一种垃圾焚烧飞灰低能耗熔融及高效固化重金属的方法

摘要

本发明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；该方法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，从而实现“以废治废，协同处置”的理念，降低垃圾焚烧飞灰熔融处理的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种垃圾焚烧飞灰处理方法，特别涉及一种通过熔融处置两种以上不同垃圾焚烧飞灰，实现低能耗熔融及高效固化重金属的方法，属于垃圾焚烧飞灰的无害化处置技术领域。

背景技术

城市生活垃圾的处理方式主要有填埋、焚烧和堆肥等，相比于填埋和堆肥处理，垃圾焚烧法具有高减容减量以及高温消毒等优点，但垃圾焚烧过程会产生一种毒性大的副产物——垃圾焚烧飞灰，其富集了Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn等重金属以及高毒性的二噁英有机致癌物，被列为危险废物(属HW18类)，因此，有必要对垃圾焚烧飞灰进行无害化处理。

目前，国内外垃圾焚烧飞灰无害化处理技术主要有水泥固化稳定化处理、化学药剂处理与熔融玻璃化处理。飞灰的水泥固化稳定化处理方式具有设备、操作简单，固化费用相对低的优点，但飞灰处理后增容严重，而且Cd、Cr⁵⁺、Mo和Zn等重金属很难被稳定；化学药剂处理的优点在于重金属稳定化程度高，少增容或不增容，固化剂种类多，但其缺点在于固化剂具有一定的选择性，较难实现多种重金属的同步稳定化，且固化剂对二噁英及溶解盐的稳定性较弱；相对而言，熔融固化技术具有高温高效的特性，既可有效分解飞灰中的二噁英，固化在熔渣中的重金属又被包裹在玻璃网格中，从而有效防止了玻璃熔渣的重金属溶出，而且减容减重的效果极为显著。

但现有的垃圾焚烧飞灰的熔融固化技术需要较高的操作温度(一般在1500℃左右)，这使得飞灰的熔融固化技术具有能耗高、运行成本大的缺点，阻碍了熔融固化技术的进一步推广和应用。为此，降低垃圾焚烧飞灰熔点从而节省能耗成为熔融固化技术推广过程中必须攻关的课题。发明专利(公开号CN106765145A)公开了一种飞灰的熔融方法以及用于飞灰熔融的添加物，该方法在飞灰中加入添加剂，以降低飞灰的熔融温度，然后将加入添加剂的飞灰送入飞灰等离子熔融处理装置进行熔融处理；该方法所用添加剂是纯物质SiO₂和Al₂O₃，并且熔融温度仍然高达1300℃以上。发明专利(公开号CN101773709A)公开了一种通过调整CaO/SiO₂固定焚烧飞灰中重金属的普适方法，在焚烧飞灰中添加CaO、CaCO₃或SiO₂，调节焚烧飞灰的碱度在0.8-1.2之间，从而提高重金属在熔渣中的固定率，并降低焚烧飞灰的熔融温度；该方法需要将焚烧飞灰和加入的SiO₂研磨到150目，且熔融温度仍高达1350℃。发明专利(公开号CN1796011A)公开了一种用于垃圾焚烧处理的飞灰熔融添加剂，该熔融添加剂以质量计由30-50％的B₂O₃，25-40％的SiO₂，7-20％的CaF₂，7-20％的MgO研磨成106-256目混匀，还可再加入2-5％的ZrO₂；该发明公开的熔融添加剂虽然可以降低飞灰的熔融温度，但所用添加剂都是纯物质，纯物质的添加也将进一步增加飞灰熔融处理的成本。发明专利(公开号CN105251758A)公开了一种垃圾焚烧飞灰熔融复合助熔剂，该助熔剂由以下重量份的组分组合而成：粉碎后的玻璃60-80％，20-40％的粉状B₂O₃或粉状CaF₂中的一种或两种；该飞灰熔融复合助熔剂可以将飞灰熔融处理的操作温度降低至1100℃以下，但其原料成本、制造成本均较高，且会产生含氟的二次污染物。

上述专利技术都将飞灰与纯物质化学品或其他废物进行混合熔融，以此来降低飞灰的熔融温度，尽管飞灰的熔融温度有所降低，然而飞灰熔融处理的操作温度依然偏高，且原料成本及其制造成本较高，这也阻碍了该方法的进一步推广使用。

发明内容

针对现有的垃圾焚烧飞灰熔融处理方法存在的技术问题，本发明的目的是在于提供一种垃圾焚烧飞灰低能耗熔融及高效固化重金属的方法，该方法在不引入任何外部熔融添加剂的条件下，直接通过不同飞灰之间的配比来调控飞自身成分，一方面提高对垃圾飞灰的消纳能力，降低了垃圾焚烧飞灰的处理成本，从而实现“以废治废，协同处置”的理念，另一方面可以降低飞灰的熔融温度，减少能耗，而且实现玻璃化固定重金属，避免二次污染。

为了实现上述技术目的，本发明提供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；

所述垃圾焚烧飞灰的配料原则满足混合物料中主要组成成分及含量为：CaO质量百分比含量为20～30％，SiO₂质量百分比含量为30～40％，Al₂O₃质量百分比含量为5～15％，MgO质量百分比含量为1.5～4％、Fe₂O₃质量百分比含量为2～5％。

本发明提出的垃圾焚烧飞灰低温熔融处理方案是基于大量实验结论所得，发明人经过对垃圾焚烧飞灰的主要组成成分及主要组分与熔融温度关系进行大量研究，发现垃圾焚烧飞灰中CaO、SiO₂及Al₂O₃是影响熔融温度的主要因素。由此发明人对CaO-SiO₂-Al₂O₃三元热熔融体系进行了大量实验研究，并绘制了CaO-SiO₂-Al₂O₃三元热熔融体系的相图，如图1所示，并且通过实验数据归纳出三元热熔融体系中CaO、SiO₂及Al₂O₃的组成比例与熔融温度的关系，进一步结合相图进行分析，从而得出在CaO质量百分比含量为20～30％、SiO₂质量百分比含量为30～40％以及Al₂O₃质量百分比含量为5～15％时，对应的CaO-SiO₂-Al₂O₃三元热熔融体系具有最低的熔融温度，低至1200～1250℃。由此为理论依据，可以对CaO、SiO₂及Al₂O₃等含量不同的垃圾飞灰进行分类，配料，调节主要成分在优选的比例范围内，因此可以控制垃圾焚烧飞灰熔融体系在低温熔融区域，从而充分利用垃圾原料自身组成成分来实现低能耗热熔融处理。在此基础上，进一步通过调控MgO和Fe₂O₃等成分组成比例，可以使热熔融体系生成玻璃相，从而提高重金属的固化程度。从而根据飞灰的优化配料原则来调控飞灰熔融体系的成分，达到降低飞灰熔融温度和高效固化重金属的目的。

优选的方案，两种以上的垃圾焚烧飞灰来自主要组成成分不同的垃圾焚烧飞灰。主要是将CaO、SiO₂及Al₂O₃等主要组成成分不同的垃圾焚烧飞灰进行分类，再按优选的配料比进行配料，从而调控飞灰熔融体系的成分，达到降低飞灰熔融温度和高效固化重金属的目的。较优选的两种以上的垃圾焚烧飞灰来自流化床飞灰和炉排炉飞灰，或者来自垃圾焚烧过程中不同阶段、组成不同的飞灰。

优选的方案，所述热熔融处理过程中，在1200～1250℃温度下，保温0.3～1h。在优选的配料原则下，热熔融处理的温度低至1200℃，相对现有技术具有明显的技术优势。通过控制混合飞灰的熔融温度小于1300℃，熔融过程二噁英的分解率达99％或以上，防止二次污染。

优选的方案，所述冷却固化处理过程中，冷却速度不低于500℃/min。将飞灰熔融后得到的熔渣经快速冷却形成玻璃体，所述玻璃体的形成方法为，将熔融处理后得到的熔渣迅速冷却，从而得到非晶态的玻璃体熔渣，更易于将重金属固化在玻璃体中，要求冷却速度不低于500℃/min。本发明形成的玻璃体中各重金属浸出浓度为：Cd<0.001mg/L、Cr<0.005mg/L、As<0.006mg/L、Ni<0.001mg/L、Cu<0.006mg/L、Pb<0.1mg/L、Zn<0.5mg/L。

与已有技术比较，本发明技术方案的优点体现在：

1)本发明在不需额外添加熔融助剂的条件下，通过对多种垃圾焚烧飞灰之间的协同处理，利用各种垃圾焚烧飞灰自身的组成成分来有效降低垃圾焚烧飞灰的熔融处理温度，并达到玻璃化固结，从而降低了垃圾焚烧飞灰熔融处理过程的能耗，同时实现了Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni等重金属有效固结。

2)本发明同时低温熔融处置两种或多种不同组成的飞灰，提高了对垃圾焚烧飞灰的消纳能力，避免了添加剂使用，降低了垃圾焚烧飞灰的处理成本，实现了“以废治废，协同处置”的理念。

2、本发明的熔融处理温度较低，可以减少垃圾焚烧飞灰熔融过程中重金属的挥发，减轻了尾气处理系统的负担。

附图说明

图1为CaO-SiO₂-Al₂O₃三元热熔融体系的相图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

实施例1

垃圾焚烧飞灰A和B来自不同的垃圾焚烧厂，其主要成分及熔融温度如表1所示，根据所确定的优化配料原则，将飞灰A和B以1:5的比例混合在一起，然后放入熔融装置进行熔融处理，熔融温度为1200℃，保温时间为1h，熔融处理后的熔渣放入液氮中进行冷却，冷却速度500℃/min。

混合后飞灰的成分及熔融温度如表1所示，由表1可知：混合后飞灰中CaO含量为20.96％、SiO₂含量为32.36％、Al₂O₃含量为9.05％、MgO为1.52％、Fe₂O₃为3.38％，相比于单独熔融飞灰A(>1500℃)和B(>1280℃)都明显降低；对熔渣的浸出毒性进行检测，可知熔渣浸出液中各重金属的浸出浓度为：Cd<0.0002mg/L、Cr<0.001mg/L、As<0.006mg/L、Ni<0.001mg/L、Cu<0.006mg/L、Pb<0.05mg/L、Zn<0.209mg/L。

表1不同飞灰的主要成分及其熔融温度

实施例2：

垃圾焚烧飞灰C和D来自不同的垃圾焚烧厂，其主要成分及熔融温度如表2所示，根据所确定的优化配料原则，将飞灰C和D以1:5的比例混合在一起，然后放入熔融装置进行熔融处理，熔融温度为1200℃，保温时间为0.3h，熔融处理后的熔渣放入液氮中进行冷却，冷却速度为650℃/min。

混合后飞灰的成分及熔融温度如表2所示，由表2可知：混合后飞灰中CaO含量为21.07％、SiO₂含量为36.76％、Al₂O₃含量为6.58％、MgO为1.53％、Fe₂O₃为4.70％，相比于单独熔融飞灰C(>1450℃)和D(>1300℃)都明显降低；对熔渣的浸出毒性进行检测，可知熔渣浸出液中各重金属的浸出浓度为：Cd<0.0002mg/L、Cr<0.001mg/L、As<0.006mg/L、Ni<0.001mg/L、Cu<0.006mg/L、Pb<0.04mg/L、Zn<0.105mg/L。

表2不同飞灰的主要成分及其熔融温度

实施例3：

将垃圾焚烧飞灰A和B以2:1的比例混合在一起，将飞灰C和D以3:1的比例混合在一起，分别得到混合飞灰E和F，其主要成分及熔融温度如表3所示，由表3可知：混合飞灰E、F中CaO的含量分别为32.86％和38.58％、SiO₂的含量分别为16.62％和14.14％、Al₂O₃的含量分别为4.23％和2.34％，两种混合飞灰的CaO、SiO₂、Al₂O₃的含量均不满足飞灰的配料原则(CaO含量为20～30％，SiO₂含量为30～40％，Al₂O₃含量为5～15％)，两种混合飞灰的熔融温度均大于1500℃。

表3不同飞灰的主要成分及其熔融温度