一种生活垃圾焚烧飞灰与炉渣协同回收非铁金属的方法

摘要

本发明公开了一种生活垃圾焚烧飞灰与炉渣协同回收非铁金属的方法，其包括：利用飞灰不同颗粒组分中氯含量及形态的差异，将飞灰进行分级预处理获得细颗粒飞灰和粗颗粒飞灰，将炉渣进行除铁预处理获得非含铁炉渣；粗颗粒飞灰单独进行造粒，将非含铁炉渣与细颗粒飞灰混匀并造粒；非含铁炉渣与细颗粒飞灰的混合物进行分区加热熔融并分别回收低温区及中温区的烟气颗粒物，然后在高温区加入粗颗粒飞灰并回收高温区的烟气颗粒物，得到含有不同金属氯化物的颗粒物。本发明通过飞灰与炉渣的高温熔融处理回收飞灰和炉渣中的非铁金属，得到氯化锌、氯化铅和氯化镉等产品，可作为初级金属原料出售，实现飞灰和炉渣的高值化利用。

说明书

技术领域

本发明属于生活垃圾焚烧处理技术领域，具体地说涉及一种生活垃圾焚烧飞灰与炉渣协同回收非铁金属的方法。

背景技术

垃圾焚烧发电发展迅速，巨大的飞灰产量成为处理难题。随着烟气净化水平不断提高，烟气净化系统截留捕集的细颗粒—生活垃圾焚烧飞灰(以下简称飞灰)变得越来越“肮脏”。因富集了毒性较强的重金属和二噁英类污染物，飞灰的处理一直是焚烧厂污染控制和风险管理中焦点和重点环节。由于飞灰是生活垃圾焚烧过程的副产物，与生活垃圾焚烧处理相伴而生，其产生量必然随着生活垃圾焚烧处理规模和处理能力的增大而增大。飞灰的大量填埋影响了生活垃圾填埋场的库容及服务年限。

随着城市垃圾分类的逐步实施，通过分类投放，分类收集，把生活垃圾中的金属、纸张、橡胶等有利用价值的东西回收，把厨余垃圾从生活垃圾中分类出来，垃圾总量减少，但是垃圾的热值提高，同时其他垃圾中可燃烧垃圾中金属的含量增加。飞灰和炉渣中均含有较高含量的非铁金属。随着垃圾分类的深入以及生活消费水平的提高会逐渐相近，非铁金属含量的增加意味着可回收的必要性逐渐增加。垃圾的热值与进焚烧厂部分的组成与发达国家相似。

表1国内外焚烧炉渣中重金属含量(单位mg/kg)

在垃圾分类实施较好的德国，剩余垃圾(与中国其他垃圾相似)中金属含量约为2％，在商业垃圾中金属含量解决5％，大件垃圾中金属含量达到5.5％。发达国家对炉渣中铁的回收率很高，达到92.5％，而非铁金属的回收率不足30％，大多数情况下回收率仅有10％，也有些先进的垃圾焚烧厂，非铁金属的回收率达到50～60％。

表2国内外焚烧飞灰中重金属含量(单位mg/kg)

对比发达国家与我国城市的底灰与飞灰中非铁金属含量(表1和表2)，可以发现飞灰和炉渣中均含有较高含量的非铁金属。其次还发现我国炉渣和飞灰中非铁金属含量相差较大，但是这种差距将会随着垃圾分类的深入以及生活消费水平的提高会逐渐相近，非铁金属含量的增加意味着可回收的必要性逐渐增加。

目前炉渣的资源化利用途径主要是被用作混凝土的部分替代骨料、石油沥青铺装路面的替代骨料、填埋场覆盖材料和建筑材料。飞灰中非铁金属提取技术有水洗、酸洗提取技术、微生物化学提取技术。水洗作为一种有效的预处理方式，能够明显改善水泥固化、水泥窑协同处置、烧结/熔融等方法的处置效果，也为后续产品的大规模资源化利用(如水泥、轻骨料等)提供了希望。但是，水洗过程中部分重金属能够溶浸到水洗液中，溶液在达标排放前仍需处理。重金属生物/化学提取技术具有工艺简单、可操作性强及重金属可提取回收等优点。但提取技术一般成本比较高，因为需要进行微生物的培养及各类化学药剂和螯合剂的采购，而飞灰中的重金属浓度一般非常低，所回收的重金属往往还不能抵消所需药剂的成本费。

飞灰与炉渣非铁金属的回收利用，得到多金属的混合物产品，该产品具有较高非铁金属品位，从而具有较高的价值。高性能高价值产品的回收技术是今后飞灰炉渣资源化利用的大趋势。

基于以上分析，飞灰和炉渣中非铁金属的回收具有十分重要的意义。然而，传统借助附加材料和试剂，可能会增加金属回收的经济成本和环境风险。目前，飞灰的处理与炉渣的处理是独立进行的，如何利用焚烧厂内废物的资源属性及元素互补，达到协同处理的目的，既能回收非铁金属，又能将剩余的残渣具有更高的建材品质，是目前亟需解决的问题。

因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种生活垃圾焚烧飞灰与炉渣协同回收非铁金属的方法，以实现飞灰与炉渣中的非铁金属元素从熔渣体系中分级分离。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种生活垃圾焚烧飞灰与炉渣协同回收非铁金属的方法，其包括以下步骤：

S10、将飞灰进行分级预处理获得细颗粒飞灰和粗颗粒飞灰，将炉渣进行除铁预处理获得非含铁炉渣。

S20、将步骤S10中粗颗粒飞灰进行造粒，将非含铁炉渣与细颗粒飞灰混匀并造粒。

S30、将步骤S20中非含铁炉渣与细颗粒飞灰的混合物进行分区加热熔融，并分别回收低温区及中温区的烟气颗粒物，然后在高温区加入步骤S20中的粗颗粒飞灰并回收高温区的烟气颗粒物。

进一步地，步骤S10中，所述粗颗粒飞灰的粒级为+10μm，所述细颗粒飞灰的粒级为-10μm。

进一步地，步骤S10中，所述除铁预处理具体为将炉渣依次进行的一级除铁、筛分、破碎及二级除铁过程。

进一步地，步骤S20中，所述非含铁炉渣与细颗粒飞灰混合后造粒的粒径为 10mm。

进一步地，步骤S20中，所述非含铁炉渣与细颗粒飞灰的混合比例为1:4。

进一步地，步骤S30中，所述低温区的温度为700℃-730℃，所述中温区的温度为950℃-1000℃，所述高温区的温度为1450℃-1600℃。

进一步地，步骤S30中，在低温区的停留时间为10min，在中温区的停留时间为20min，在高温区的停留时间为20min。

进一步地，步骤S30中，以质量百分比计，所述粗颗粒飞灰的加入量为非含铁炉渣与细颗粒飞灰的混合物加入量的20％。

进一步地，步骤S30中、对低温区、中温区及高温区产生的烟气分别进行冷凝处理，分别得到含有不同金属氯化物的烟气颗粒物。

进一步地，还包括以下步骤：S40、将高温区去除烟气后的飞灰与炉渣熔融物进行水淬降温。

有益效果

本发明提出了一种生活垃圾焚烧飞灰与炉渣协同回收非铁金属的方法，现对于现有技术具有如下有益效果：

(1)将飞灰与炉渣中的非铁金属回收，尤其是得到了氯化锌、氯化铅和氯化镉产品，可作为一定品位的金属原料出售，产生经济效益，实现飞灰和炉渣的高值化利用。

(2)通过飞灰与炉渣的高温熔融处理，将飞灰中的重金属分离，实现了飞灰的解毒，将飞灰转变为一种安全的建筑材料。

(3)彻底实现了焚烧厂固体废物的零排放，焚烧厂的飞灰和炉渣转变为建筑原材料，进入市场出售。

(4)实现了对飞灰进行了大幅度的减量化和无害化，质量减量可达到90％，体积减量可达到95％。

(5)飞灰与炉渣的协同熔融处理所用的热源来自焚烧厂，不需要外购燃料和热源，这也提高了焚烧厂热量的利用率。

附图说明

图1是本发明具体实施例1中生活垃圾焚烧飞灰与炉渣协同回收非铁金属的方法流程图；

图2为本发明具体实施例1中生活垃圾焚烧飞灰与炉渣协同回收非铁金属的系统结构示意图。

图中：100、飞灰分级装置；210、第一造粒装置；220、第二造粒装置；300、炉渣除铁装置；310、第一除铁器；320、振动筛；330、球磨机；340、第二除铁器；400、分区熔融装置；410、第一温度区；420、第二温度区；430、第三温度区；500、水淬设备；600、烟气冷凝装置；700、烟气处理系统；800、烟囱。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

具体实施例1

本发明主要解决的技术问题是如何实现生活垃圾焚烧飞灰与炉渣中的非铁金属元素从熔渣体系中分级分离，具体而言将飞灰和炉渣中的Zn、Cd、Pb、Cu 和Ba从熔渣中分离，得到某一种或几种金属的混合物。发明原理如下：

飞灰和炉渣中含有约1.2～2.0％非铁金属元素，其中这些非铁元素主要是 Me-O、Me-Si-O的形式存在。利用飞灰中含有大量的无机氯化物(主要是NaCl、 KCl和CaCl

NaCl+SO

SO

NaCl+2SO

NaCl+H

CaCl

CaCl

CaCl

利用不同氯化物分解的温度条件不同，在不同的温度区间需要加入不同的氯化剂。

金属(硅)氧化物在氯气的作用下发生氯化反应。Cu的(硅)氧化物的氯化反应方程式如下：

Cu

3CuO+2HCl＝2/3Cu

飞灰中Zn、Pb和Cd主要是以氯化物的形式存在。炉渣中Zn、Pb和Ba的硅氧化物发生氯化反应的方程式如下：

Zn

Zn

Pb

Pb

Ba

Ba

利用金属氯化物沸点的差异，实现金属氯化物的分级回收。金属氯化物的沸点见表3。

表3金属氯化物的沸点

由此根据不同金属氯化物沸点的差异，结合氯化剂作用的温度区间，将氯化物的分离分为三个温度区间分别回收，低温区(<750℃)回收Zn、中温区 (750-1000℃)回收Pb和Cd，高温区(>1000℃)回收Cu和Ba。

综上，飞灰与炉渣的协同处理基于飞灰中含有较高含量氯化物的高温分解产生的Cl

基于上述原理本实施例提出了一种生活垃圾焚烧飞灰与炉渣协同回收非铁金属的方法，如图1所示，其包括以下步骤：

S10、将飞灰进行分级预处理获得细颗粒飞灰和粗颗粒飞灰，将炉渣进行除铁预处理获得非含铁炉渣。

S20、将步骤S10中粗颗粒飞灰进行在第一造粒机中造粒，将非含铁炉渣与细颗粒飞灰混匀并在第二造粒机中造粒。

S30、将步骤S20中非含铁炉渣与细颗粒飞灰的混合物进行分区加热熔融，并分别回收低温区及中温区的烟气颗粒物，然后在高温区加入步骤S20中的粗颗粒飞灰并回收高温区的烟气颗粒物。

具体的，对低温区、中温区及高温区产生的烟气分别进行冷凝处理，得到含有不同金属氯化物的烟气颗粒物。

S40、将高温区去除烟气后的飞灰与炉渣熔融物进行水淬降温，得到玻璃化熔渣。

进一步地，步骤S10中，按照10μm的粒径分级，即粗颗粒飞灰的粒级为+10 μm，记为FA-1，细颗粒飞灰的粒级为-10μm，记为FA-2。

进一步地，除铁预处理具体为将炉渣依次进行一级除铁、筛分、破碎及二级除铁过程。

具体的，将焚烧炉渣记为BA，焚烧炉渣从卸料收集后，在第一除铁器中通过磁力分选的方式将含铁颗粒物分离出来，完成炉渣的一级除铁过程；将一级除铁后的炉渣过5mm振动筛筛分，将+5mm以上颗粒物分离出来。将0-5mm的炉渣在球磨机中破碎，破碎后获得2.5mm-5mm的炉渣并将该炉渣在第二除铁器中进行二级除铁，得到的非含铁炉渣。

进一步地，步骤S20中，非含铁炉渣与细颗粒飞灰混合后造粒的粒径为 10mm，其作用在于飞灰与炉渣成团防止飞灰在炉中飞逸，非含铁炉渣与细颗粒飞灰的混合物记为F1B4。

优选的，步骤S20中，非含铁炉渣与细颗粒飞灰的混合比例为1:4，根据上述反应原理，该混合比例有利于非含铁炉渣与细颗粒飞灰之间协同反应的充分进行。

进一步地，步骤S30中，低温区的温度为700℃-730℃，低温熔融，获得的烟气冷凝，获得产品A，该产品A的主要成分是氯化锌，进一步实现了锌的回收。中温区的温度为950℃-1000℃，中温熔融，获得的烟气冷凝，获得产品B，该产品B的主要成分是氯化铅、氯化镉，进一步实现了铅和镉的回收。高温区的温度为1450℃-1600℃，高温熔融，获得的烟气冷凝，获得产品C，该产品C的主要成分是氯化铜和氯化钡，进一步实现铜和钡的回收。

进一步地，步骤S30中，在低温区的停留时间为10min，以对低温区的氯化锌进行充分的回收，在中温区的停留时间为20min，以对中温区氯化铅、氯化镉进行充分的回收，在高温区的停留时间为20min，以对高温区的氯化铜和氯化钡进行充分的回收。回收的氯化锌、氯化铅和氯化镉产品，可作为一定品位的金属原料出售，产生经济效益，实现飞灰和炉渣的高值化利用。

进一步地，步骤S30中，以质量百分比计，粗颗粒飞灰的加入量为非含铁炉渣与细颗粒飞灰的混合物加入量的20％，有利于飞灰和非含铁炉渣的协同反应的充分进行。

进一步地，步骤S30中，低温区、中温区及高温区产生的烟气降温后，烟气颗粒物被回收，烟气进入烟气处理系统进行无害化处理，并经烟囱排放至大气中，实现烟气的无污染处理。

本发明通过分区加热，使飞灰和炉渣高温熔融，飞灰中的重金属分段分离，实现飞灰的解读，将飞灰转变为一种安全的建筑材料，同时对各温度区的非铁金属进行了回收，具有一定的经济利益和社会效益。实现了对飞灰进行了大幅度的减量化和无害化，质量减量可达到90％，体积减量可达到95％。

本实施例提出的方法可以通过以下生活垃圾焚烧飞灰与炉渣协同回收非铁金属的系统实现，如图2所示，该系统包括用于将飞灰分成细颗粒飞灰和粗颗粒飞灰的飞灰分级装置100、炉渣除铁装置300、第一造粒装置210、第二造粒装置220、分区熔融装置400及烟气冷凝装置600，飞灰分级装置100的粗颗粒飞灰出口与第一造粒装置210的入料口连通，飞灰分级装置100的细颗粒飞灰出口及炉渣除铁装置300的出料口分别与第二造粒装置220的入料口连通，第一造粒装置210的出料口及第二造粒装置220的出料口分别与分区熔融装置400 的入料口连通，分区熔融装置400的烟气出口与烟气冷凝装置600的进烟口连通。飞灰分级装置100将生活垃圾焚烧产生的飞灰分级分为细颗粒飞灰和粗颗粒飞灰，炉渣除铁装置300将炉渣进行除铁预处理，经除铁预处理的炉渣与细颗粒飞灰在第二造粒装置220中混匀并造粒，粗颗粒飞灰经第一造粒装置210 造粒。

进一步地，炉渣除铁装置300包括依次连接的用于实现炉渣一级除铁的第一除铁器310、用于对一级除铁后的炉渣进行筛分的振动筛320、用于对振动筛 320筛分后获得的炉渣颗粒进行破碎的球磨机330及用于对经球磨机330破碎的炉渣进行二级除铁的第二除铁器340，第二除铁器340的出料口与第二造粒装置 220的入料口连通。

具体的，焚烧炉渣从卸料收集后在第一除铁器310中通过磁力分选的方式将炉渣中的铁屑分离出来，获得一级除铁后的炉渣；然后通过5mm筛孔的振动筛320对一级除铁后的炉渣进行筛分，将粒径为+5mm以上的大颗粒及粗颗粒分离出去，然后将粒度为0-5mm的炉渣经球磨机330进行破碎，获得2.5mm-5 mm的炉渣，将得到2.5mm-5mm的炉渣在第二级除铁器中通过磁力分选的方式进行二级除铁，最后获得非含铁的炉渣。将非含铁的炉渣与细颗粒飞灰加入到第二造粒机中进行混合并造粒，造粒的粒径为10mm。

优选的，非含铁的炉渣与细颗粒飞灰的混合比例为1:4，根据上述反应原理，该混合比例有利于协同反应的充分进行。

进一步地，分区熔融装置400内设置有温度由低到高的第一温度区410、第二温度区420及第三温度区430，第二造粒装置220的出料口与第一温度区410 的入料口连通，第一温度区410的熔渣出口与第二温度区420的入料口连通，第二温度区420的熔渣出口与第三温度区430的入料口连通，第一造粒装置210 的出料口与第三温度区430的入料口连通，第一温度区410、第二温度区420及第三温度区430的烟气出口分别与烟气冷凝装置600的进烟口连通。

具体的，第一温度区410为低温区，温度设置为700℃-730℃，在低温区的停留时间为10min，其作用在于充分回收该低温区的烟气，该低温区产生的烟气的主要成分为氯化锌，烟气经烟气冷凝装置600冷凝得到氯化锌颗粒，以实现锌的回收；第二温度区420为中温区，温度设置为950℃-1000℃，在中温区的停留时间为20min，其作用在于充分回收该中温区的烟气，该烟气的主要成分是氯化铅、氯化镉，进而达到铅和镉的回收；第三温度区430为高温区，温度设置为1500℃-1600℃，其作用在于对高温区的烟气进行充分的回收，此时的烟气主要是氯化铜和氯化钡，进而实现铜和钡的回收。

本实施例中，分区熔融装置400为电弧熔融炉，第一造粒装置210和第二造粒装置220均为造粒机。

优选的，飞灰分级装置100为旋风分级机，其具有结构简单、工作稳定可靠、造价低、维修方便等优点。

进一步地，生活垃圾焚烧飞灰与炉渣协同回收非铁金属的系统还包括水淬设备500，水淬设备500的入渣口与第三温度区430的出渣口连接，该水淬设备 500接收第三温度区430中剩余的飞灰和炉渣熔融物并将其冷却，使其形成玻璃化熔渣。

进一步地，生活垃圾焚烧飞灰与炉渣协同回收非铁金属的系统还包括烟气处理系统700及与烟气处理系统700连接的烟囱800，烟气冷凝装置600的出烟口与烟气处理系统700的进烟口连通，烟气处理系统700的出烟口通过烟囱800 与大气连通，通过烟气处理系统700将烟气冷凝装置600中未被冷凝的烟气进行净化处理，经烟气处理系统700净化后的烟气通过烟囱800排放至大气中，实现无污染化的处理。

具体使用时，将生活垃圾焚烧飞灰通过风机和螺旋输送机输送至旋风分级机，将旋风分级机的分级粒度设置为10μm，通过旋风分级机将飞灰颗粒分为细颗粒飞灰和粗颗粒飞灰两部分，其中粗颗粒飞灰的粒级大于10μm，细颗粒飞灰的粒级小于10μm。

将生活垃圾焚烧炉渣由刮板输送机运送到第一除铁器310中进行一级除铁，经第一除铁器310除铁后的炉渣进入到振动筛320中，筛孔为5mm，将小于5mm 粒级的筛下物输送至球磨机330中进行破碎，破碎后炉渣进入第二除铁器340 中进行二级除铁。除铁后的炉渣物料与细颗粒飞灰进入第二造粒机中，加入适量粘结剂混匀造粒。

将除铁后的炉渣物料与细颗粒飞灰混合物由螺旋输送机输送至电弧熔融炉的低温区进行加热，将温度升高至700℃-730℃，在该温度下停留10min，熔融过程中产生的烟气进入烟气冷凝器，冷凝得到烟气颗粒物，其主要成分为氯化锌的颗粒物，降温后的烟气进入烟气处理系统700，达标后排放。然后将将除铁后的炉渣物料与细颗粒飞灰混合物输送至低温区进行升温。

经过低温熔融后的熔渣倒入中温熔融区，将温度升高至950-1000℃，在此温度下保温20min，熔融过程中产生的烟气进入冷凝器，冷凝得到烟气颗粒物，降温后的烟气进入烟气处理系统700，达标后排放。然后将低温区的物料输送至中温区进行熔融。

经中温区的熔渣倒入高温区，然后将造粒后的粗颗粒飞灰混合倒入，将温度升高至1450-1500℃，在此温度下保温20min后，熔融过程中产生的烟气进入冷凝器，冷凝得到烟气颗粒物，降温后的烟气进入烟气处理系统700，达标后排放。继续将中温区的熔渣再倒入高温区中进行升温熔融，最后高温区熔渣进入水淬处理，得到玻璃化熔渣。

以上已将本发明做一详细说明，以上，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。