一种铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的方法

摘要

本发明公开了一种铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的方法，该方法是将垃圾飞灰与烧结原料中部分有价金属含量较高的含铁原料以及生物质炭混匀后预先制成球核，在球核表面包裹细粒磁铁矿形成核壳结构球料，将其低温干燥脱水后，取代传统的成品烧结矿铺底料，布在烧结机底层；其他烧结原料制粒后布在核壳结构球料上层，然后进行点火、烧结；该方法使得垃圾飞灰在铁矿烧结过程中被有效固结，自身所含二噁英被高效降解；使核壳结构球料中含有的有价金属被挥发到升温段的烟气中，并最终通过烟气除尘工序捕集进行有效回收，达到了铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种垃圾飞灰的处理方法，特别涉及一种铁矿烧结协同处置垃圾飞灰实现资源化的方法，属于钢铁冶金及垃圾焚烧飞灰处理技术领域。

背景技术

垃圾焚烧飞灰是垃圾焚烧厂烟气净化系统和热回收系统(如节热器、余热锅炉等)中捕集的细颗粒物质，它是垃圾焚烧的必然产物，约占焚烧垃圾量的3～5％。在我国，由于垃圾焚烧前，未能进行有效分类，导致焚烧飞灰含易浸出的重金属污染物和剧毒物质二噁英，根据我国2016年8月1日起施行的《国家危险废物名录》显示，垃圾焚烧飞灰属HW18类，为危险废物，如果不对其进行有效处理，会对环境造成二次污染，对人类健康造成不利影响，因此选择适宜的处理方式对人类生活的健康发展有重要意义。

目前，垃圾焚烧飞灰的主要处理方式及其存在缺点有：(1)水泥固化填埋。增容较大，侵占大量土地资源，Cr⁶⁺、Zn等金属较难被稳定，仍有浸出风险，二噁英污染未被有效处理；(2)化学药剂稳定技术。较难实现多种重金属的稳定化；对二噁英及溶解盐的稳定性较弱；(3)热处理技术。目前主要为水泥窑协同处理法，其缺陷在于飞灰中Cl的存在易对窑体产生腐蚀，同时影响水泥品质，从而限制水泥使用范围，而单独的高温处理则存在能耗高、投资大等问题。

综合比较，高温处理技术能够较为有效的处理垃圾焚烧飞灰带来的负面问题，起到“解毒”之效。烧结工序作为钢铁生产过程中的一道高温工序，在处理垃圾飞灰上有独特优势。烧结是将细粒物料在高温下条件下固结成块的过程，这一功能特性能有效处理细粒粉末态的垃圾飞灰，同时飞灰中的CaO也可为烧结过程提供部分助熔剂，如中国专利(CN101476032A)公开了一种城市生活垃圾焚烧飞灰冶金烧结处理的方法，其具体公开将垃圾飞灰、粘结剂、稳固剂及含铁制粒物等制成含铁料小球，含铁料小球与铁矿、溶剂及燃料等混合，再进行烧结。该方法能实现垃圾焚烧飞灰的固定，且对烧结矿性能有一定改善。但实际上飞灰中Cl、K、Na、Pb、Zn等有害元素含量高，一方面有增加烧结矿有害元素残存量的风险，另一方面烧结过程的高温条件能使飞灰中的Cl与K、Na、Pb、Zn等结合部分挥发到烟气，其冷凝后形成超细颗粒物PM_2.5，而当前常规的电除尘难以脱除细粒烟尘，导致增加烧结工序的环境污染，这些问题现有技术并没有得到很好的解决。因此，开发铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的技术，在烧结过程尽量脱除K、Na、Pb、Zn等，并对其进行资源化回收，确保在不增加烧结矿有害元素残存量的条件下，实现飞灰的清洁利用，对推进垃圾焚烧发电产业的发展意义重大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是在于提供一种将钢铁生产的烧结工序与垃圾飞灰处理结合的方法，该方法在不增加烧结矿有害元素残量的前提下，将飞灰有效固结，同时使飞灰中的Cl与原料中重金属、碱金属富集挥发到烧结特定区域的烟气中，从而有利于K、Na、Pb、Zn等的资源化回收，并使飞灰中的二噁英高效降解，从而实现垃圾飞灰的清洁化处置以及资源化利用，对环境保护具有重要意义。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的方法，该方法包括以下步骤：

1)将含铁原料分成三类：A类含铁原料为主要杂质元素为Zn、Pb、K、Na、S中至少一种的含铁原料，B类含铁原料为粒度小于0.074mm，TFe含量大于66wt％、FeO含量大于28wt％的细粒磁铁矿含铁原料，C类含铁原料为除A类和B类之外的含铁原料；

2)将垃圾飞灰与A类含铁原料及生物质炭混和，制成球核；

所述球核中垃圾飞灰与A类含铁原料的配比满足摩尔比n_{(2Pb+2Zn+K+Na)}/n_Cl＝0.7～1.0:1；

3)所述球核表面包裹B类含铁原料层，得到核壳结构球料；

4)将所述核壳结构球料干燥脱水后，作为铺底料进行布料，由C类含铁原料和烧结原料制成的球料布在核壳结构球料上面，再进行点火、烧结，得到铁烧结矿，同时从烟气中回收有价金属。

本发明的技术方案将含铁原料进行分类处理，在烧结过程中，不同的含铁原料起到不同的相应作用，A类含铁原料主要为Zn、Pb、K、Na、S等有害成分高的含铁原料，将其与垃圾飞灰一起制成求和，可以与垃圾飞灰一起在高温下反应脱除有害元素；而B类含铁原料为细粒磁铁矿可起到小球表层固结的作用，防止球核产生的液相与台车篦条发生粘结；C类含铁原料与烧结原料一起造球，按正常烧结方式烧结。含铁原料分类处理后，都能实现固结矿化，得到合格炼铁炉料。

本发明的技术方案将垃圾飞灰和锌、铅、碱金属或硫含量高的含铁原料合理搭配造球，利用垃圾飞灰中的氯将冶金粉尘中的K、Na、Pb和Zn等氯化挥发回收，不但去除了含铁原料中有害金属的含量，得到合格的炼铁炉料，而且也解决了飞灰中氯对设备腐蚀的问题。同时利用垃圾飞灰中包含的CaO成分作为含铁原料的粘结剂，焙烧过程中无需外加粘结剂，实现垃圾飞灰与冶金粉尘的有效固结，生成合格的含铁炉料。此外，在高温焙烧过程中垃圾飞灰中二噁英等有害成分得到有效裂解，减少对环境的危害。

优选的方案，所述生物质炭着火点不高于450℃。采用着火点低、燃烧速度快的生物质炭燃料，可以快速提高烧结过程中核壳结构球料的升温速度，从而使得飞灰中的二噁英迅速高温降解，同时燃料易于与CO₂反应而也提供了一定量的还原气氛CO，而快速升温和还原性气氛均有利于二噁英的降解和抑制生成。生物质炭一般经过磨细处理，粒度小于0.1mm。

较优选的方案，所述生物质炭的质量为球核质量的4～6％。

优选的方案，所述垃圾飞灰和A类含铁原料的质量比为0.2～0.5:1。垃圾飞灰和含铁原料进行合理的搭配，可以最大程度相互利用两种原料的组分进行化学反应，如利用垃圾飞灰中的氧化钙进行粘结实现固结成矿以及利用垃圾飞灰中的氯实现Pb、Zn、K、Na等以氯化物形式挥发回收。

优选的方案，所述球核粒度为14～16mm。

较优选的方案，所述球核表面包裹的B类含铁原料层厚度为2～3mm。

优选的方案，所述干燥脱水是采用80～150℃热风干燥，核壳结构球料干燥至含水量低于5％。当含水量较高的核壳结构球料在烧结的快速升温过程中易爆裂，将核壳结构球料在低温热风条件下进行干燥处理至适当的含水量，有效避免了在烧结迅速升温过程中，核壳结构球料所含水分迅速蒸发引起小球爆裂，再次产生粉末激发二噁英生成的作用。干燥一般在30～60min，保证干燥后小球中水分含量低于5％。

优选的方案，烧结过程中升温阶段的烟气通过回收热量降温降低至120～180℃后，通过除尘收集富含有价金属的烟尘，除尘烟气再进行脱硫后，排放，而除升温阶段外的烟气，经除尘后直接排放。

本发明的铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的方法中含铁原料分为三类：一类为Zn、Pb、K、Na、S含量高的含铁原料，包括天然铁矿石和二次含铁尘泥，其与垃圾飞灰一起制备球核；一类为细粒磁铁矿，要求其粒度小于0.074mm，TFe(全铁含量)、FeO分别大于66％、28％，用作球壳的粘附料；其他原料归为一类，用于常规的制粒、烧结。

本发明的铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的方法，采用垃圾飞灰造球制备核壳结构球料的方法，是采用两段成球工艺，第一段将含有飞灰的混合料在圆盘造球机中滚动成球，通过分级将14～16mm的合格球核转运到第二段成球工艺，加入细粒磁铁矿继续长大2～3mm，获得所需的具有核壳结构球料。

本发明的铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的方法中将升温段的烟气进行单独处理，首先通过余热锅炉回收烟气中的热量，将烟气温度降低至120～180℃，然后采用布袋除尘收集富含有价金属的烟尘，除尘后的烟气进行脱硫，然后排放；除升温段外的烟气，经电除尘后排放。

本发明是根据钢铁冶金过程中烧结工序的特点，针对飞灰的化学组成和高温特性，提出的铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的新方法。

本发明的A类含铁原料主要为高锌、高铅、高碱金属或高硫含铁原料，一般Zn、Pb、K、Na或S的含量大于0.1％。

与现有技术相比，本发明的技术方案的优点在于：

本发明从烧结原料和垃圾飞灰常规物理及化学特性出发，将含铁原料进行了有效分类，并开发了垃圾飞灰双层小球制备方法，从而使得具有以下有益效果：

(1)将含铁原料进行分类，将垃圾飞灰与Zn、Pb、K、Na、S含量高的含铁原料共同制粒，并将其分布在烧结机底层，可以利用烧结料层底部的高温条件，并通过对球核成分的控制，将Zn、Pb、K、Na、S等挥发到烟气，提高有害元素的脱除率，从而确保添加垃圾飞灰后，不增加烧结矿中有害元素Zn、Pb、K、Na、S等的残存量。

(2)采用含特殊成分的核壳结构球料取代了常规铺底料，可以提高烧结矿的产量。同时核壳结构球料，使得球体内部形成液相将飞灰有效固结，而外层壳层结构避免了小球内层熔融液相与篦条直接接触，防止其粘连破坏箅条。

(3)利用料层底部的高温条件，以及生物质炭快速燃烧而使飞灰小球快速升温，从而降解了飞灰所含二噁英，且防止二噁英的二次生成。

(4)核壳结构球料在料层底部高温条件下，垃圾飞灰中的Cl与小球中重、碱金属结合挥发，并直接被下部风箱抽至烟气中，可以集中排放到升温段烟气中，而升温段烟气中没有水蒸气，从而后续可以采用布袋除尘器将有价金属含量高的烟尘充分收集，实现了资源化处置垃圾飞灰的目的。

综上所述，本发明从垃圾飞灰以及烧结过程含铁原料各自的特性出发，开发了垃圾飞灰与含铁原料制备核壳结构球料的方法，将飞灰在烧结高温过程中有效固化，并降解所含二噁英；将飞灰和含铁杂料中易挥发的有价金属元素时高效挥发并及时捕集利用，从而实现了铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的的目标。

附图说明

【图1】铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的装置简图；

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。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。

本发明的铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的装置简图如图1所示。其主体包括炉体、电除尘器、余热利用装置、布袋除尘器、脱硫装置和烟囱。炉体入料端设有布料器及点火器，炉体的焙烧段(升温段)底部通过管道与余热利用装置、布袋除尘器、脱硫装置和烟窗连接，炉体其他部位底部通过管道与电除尘器及烟囱连接。该装置的设计可以对升温段的烟气进行单独处理，首先通过余热锅炉回收烟气中的热量，将烟气温度降低至120～180℃，然后采用布袋除尘收集富含有价金属的烟尘，除尘后的烟气进行脱硫，然后排放；除升温段外的烟气，经电除尘后直接排放。

实施例1

如图1所示，一种铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的技术，是将垃圾飞灰与烧结原料中高锌、高铅、高碱金属、高硫的含铁原料，以及生物质炭混和后预先制成14mm的球核，控制球核中垃圾飞灰/含铁原料的质量比为0.2、(2Pb+2Zn+K+Na)/Cl的摩尔比值为1.0、生物质炭配加4％，然后在球核表面裹上细粒磁铁矿形成2mm厚的球壳，制备得到具有双层结构的小球，其低温干燥脱水后用于烧结作铺底料布在烧结机底层，取代传统的15～20mm成品烧结矿铺底料。飞灰小球布在烧结机底部后，其他烧结原料配料、混和、制粒后布在飞灰小球的上层，然后进行点火、烧结，将飞灰小球中的有价金属、SO₂挥发到升温段的烟气，从中回收富含有价金属的烟尘。烧结矿的有害元素残存量见表1所示，回收所得烟尘中有价金属元素含量如表2所示。可知，经本发明技术处理后，与飞灰直接添加相比，烧结矿中的有害元素残存量明显降低，且低于不加飞灰时的烧结矿有害元素残量。同时回收了高Pb、Zn、K、Na的粉尘。

实施例2

如图1所示，一种铁矿烧结过程资源化处置垃圾飞灰的技术，是将垃圾飞灰与烧结原料中高锌、高铅、高碱金属、高硫的含铁原料，以及生物质炭混和后预先制成16mm的球核，控制球核中垃圾飞灰/含铁原料的质量比为0.5、(2Pb+2Zn+K+Na)/Cl的摩尔比值为0.7、生物质炭配加6％，然后在球核表面裹上细粒磁铁矿形成2mm厚的球壳，制备得到具有双层结构的小球，其低温干燥脱水后用于烧结作铺底料布在烧结机底层，取代传统的15～20mm成品烧结矿铺底料。飞灰小球布在烧结机底部后，其他烧结原料配料、混和、制粒后布在飞灰小球的上层，然后进行点火、烧结，将飞灰小球中的有价金属、SO₂挥发到升温段的烟气，从中回收富含有价金属的烟尘。烧结矿的有害元素残存量见表1所示，回收所得烟尘中有价金属元素含量如表2所示。可知，经本发明技术处理后，与飞灰直接添加相比，烧结矿中的有害元素残存量明显降低，且低于不加飞灰时的烧结矿有害元素残量。同时回收了高Pb、Zn、K、Na的粉尘。

表1不同实施例烧结矿中有害元素残存量

表2不同实施例收集烟尘中有价金属元素含量