温下物理化学的协同作用达到“以废治废”的目的，不但解决了含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰的环保问题，还可获得高性能无机产品、重金属等高价值产品，为含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰的绿色化、资源化高价值利用提供了一种新思路。
Description
技术领域
本发明属于环保技术领域，涉及一种含碳固体废物和飞灰资源化利用方法，特别是涉及一种含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法。
背景技术
固体废物是指在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固态、半固态和置于容器中的液态或气态废物的物品、物质。按来源，固体废物通常包括工业固体废弃物、生活垃圾和危险废物等三大类。固体废物具有两重性，即：在一定时间、地点，某些物品对用户不再有用或暂不需要而被丢弃，成为废物；但在某种特定条件下对用户自身和/或其他用户而言，废物可能成为有用的甚至是必要的原料。因此，对固体废物进行减量化、资源化、无害化利用是合理利用和处理处置固体废物，减少环境污染，变废为宝的一种科学有效的途径。
煤炭、电力、冶金、焦化、化工等双高行业在为人们的生产生活提供能源原材料和化工材料的同时，产生了大量的大宗工业固体废弃物。长期以来，由于工业固废的综合利用水平较低，因此煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏等大宗工业固废不仅历史堆存量大，而且每年新产生的固废量仍在逐年增加，对整个社会的生态环境带来了严重的影响。
为了有效处置和综合利用大宗固体废弃物，国家和各地政府出台了一系列的相关政策，推进大宗固体废弃物资源化综合利用。但在实际生产中，工业固废综合利用技术和安全处置率均较低，造成固废利用项目经济效益不高，甚至存在引发新的安全隐患和环境风险的问题。例如，大规模利用大宗固废煤矸石发电的过程中衍生出循环流化床锅炉(CFB)粉煤灰、脱硫石膏等固废问题，CFB粉煤灰由于游离氧化钙、成分不稳定等问题难以利用，目前尚无好的消纳途径，仍以填埋为主，而以CFB粉煤灰填沟造地因缺乏技术标准指导，实际施工过程部分存在固废随意堆存、压实度不足、堆体坡度过高失稳等问题，带来一定的安全隐患和环境风险。再比如，垃圾焚烧技术是一种广泛应用的城市生活垃圾处理方式，当前城市生活垃圾焚烧能力已经占无害化总能力比例的一半，部分地方的垃圾焚烧产业出现了爆发式增长。但是，与此同时，垃圾焚烧产业也产生了数量惊人的垃圾焚烧飞灰。垃圾焚烧飞灰中富集了很多的重金属等有害物质，被填埋到地下后会对土壤以及地下水造成严重的影响，对人类的生存环境带来的危害性更大。因此，垃圾焚烧飞灰的资源化处置问题迫在眉睫。
基于上述现状，2021年来，我国在国家层面战略中不断对固废处理的概念和规划进行优化，核心要求是推动技术升级，加快固废规模化高效利用，提升复杂难用固废综合利用能力。因此，开发固体废物综合利用技术，尤其是利用固体废物之间的协同作用，“以废治废”是一个值得深入研究的技术发展方向。
中国专利CN 108687115 A公开了一种垃圾焚烧飞灰与脱硫废水的协同处理方法，通过将垃圾焚烧飞灰烘干后与脱硫废水按一定比例进行均匀混合完成改性，垃圾焚烧飞灰中的Ca2+与脱硫废水中的SO4 2-结合在垃圾焚烧飞灰表面形成CaSO4固化垃圾焚烧飞灰中的重金属，垃圾焚烧飞灰的多孔结构选择性吸附脱硫废水中的重金属和杂质，同时在脱硫废水中富集垃圾焚烧飞灰中的Cl-统一处理。该发明方法虽然可以达到垃圾焚烧飞灰无害化处理的目的，但是仅仅是实现了垃圾焚烧飞灰中重金属的固化而未能回收利用，同时该发明的处理方法还会产生新的含Cl-废水，故并未从根本上解决污染物料的无害化问题。
中国专利CN 107999520A公开了一种垃圾焚烧飞灰处理及资源化利用方法与装置。该专利方法是将垃圾焚烧飞灰与熔盐混合，低温熔融液的上层液可作为用于制备熔盐、工业用盐或聚氯乙烯，下层固态产物添加矿物辅料后高温熔融得到的玻璃固化体可制作玻璃工艺品、玻璃拉丝保温棉或微晶玻璃。该方法虽然可以实现垃圾焚烧飞灰的资源化利用，但是根据其说明书中实施例部分的记载，其处理过程中需要加入飞灰混合物质量的75％-90％的熔盐，增加了垃圾焚烧飞灰的处理成本。
中国专利CN 113680795 A公开了一种垃圾焚烧飞灰与多源固废高能效协同处理的方法。该方法将底灰、煤灰、玻璃粉、市政污泥等多源固废与垃圾焚烧飞灰协同处理，充分利用这些固废组分中本身包含的化学成分，在不额外添加助熔剂等化学资源的情况下，在实现垃圾焚烧飞灰的处理高能效、无害化、减容化的同时还能够协同消纳底灰、煤灰、玻璃粉、市政污泥等多源固废，实现了“以废治废”的目的，但是该方法未充分考虑处理产物的资源化问题，熔融过程产生的易挥发重金属富集于二次灰中作为冶金原料，难挥发性重金属则与熔融渣一起形成低熔点固结物，因此，同样未实现垃圾焚烧飞灰中重金属的资源化利用。
综上，现有公开的固体废物之间的协同处理技术大多数停留在实验研究阶段，且存在各种各样的未解决的技术问题，而当前我国正在推进“无废城市”建设，大宗固废的不合理利用给城市环保工作和环境治理带来了越来越大的压力。因此，亟需寻找出一条既能有效处理大宗固废又能节约土地资源、产生经济效益的高价值利用途径。
发明内容
为了解决现有技术中存在的煤矸石等含碳固体废物以及垃圾焚烧飞灰处理过程中未充分实现资源化和无害化利用，且整体处理成本高、流程长、产生新的环保问题的不足，本发明提出了一种含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法，从而使其实现资源化利用。
本发明实现上述目的所采用的技术方案如下。
一种含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法，其特征在于，在温度1500～2000℃、压力0.025～0.080MPaG的条件下，将经过分别计量的含碳固体废物、垃圾焚烧飞灰和添加剂组成的混合物料，按照一定的输送速率送入熔融设备中，所述的混合物料在控氧燃烧条件下进行物理化学协同作用，获得的熔融液经调质均化后用于制备高性能无机产品，富集于熔融设备底部的重金属定期回收，熔融设备顶部排出的高温烟气经净化处理和热量回收后外排；所述的含碳固体废物的粒径小于8mm。
本发明的含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法，包括如下步骤：
1)首先，分别对含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰进行分析检测，然后按照目标高性能无机产品的组成及其对原料的入料要求，确定进入熔融设备中的混合物料的配方比例；
2)根据熔融设备中操作温度要求和进入熔融设备中的含碳固体废物的碳含量，计算使混合物料中碳完全燃烧所需的助燃剂的量；
3)将破碎后的含碳固体废物与垃圾焚烧飞灰、添加剂按照步骤1)的配方比例计量后输送到熔融设备中，通入空气量或纯氧，在操作温度条件下进行控氧燃烧，混合物料中各组成成分间发生物理化学协同作用，获得熔融液、重金属富集物和高温烟气；
4)对熔融液进行调质均化处理，调质均化后的熔融液用于制备高性能无机产品，富集于熔融设备底部的重金属定期回收，熔融设备顶部排出的高温烟气经净化处理和热量回收后外排。
优选地，所述的含碳固体废物为煤矸石、粉煤灰、煤气化渣、煤液化渣、煤沥青渣、废旧轮胎、废弃活性炭、废弃石墨等中的任意一种或几种的混合物。
优选地，所述的添加剂选用氧化镁、二氧化硅、氧化钙、氧化铁中的一种或几种。
优选地，所述的混合物料中，含碳固体废物、垃圾焚烧飞灰和添加剂的质量份数比为 1～25：3～10：2～10。
优选地，所述的调质均化过程为，首先对熔融液进行成分及含量分析，然后结合目标高性能无机产品的组成含量和相图，添加适量的组分调节剂对熔融液组成及成分含量进行适当调节。
优选地，所述的高温烟气经除尘产生的二次飞灰返回熔融设备中。
优选地，所述的高温烟气用于与空气换热，产生的热空气作为助燃剂通入熔融设备中。
优选地，所述的高性能无机产品为连续性长纤维、短切纤维、矿棉、微晶玻璃、微晶发泡陶瓷。
优选地，所述的含碳固体废物、垃圾焚烧飞灰和添加剂通过气力输送装置送入熔融设备中。
本发明的一种垃圾焚烧飞灰资源化利用的方法，是以垃圾焚烧飞灰作为处理对象，采用含碳固体废物与垃圾焚烧飞灰进行物理化学协同改性处理，含碳固体废物与垃圾焚烧飞灰在高温微正压气氛下发生热解、燃烧、还原等物理化学反应。熔融设备中处理物料的热解、熔融等过程中所需的热量主要来源于改性剂中含碳固体废物中碳与热空气或纯氧在高温条件下发生燃烧释放的热能。通过分析处理物料的工业分析和元素分析数据，控制进入熔融设备中的含碳固体废物、垃圾焚烧飞灰及添加量配比以及空气或纯氧的流速从而使垃圾焚烧飞灰处于熔融状态，通过调节添加剂的种类及添加量，进一步对熔融液按需调质，获得满足制备高性能无机产品组分要求的熔融液，物料中含有的重金属元素则富集在熔融设备的底部而集中回收，炉顶排出的高温烟气经除尘、热量回收及进一步处理后可以直接外排。
本发明方法充分体现了“以废治废，变废为宝”的固体废物资源化利用思路，为垃圾焚烧飞灰的资源化利用提供了一种新途径。
具体实施方式
本发明的方法中，所述的熔融设备也可以采用现有技术中任何一种可提供1500℃以上高温且加压操作的熔融设备。下面通过优选的实施例，进一步说明本发明的技术构思及详细的实施方式。
实施例1
本实施例以某地区产生的垃圾焚烧飞灰和煤矸石为原料，产品为连续纤维。垃圾焚烧飞灰、煤矸石的工业分析和灰分组成情况分别见表1、表2。
表1垃圾焚烧飞灰组分表
表2煤矸石组分表
本实施例中，装置满负荷运行时处理能力为24.2t/h，处理物料的配料比例情况为：垃圾焚烧飞灰3～4份、煤矸石12～14份，添加剂(由氧化钙1份、二氧化硅5份、氧化镁1份组成)6～8份。
处理过程：将煤矸石、氧化钙、二氧化硅、氧化镁破碎、筛分获得粒径小于8mm的物料，然后与垃圾焚烧飞灰分别计量，按照处理物料的配料比例将煤矸石、垃圾焚烧飞灰、氧化钙、二氧化硅和氧化镁混合均匀，由气力输送装置连续输送到熔融炉中，同时通入热空气，调节熔融炉中操作温度为1650～2000℃、操作压力为0.025～0.080MPaG，炉内物料发生热解、燃烧等反应后形成熔融液。
取少量熔融液，测定其各组分含量，结合相图、酸度系数分析，确定需要添加一定量的氧化钙和二氧化硅，经计算添加剂中二者的质量份数比为二氧化硅：氧化钙＝3：2，添加剂的添加量以5t/h最佳。熔融液经氧化钙、二氧化硅进一步调质均化，转化为满足生产连续纤维的原料；物料中含有的铅、镉等重金属在炉内特定气氛下转化为重金属单质而富集于炉底。处理过程中，为保证熔融液的流动性，熔融液的温度最好不低于1450℃。
熔融炉的炉顶排出的高温烟气经热量回收、除尘、气体净化后排放。除尘过程收集的系统二次飞灰返回处理系统，作为处理物料成分，与垃圾焚烧飞灰一起经气力输送设备输送至熔融炉中。
实施例2
本实施例以某地区产生的垃圾焚烧飞灰、煤矸石和废旧轮胎作为原料，产品为岩棉。垃圾焚烧飞灰、煤矸石的工业分析和灰分组成同实施例1，废旧轮胎的分析检测情况见表3。
表3废旧轮胎组分表
本实施例中，装置满负荷运行时处理能力为16.6t/h，处理物料的配料比例情况为：垃圾焚烧飞灰7～9份、煤矸石2～4份，废旧轮胎2～4份、添加剂(二氧化硅2份、氧化镁0.6份) 3～4份。
处理过程：将煤矸石、废旧轮胎、二氧化硅和氧化镁破碎、筛分获得粒径小于8mm的物料，然后与垃圾焚烧飞灰分别计量，按照处理物料的配料比例将煤矸石、废旧轮胎、垃圾焚烧飞灰、二氧化硅、氧化镁混合均匀，由气力输送装置连续输送到熔融炉中，同时通入纯氧，调节熔融炉中操作温度为1650～2000℃、操作压力为0.025～0.080MPaG，使炉内物料发生热解、燃烧等反应后形成熔融液。
取少量熔融液，测定其各组分含量，结合相图、酸度系数分析，确定需要添加一定量的氧化铁、二氧化硅、氧化镁，经计算添加剂中三者的质量份数比为氧化铁：二氧化硅：氧化镁＝1：1.5：2，添加剂的添加量以2.5t/h最佳。熔融液经氧化铁、二氧化硅、氧化镁调质均化后，转化为满足生产岩棉的原料。物料中含有的铅、镉等重金属在炉内特定气氛下转化为重金属单质而富集于炉底。处理过程中，为保证熔融液的流动性，熔融液的温度最好不低于1450℃。
熔融炉的炉顶排出的高温烟气经除尘、热量回收及进一步处理后排放。除尘过程收集的系统二次飞灰返回处理系统，作为处理物料成分，与垃圾焚烧飞灰一起经气力输送设备输送至熔融炉中。
实施例3
本实施例以某地区产生的垃圾焚烧飞灰、煤矸石作为原料，产品为微晶玻璃。垃圾焚烧飞灰、煤矸石的分析检测情况同实施例1。
本实施例中，装置满负荷运行时处理能力为24.7t/h，处理物料的配料比例情况为：垃圾焚烧飞灰4～5份、煤矸石16～19份，添加剂(氧化镁1份、氧化钙0.5份、二氧化硅2份) 3～4份。
处理过程：将煤矸石、氧化镁、氧化钙和二氧化硅破碎、筛分获得粒径小于8mm的物料，然后与垃圾焚烧飞灰分别计量，按照处理物料的配料比例将煤矸石、垃圾焚烧飞灰、氧化镁、氧化钙及二氧化硅混合均匀，然后由气力输送装置连续输送到熔融炉中，同时通入热空气，调节熔融炉中操作温度为1500～2000℃、操作压力为0.025～0.080MPaG，使炉内物料发生热解、燃烧等反应后形成熔融液。
取少量熔融液，测定其各组分含量，与目标产品的组成含量进行对比，结合相图分析，确定需要添加一定量的氧化镁、二氧化硅，经计算添加剂中二者的质量份数比为氧化镁：二氧化硅＝1：1，添加剂的添加量以1.0t/h最佳。熔融液经氧化镁、二氧化硅调质均化后，转化为满足生产微晶玻璃的原料，原料中含有的Fe2O3、TiO2、P2O5等成分转入熔融液中而作为制备微晶玻璃的天然析晶剂。物料中含有的铅、镉等重金属在炉内特定气氛下转化为重金属单质而富集于炉底。处理过程中，为保证熔融液的流动性，熔融液的温度最好不低于1450℃。
熔融炉的炉顶排出的高温烟气经除尘、热量回收及进一步处理后排放。除尘过程收集的系统二次飞灰返回处理系统，作为处理物料成分，与垃圾焚烧飞灰一起经气力输送设备输送至熔融炉中。
实施例4
本实施例以垃圾焚烧飞灰和废旧轮胎作为原料，产品为微晶玻璃。垃圾焚烧飞灰的分析检测情况同实施例1，废旧轮胎的分析检测情况同实施例2。本实施例中，装置满负荷运行时处理能力为10t/h，处理物料的配料比例情况为：垃圾焚烧飞灰6～7份、废旧轮胎1～3份，添加剂(二氧化硅)2份。
处理过程：将废旧轮胎、二氧化硅破碎、筛分获得粒径小于8mm的物料，然后与垃圾焚烧飞灰分别计量，按照处理物料的配料比例将废旧轮胎、垃圾焚烧飞灰和二氧化硅混合均匀，由气力输送装置连续输送到高温熔融炉中，同时通入热空气，调节熔融炉中操作温度为 1500～2000℃、操作压力为0.025～0.080MPaG，使炉内物料发生热解、燃烧等反应而形成熔融液。
取少量熔融液，测定其各组分含量，结合相图分析，确定需要添加一定量的氧化镁、氧化钙，经计算添加剂中二者的质量份数比为氧化镁：氧化钙＝3：5，添加剂的添加量以0.8t/h 最佳。熔融液经氧化镁、二氧化硅调质均化后，转化为满足生产微晶玻璃的原料，原料中含有的Fe2O3、TiO2、P2O5等成分转入熔融液中而作为制备微晶玻璃的天然析晶剂。物料中的含有的铅、镉等重金属在炉内特定气氛下转化为重金属单质而富集于炉底。处理过程中，为保证熔融液的流动性，熔融液的温度最好不低于1450℃。
熔融炉的炉顶排出的高温烟气经除尘、热量回收及进一步处理后排放。除尘过程收集的系统二次飞灰返回处理系统，作为处理物料成分，与垃圾焚烧飞灰一起经气力输送设备输送至熔融炉中。
实施例5
本实施例以垃圾焚烧飞灰和煤焦油渣作为原料，产品为发泡陶瓷。垃圾焚烧飞灰的分析检测情况同实施例1，煤焦油渣的工业分析见表4。
表4煤焦油渣工业分析
| 分析项目 | Vad | Mad | FCad | Aad | S |
| 含量(％) | 31.87～52.27 | 6.3～17.5 | 30.26～54.22 | 2.03～7.33 | 0.53～0.91 |
本实施例中，装置满负荷运行时处理能力为11.2t/h，处理物料的配料比例情况为：垃圾焚烧飞灰4～5份、煤焦油渣2～7份，添加剂(二氧化硅4份、氧化钙2份)4～6份。
处理过程：将二氧化硅、氧化钙破碎、筛分获得粒径小于8mm的物料，然后与垃圾焚烧飞灰分、煤焦油渣别计量，按照处理物料的配料比例将焦油煤渣、垃圾焚烧飞灰、二氧化硅、氧化钙混合均匀，由气力输送装置连续输送到熔融炉中，同时通入热空气，调节熔融炉中操作温度为1650～2000℃、操作压力为0.025～0.080MPaG，使炉内物料发生热解、燃烧等反应后形成熔融液。
取少量熔融液，测定其各组分含量，结合相图分析，确定需要添加一定量的氧化镁，经计算添加剂氧化镁的添加量以0.5t/h最佳。熔融液经氧化镁调质均化后，转化为满足生产发泡陶瓷的原料。物料中含有的铅、镉等重金属在炉内特定气氛下转化为重金属单质而富集于炉底部。处理过程中，为保证熔融液的流动性，熔融液的温度最好不低于1450℃。
熔融炉的炉顶排出的高温烟气经除尘、热量回收及进一步处理后排放。除尘过程收集的系统二次飞灰返回处理系统，作为处理物料成分，与垃圾焚烧飞灰一起经气力输送设备输送至熔融炉中。
以上所描述的实施例仅是本发明最优选的部分实施例而非本发明的全部实施方式。因此，凡是基于本发明实施例在没有做出创造性劳动前提下经过简单的组合或技术路线的变化而获得的其他实施方案，都属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法，其特征在于，在温度1500～2000℃、压力0.025～0.080MPaG的条件下，将经过分别计量的含碳固体废物、垃圾焚烧飞灰和添加剂组成的混合物料，按照一定的输送速率送入熔融设备中，所述的混合物料在控氧燃烧条件下进行物理化学协同作用，获得的熔融液经调质均化处理后用于制备高性能无机产品，富集于熔融设备底部的重金属定期回收，熔融设备顶部排出的高温烟气经热量回收和净化处理后外排；所述的含碳固体废物的粒径小于8mm。
2.如权利要求1所述的含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)首先，分别对含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰进行分析检测，然后按照目标高性能无机产品的组成及其对原料的入料要求，确定进入熔融设备中的混合物料的配方比例；
2)根据熔融设备中操作温度要求和进入熔融设备中的含碳固体废物的碳含量，计算使混合物料中碳完全燃烧所需的助燃剂的量；
3)将破碎后的含碳固体废物与垃圾焚烧飞灰、添加剂按照步骤1)的配方比例计量后输送到熔融设备中，在操作温度条件下进行控氧燃烧，混合物料中各组成成分间发生物理化学协同作用，获得熔融液、重金属富集物和高温烟气；
4)对熔融液进行调质均化处理，调质均化后得到的熔融液用于制备高性能无机产品，富集于熔融设备底部的重金属定期回收，熔融设备顶部排出的高温烟气经热量回收和净化处理后外排。
3.如权利要求1或2所述的含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法，其特征在于，所述的含碳固体废物为煤矸石、粉煤灰、煤气化渣、煤液化渣、煤沥青渣、废旧轮胎、废弃活性炭、废弃石墨等中的任意一种或几种的混合物。
4.如权利要求1或2所述的含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法，其特征在于，所述的添加剂选用氧化镁、二氧化硅、氧化钙、氧化铁中的一种或几种。
5.如权利要求1或2所述的含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法，其特征在于，所述的混合物料中，含碳固体废物、垃圾焚烧飞灰和添加剂的质量份数比为1～25：3～10：2～10。
6.如权利要求1或2所述的含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法，其特征在于，所述的调质均化处理过程为，首先对熔融液进行成分及含量分析，然后结合目标高性能无机产品的组成含量和相图，添加适量的组分调节剂对熔融液组成及成分含量进行适当调节。
7.如权利要求1或2所述的含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法，其特征在于，高温烟气经除尘产生的二次飞灰返回熔融设备中。
8.如权利要求1或2所述的含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法，其特征在于，高温烟气用于与空气换热，产生的热空气作为助燃剂通入熔融设备中。
9.如权利要求1或2所述的含碳固体废物和垃圾焚烧飞灰协同处理的方法，其特征在于，所述的高性能无机产品为连续纤维、岩棉、微晶玻璃、发泡陶瓷。
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