CN106903130A - 一种中温热处理稳固垃圾焚烧飞灰重金属的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中温热处理稳固垃圾焚烧飞灰重金属的方法，包括下列步骤：一、将垃圾飞灰、硅基材料无定形SiO₂的材料与水进行混合，送入带有移动床或流化床热处理反应器；二、引入高温烟气直接接触加热混合飞灰，产生的尾气通入垃圾焚烧炉烟气净化系统；三、待热处理后的飞灰冷却至室温后，将其贮存，送入填埋场进行填埋或待后续资源化处理。区别于常规烧结、熔融热处理法，采用本发明的系统与方法，热处理温度低，不需要额外设置热源和尾气处理设备，不仅节约能源，利于控制Cr浸出浓度的增加，还能降低重金属挥发量，减轻尾气处理系统的负担，实现垃圾飞灰的现场处置，简单经济，操作方便。

Description

一种中温热处理稳固垃圾焚烧飞灰重金属的方法

技术领域

本发明属于危险废弃物处理领域，尤其涉及一种垃圾焚烧飞灰重金属稳固化的工艺方法。

背景技术

近年来，随着我国工商业迅猛发展，资源消耗逐年增加，导致生产、消费过程中产生大量的生活垃圾。生活垃圾如果处置不当，会造成土壤、水、大气污染，传播疾病，危害人类健康。目前垃圾无害化处理方式主要有卫生填埋、堆肥与垃圾焚烧。鉴于垃圾焚烧具有去毒、减重、回收能量的优势，垃圾焚烧在国内发展迅速。根据国家规划，至2020年，我国垃圾焚烧比重将占一半以上，年复合增长率达到12％。然而垃圾焚烧将产生3～5％的焚烧飞灰，根据国家规定GB18485-2001须当危废处理。垃圾焚烧飞灰一般由SiO₂、CaCO₃、Al₂O₃、CaSO₄、Ca(OH)₂、NaCl、KCl等矿物相组成并包含Pb,Cd,Zn,Cu,Cr等重金属。垃圾焚烧过程中，重金属根据蒸发冷凝机制以及夹带、扬析等方式聚集在飞灰中。飞灰中的重金属易进入水体，恶化水质，且重金属进入人体后不易排出，从而在人体内不断积累，严重危害人们的健康安全。因此，垃圾焚烧飞灰须经适当处置，满足垃圾填埋场污染物控制标准后方可填埋。

目前垃圾焚烧飞灰处理技术主要有热处理、提取、固化和稳定化技术。

热处理技术主要以熔融和烧结技术为代表。熔融技术是利用高温使飞灰达到熔融状态，一般热处理温度达到1400℃，飞灰中的有机物分解、燃烧及气化,而无机物则熔融成玻璃质熔渣。在熔融过程中，飞灰中的SiO₂中的Si—O键被打开，形成网状结构，从而固定重金属。烧结技术是利用低于熔融法的能量,扩散飞灰颗粒，从而排除晶体中的孔隙，形成致密坚硬物质。例如专利CN101081397B公开了一种垃圾焚烧飞灰高温烧结处理方法，向飞灰加入可溶性硅酸盐、活性二氧化硅微粉、高岭土后加水混练，1200℃高温烧结，使飞灰玻璃化，减容率大，重金属稳固效果好。但采用这些高温处理方法需要消耗大量的能源,同时由于其中的Pb,Cd,Zn等重金属元素高温易挥发,需进行严格的后续烟气处理,故处理成本很高。另外，高温下，飞灰中难溶解的Cr₂O₃能与CaO和O₂反应生成易溶解的CaCrO₄，可能造成Cr的浸出浓度升高，不满足填埋标准。

飞灰中的重金属提取的方法主要有：酸提取、碱提取、高温提取、生物浸提和其他药剂提取等。提取技术可回收飞灰中的重金属，实现飞灰的资源利用，但需要对可溶盐和排水进行处理，一般只用于重金属浓度较高、有必要进行回收的情况。

水泥固化技术是目前国际上最常用的危险废物固化技术,可在常温下操作，处理费用低廉且固化体不要求脱水和干燥，但水泥耗量大，增容增重比大，加大了运输成本。若飞灰碱性和氯含量较高，两性重金属处理效果不理想，重金属容易渗出。

化学药剂稳定法是利用化学药剂将重金属离子变成不溶于水的高分子络合物或者是无机矿物质,将有毒的物质转变成低毒性、低迁移性物质。化学药剂稳定技术增容增重比小，但同种药剂对不同种类重金属处理的适用性差，药剂的制造过程易污染环境。近年来，不少学者提出使用硅溶胶或稻谷壳灰常温固化垃圾焚烧飞灰。例如专利CN105903746A公开了一种利用稻谷壳灰稳定化处理垃圾飞灰的方法，向飞灰中添加烟气脱硫产物、粉煤灰、稻谷壳灰，用于形成水合硅酸钙相稳固重金属。该方法重金属稳固化效果好，还可以固定CO₂，但额外添加的脱硫产物、粉煤灰比例较高，固化时间长。

因此，寻找一种重金属稳固化效果好、能耗低、增重小、处理时间短且经济的方法成为垃圾飞灰处理的主要目标。

发明内容

技术问题：现有垃圾焚烧飞灰高温热处理技术存在能耗高、重金属挥发量大、热处理过程中产生的气体处理困难、处理后飞灰Cr浸出浓度高等问题。针对上述问题，本发明提供一种中温热处理稳固垃圾焚烧飞灰重金属的方法，用于稳固垃圾飞灰中的重金属，降低其浸出毒性，以便填埋或后续资源化利用。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种中温热处理稳固垃圾焚烧飞灰重金属的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：将来自除尘器飞灰储仓的垃圾焚烧飞灰送入飞灰加料斗，与来自硅基材料加料斗、水添加斗的硅基材料和水在混合装置中均匀混合后，经螺旋给料机输送至流化床；

步骤二：从焚烧炉炉膛出口处引部分烟气至流化床，用于加热混合飞灰，在流化床中，混合飞灰由流化床侧壁上部进入，由侧壁中部溢流口排出，通过输送带送到飞灰贮存仓；烟气由流化床底部布风板进入，由流化床顶部出气口排出，烟气与混合飞灰两者直接接触换热，热处理过程中，烟气温度下降，与产生的气体一起通过风机进入余热锅炉与布袋除尘器之间的垃圾焚烧炉尾部烟道；混合飞灰温度上升至550～650℃，在流化床中停留0.5h-1h后排出；

步骤三：待热处理后的飞灰冷却至室温后，将其贮存，送入填埋场进行填埋或待后续资源化处理。

所述的硅基材料为含有无定形SiO₂的材料。

所述的含有无定形SiO₂的材料为硅灰、硅胶或稻谷壳灰。

所述的无定形SiO₂的材料与垃圾焚烧飞灰的质量比为无定形SiO₂∶飞灰＝8∶100—20∶100，液固比为4∶10—6∶10。

上述飞灰中温热处理所需热量由垃圾焚烧炉高温烟气提供，热处理过程中产生的气体与加热烟气一起进入焚烧炉烟气净化装置。

其中所述的热处理反应装置可以为移动床设备，也可以为流化床设备。若采用流化床设备，须另设风机以克服阻力损失。在热处理反应装置中，混合飞灰与高温烟气直接接触传热，经历干燥，加热与反应过程后，排出反应装置。在热处理过程中，飞灰中的重金属与添加物发生化学反应，转变为更加稳定的形态，从而降低浸出毒性，使飞灰满足填埋与资源化利用要求。

离开热处理反应器的气体温度较高时，可利用气体降温装置进行降温，可设置在主烟气管道或热处理反应器出口处。气体降温装置可以为喷水减温装置，也可以为螺旋盘管换热器。若正常运行时，离开热处理反应器的气体温度仍较高，可考虑将热处理反应器出口移至余热锅炉中端，以充分利用烟气中的热能。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明热处理温度为550～650℃，直接使用炉膛出口烟气加热混合飞灰，不需要额外设置热源，节约能源；

2.热处理温度低，降低了重金属的挥发量，减轻了尾气处理系统的负担且尾气引入垃圾焚烧炉烟气净化系统，不需要额外增加尾气处理设备，简单经济；

3.热处理温度低，有利于控制重金属Cr浸出浓度的增加，以便于飞灰的填埋与资源化利用；

4.本发明飞灰增重增容小，处理时间短，实现了飞灰的现场实时处置，操作方便。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图中有：流化床1，风机2，除尘器飞灰储仓3，飞灰加料斗4，硅基材料加料斗5，水添加斗6，混合装置7，螺旋给料机8，输送带9，飞灰贮存仓10，喷水减温装置11，余热锅炉12，布袋除尘器13。

图2硅灰650℃热处理样XRD图谱。

图3垃圾飞灰原样左与硅灰650℃热处理样右放大20000倍的SEM图片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明利用了硅基材料如硅灰、硅胶、稻谷壳灰中的无定形SiO₂粒径小，比表面积大，活性高的特点，让其在中温下与垃圾焚烧飞灰中的钙基物质反应，生成硅酸钙等硅酸盐。根据类同质替换原理，重金属离子易与钙离子发生替换，从而稳固在硅酸盐晶格中。硅酸钙等硅酸盐相，在模拟酸雨或填埋场渗滤液等浸出过程中，易形成C-S-H水合硅酸钙胶体，吸附重金属。

步骤一：将来自除尘器飞灰储仓3的垃圾焚烧飞灰送入飞灰加料斗4，与来自硅基材料加料斗5、水添加斗6的硅基材料和水在混合装置7中均匀混合后，经螺旋给料机8输送至流化床1；

步骤二：从焚烧炉炉膛出口处引部分烟气至流化床1，用于加热混合飞灰，在流化床1中，混合飞灰由流化床1侧壁上部进入，由侧壁中部溢流口排出，通过输送带9送到飞灰贮存仓10；烟气由流化床1底部布风板进入，由流化床1顶部出气口排出，烟气与混合飞灰两者直接接触换热，热处理过程中，烟气温度下降，与产生的气体一起通过风机2进入余热锅炉12与布袋除尘器13之间的垃圾焚烧炉尾部烟道；混合飞灰温度上升至550～650℃，在流化床1中停留0.5h-1h后排出；

步骤三：待热处理后的飞灰冷却至室温后，将其贮存，送入填埋场进行填埋或待后续资源化处理。

所述的硅基材料为含有无定形SiO₂的材料。

所述的含有无定形SiO₂的材料为硅灰、硅胶或稻谷壳灰。

所述的无定形SiO₂的材料与垃圾焚烧飞灰的质量比为无定形SiO₂∶飞灰＝8∶100—20∶100，液固比为4∶10—6∶10。

本发明利用流化床传热效果好、床层温度均匀等特性，从炉膛烟气出口处抽取高温烟气送入流化床反应器1，与混合飞灰直接接触传热。飞灰热处理1h后，由反应器侧壁溢流口和螺旋阀排出，经输送带9送入飞灰贮存仓10，以便填埋或资源化利用。热处理过程产生的气体送入尾部烟道，进入烟气净化系统。若尾气温度较高，利用喷水减温装置11喷水降温。

实例：

模拟实际工程情况，将4组质量均为50g的垃圾焚烧飞灰分别与25ml去离子水、6g硅灰与25ml去离子水、15g质量分数为40％碱性硅溶胶与16ml去离子水混合，6g,石英砂与25ml去离子水，放入管式炉中650℃热处理1h。依据HJ/T300-2007醋酸溶液缓冲法，对热处理前后飞灰进行浸出毒性测试，XRD测试，SEM测试。

由表1可以看出，飞灰原样中Pb与Cd的浸出浓度高且超过生活垃圾填埋场污染物控制标准。添加了无定形SiO₂的材料的飞灰650℃热处理后，飞灰浸出毒性大幅降低，满足填埋标准；而SiO₂主要以晶体形态的石英砂的添加，未使重金属Pb和Cd浸出浓度降到标准以下。

表1.650℃热处理飞灰浸出毒性

重金属元素	Zn	Cd	Pb	Cu	Cr
						常温垃圾原灰	9.48	3.18	11.91	7.45	0.89
原灰热处理	7.05	3.02	7.48	11.31	3.21
						硅灰热处理	0.28	0.09	0.2	0.65	3.54
硅胶热处理	0.74	0.1	0.2	0.69	3.62
						石英砂热处理	8.08	2.98	4.54	12.51	3.34
浓度限值	100	0.15	0.25	40	4.5

由图2可知，添加了硅灰的飞灰650℃热处理后，出现了CaSiO₃、Ca₃SiO₅等硅酸钙盐，有效稳固了重金属。

由图3可知，添加硅灰650℃热处理后，飞灰结构变得更加致密，降低了孔隙率，有利于重金属浸出毒性的降低。

应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种中温热处理稳固垃圾焚烧飞灰重金属的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一：将来自除尘器飞灰储仓3的垃圾焚烧飞灰送入飞灰加料斗4，与来自硅基材料加料斗5、水添加斗6的硅基材料和水在混合装置7中均匀混合后，经螺旋给料机8输送至流化床1；

步骤二：从焚烧炉炉膛出口处引部分烟气至流化床1，用于加热混合飞灰，在流化床1中，混合飞灰由流化床1侧壁上部进入，由侧壁中部溢流口排出，通过输送带9送到飞灰贮存仓10；烟气由流化床1底部布风板进入，由流化床1顶部出气口排出，烟气与混合飞灰两者直接接触换热，热处理过程中，烟气温度下降，与产生的气体一起通过风机2进入余热锅炉12与布袋除尘器13之间的垃圾焚烧炉尾部烟道；混合飞灰温度上升至550～650℃，在流化床1中停留0.5h-1h后排出；

步骤三：待热处理后的飞灰冷却至室温后，将其贮存，送入填埋场进行填埋或待后续资源化处理。

2.如权利要求1所述的中温热处理稳固垃圾焚烧飞灰重金属的系统及方法，其特征在于，所述的硅基材料为含有无定形SiO₂的材料。

3.如权利要求2所述的中温热处理稳固垃圾焚烧飞灰重金属的系统及方法，其特征在于，所述的含有无定形SiO₂的材料为硅灰、硅胶或稻谷壳灰。

4.如权利要求2所述的中温热处理稳固垃圾焚烧飞灰重金属的系统及方法，其特征在于，所述的无定形SiO₂的材料与垃圾焚烧飞灰的质量比为无定形SiO₂∶飞灰＝8∶100—20∶100，液固比为4∶10—6∶10。