一种垃圾焚烧飞灰重金属高效固化及协同固碳的方法与流程

1.本发明涉及废气处理技术，特别涉及城市生活垃圾焚烧飞灰的无害化处置及二氧化碳捕集技术，通过飞灰高效固化重金属以及协同高效捕集封存二氧化碳。


背景技术：

2.随着人们生活水平日益提高，垃圾产生量也不断增加，其中焚烧处置占生活垃圾清运量的一半以上。然而，生活垃圾焚烧会产生大量飞灰，由于飞灰中含有大量重金属、氯盐以及二噁英，被各国相关法规明确认定为危险废物，并且需要对其进行无害化处置才能够进入危险废物填埋厂。
3.目前比较成熟的处置方法主要是水泥、螯合剂固化填埋，但是该方法增容增量明显，处置成本高，且处置后飞灰不具备资源化利用的条件。还有一种处置方法是水泥窑协同处置，由于飞灰中含有大量氯盐，容易破坏材料结构，降低混凝土强度，且容易导致水泥窑内腐蚀造成危险。
4.随着“碳中和”目标的提出，垃圾焚烧电厂作为主要的二氧化碳排放源受到广泛关注。考虑到飞灰是碱性废物的一种，在较早时期有科研人员提出用碱性废物来捕集二氧化碳。中国专利申请“一种焚烧飞灰资源化利用的安全预处理方法”(cn102825059b)中记载了利用碳酸化反应来处理飞灰。但是该方法碳酸化效率低、重金属固化效果差，并且无法实现飞灰中二噁英的降解，二噁英无法降解掉，始终会影响处置后飞灰的资源化利用。
5.因此，寻找一种高效固化/稳定化重金属、高效捕集封存二氧化碳，且成本低、能耗少、低碳环保的飞灰处置方法是目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种垃圾焚烧飞灰重金属高效固化及协同固碳的方法。
7.为了解决技术问题，本发明的解决方案是：
8.提供一种垃圾焚烧飞灰重金属高效固化及协同固碳的方法，包括以下步骤：
9.(1)对飞灰进行三级逆流水洗，水洗时间不少于1小时，控制液固比为3:1～5:1，单位l/kg；将水洗后的飞灰进行压滤处理后，在90～105℃条件下进行干燥；
10.(2)将干燥后的飞灰研磨至平均粒径小于5um，研磨时间为8～10小时；
11.(3)将研磨后的飞灰加入带搅拌设备的固碳仓，然后加入水，控制液固比为1:1～5:1，单位l/kg；启动搅拌设备，并向固碳仓的混合物中通入垃圾焚烧电厂排放的烟气；碳酸化反应开始后，实时监测固碳仓的排放气体中二氧化碳浓度，当浓度升高至进料烟气所含二氧化碳浓度时，表明固碳仓中飞灰的二氧化碳捕集能力显著下降，结束固碳反应；
12.(4)将固碳仓中的飞灰混合物倒入风干箱内，在常温脱水干燥后，得到固碳产物。
13.作为优选的方案，所述步骤(1)中，控制过滤压强为1～2.5mpa，过滤时间为1～2个小时。
14.作为优选的方案，所述步骤(1)中，以太阳能或者垃圾焚烧电厂余热作为干燥时所用热源，控制干燥时间不少于24个小时。
15.作为优选的方案，所述步骤(2)中，以机械球磨法进行研磨，球磨机中的钢球与干燥后的飞灰质量比为4～20:1。
16.作为优选的方案，所述步骤(3)中，搅拌设备的搅拌速率设置为100～500rpm。
17.作为优选的方案，所述步骤(3)中，在导入固碳仓的烟气中，二氧化碳的体积分数为8～15％。
18.作为优选的方案，所述步骤(4)中，常温脱水时控制风干时间为不少于48小时。
19.本发明还提供用于前述方法的垃圾焚烧飞灰重金属高效固化及协同固碳的系统，该系统设于垃圾焚烧电厂中，具体包括：飞灰储存仓、水洗-压滤装置、干燥箱、超细研磨机、固碳仓、风干箱和二氧化碳分析仪；其中，
20.飞灰储存仓、水洗-压滤装置、干燥箱、超细研磨机、固碳仓通过输送管路或传送带依次连接；垃圾焚烧电厂中的旋风分离器通过管路接至飞灰储存仓，垃圾焚烧电厂的烟道通过管路接至固碳仓内部；
21.固碳仓的上部设气体出口，下部设飞灰混合物排放口，其内部设桨叶搅拌设备；气体出口通过管路接至垃圾焚烧电厂的烟囱，气体出口处设置二氧化碳分析仪，飞灰混合物排放口通过管路接至风干箱。
22.作为优选的方案，所述水洗-压滤装置由三级逆流水洗设备和压滤机组成，压滤机选用板框压滤机；所述超细研磨机选用滚筒式球磨机或行星式球磨机。
23.作为优选的方案，所述风干箱分为上下两层，由孔隙小于1mm的滤网分隔，风干箱的底部设储水槽。
24.发明原理描述：
25.(1)在水洗压滤过程中：飞灰中含有40％～50％的可溶性氯盐，主要成分是氯化钠和氯化钾，通过三级逆流水洗工艺可以有效洗脱大部分可溶性氯盐，并且能够保留飞灰中大部分溶解度低的氢氧化钙，显著提高了飞灰中氢氧化钙或氧化钙的含量。
26.(2)在超细研磨过程中：一方面，飞灰减小了的颗粒尺寸、晶粒尺寸、结晶度，增加了表面积和表面缺陷，并且飞灰中的金属氧化物(主要是氧化钙)经过超细研磨后，比表面积增大，提高氧化钙反应活性，从而降低了碳酸化反应的活化能；另一方面，氧化钙被激活，晶体内部产生反应位点，氧化钙中的氧离子被氯离子代替，生成可溶性钙盐，进一步提高了飞灰捕集二氧化碳的能力。
27.(3)在飞灰固碳过程中：飞灰中的部分重金属化合物与二氧化碳反应生成碳酸盐沉淀，使重金属形态更加稳定；氧化钙与二氧化碳反应生成碳酸钙沉淀，碳酸钙能够吸附重金属碳酸盐沉淀以及游离重金属，进一步固化重金属。
28.基于上述操作，不仅能实现飞灰重金属固化，同时能够提高飞灰捕集二氧化碳能力，实现二氧化碳永久封存。
29.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
30.(1)本发明能在实现飞灰中重金属固化的同时，降解飞灰中的二噁英，并且实现二氧化碳的矿化捕集，在实现“以废治废”的同时，得到具备资源化利用条件的飞灰；
31.(2)该方法无需添加任何添加剂，处置成本低廉；
32.(3)该套工艺均在常温常压下进行，工艺流程简单，过程无有害物质生成，低碳环保；
33.(4)该系统中多数设备之间可采用管道或传输带进出料，实现半自动化生产。
34.(5)该系统可直接安装于垃圾焚烧电厂内，所用飞灰和协同处理的二氧化碳均来自垃圾焚烧电厂，减少了处置过程中的原料运输成本；所用电力也可直接使用焚烧炉的发电，最大程度实现焚烧厂的低碳排放。
附图说明
35.图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
36.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
37.本发明中的垃圾焚烧飞灰重金属高效固化及协同固碳的方法，包括以下步骤：
38.(1)对飞灰进行三级逆流水洗，水洗时间不少于1小时，控制液固比为3:1～5:1，单位l/kg；将水洗后的飞灰进行压滤处理后，在90～105℃条件下进行干燥；压滤时控制过滤压强为1～2.5mpa，过滤时间为1～2个小时；干燥时可选太阳能或者垃圾焚烧电厂余热作为干燥时所用热源，干燥时间不少于24个小时。
39.(2)以机械球磨法将干燥后的飞灰研磨至平均粒径小于5um，球磨机中的钢球与干燥后的飞灰质量比为4～20:1，研磨时间为8～10小时；
40.(3)将研磨后的飞灰加入带桨叶搅拌设备的固碳仓，然后加入水，控制液固比为1:1～5:1，单位l/kg；启动搅拌设备，搅拌速率设置为100～500rpm。向固碳仓的混合物中通入垃圾焚烧电厂排放的烟气，烟气中二氧化碳的体积分数为8～15％。开始碳酸化反应后，实时监测固碳仓的排放气体中二氧化碳浓度，当浓度升高至进料烟气所含二氧化碳浓度时(或浓度提升很快时)，表明固碳仓中飞灰的二氧化碳捕集能力显著下降；结束固碳反应，需要更换新研磨好的飞灰再次进行固碳反应。
41.(4)将固碳仓中已处理过的飞灰混合物倒入风干箱内，在常温脱水干燥，控制风干时间为不少于48小时。得到干燥的固碳产物，该固碳产物可进一步用作施工工程混凝土的骨料或进行其他资源化处置。
42.为实现上述方法，本发明提供了一种垃圾焚烧飞灰重金属高效固化及协同固碳的系统，该系统设于垃圾焚烧电厂中，具体包括：飞灰储存仓、水洗-压滤装置、干燥箱、超细研磨机、固碳仓、风干箱和二氧化碳分析仪；其中，飞灰储存仓、水洗-压滤装置、干燥箱、超细研磨机、固碳仓通过输送管路或传送带依次连接；垃圾焚烧电厂中的旋风分离器通过管路接至飞灰储存仓，垃圾焚烧电厂的烟道通过管路接至固碳仓内部；固碳仓的上部设气体出口，下部设飞灰混合物排放口，其内部设桨叶搅拌设备；气体出口通过管路接至垃圾焚烧电厂的烟囱，气体出口处设置二氧化碳分析仪，飞灰混合物排放口通过管路接至风干箱。
43.所用设备的具体描述：
44.飞灰储存仓用于临时存储垃圾焚烧电厂产生的飞灰，飞灰储存仓底部的出口连接着水洗-压滤装置的进口。水洗-压滤装置由三级逆流水洗设备和压滤机组成，三级逆流水洗系统的出口连接这压滤机的进口；三级逆流水洗系统为目前工业上常用的飞灰水洗工
艺，水洗-压滤装置中的压滤机选用板框压滤机，压滤面积10～300m2，滤布孔径小于1um。超细研磨机可选用滚筒式球磨机或行星式球磨机，可连续工作时长超过10小时；固碳仓的桨叶搅拌设备转速范围0～500rpm；
45.风干箱分为上下两层，由孔隙小于1mm的滤网分隔。碳酸化后飞灰被倒入上层，经过常温晾干，液体由于重力逐渐滴入下层收集，风干箱的底部设储水槽，用于将收集到的液体回收处理。
46.作为一个具体实施例子，其实现过程描述如下：
47.(1)垃圾储存仓内收集了来自生活垃圾焚烧电厂中布袋除尘器的飞灰，取50kg飞灰加入到水洗-压滤装置中，首先设置三级逆流水洗的液固比为3:1(l/kg)，对加入的飞灰进行水洗处理，水洗时间设置为1小时，接着将水洗后的飞灰进行压滤脱水处理，后将滤饼放入干燥箱中，设置干燥温度105℃，干燥24小时，使其含水量低于1％；
48.(2)取干燥后的飞灰约25～30kg左右，选用行星式球磨机进行超细研磨，球磨机中的钢球与干燥后的飞灰质量比为20:1，设置研磨时间为10小时；
49.(3)将研磨后的飞灰加入到固碳仓内，向固碳仓内加入60l自来水，控制液固比为3:1(l/kg)，将电厂烟气(二氧化碳含量在8～15％)接入固碳仓，启动固碳仓内的桨叶搅拌装置，搅拌速率设置为400rpm，待固碳仓出口处二氧化碳浓度显著升高，超过8％时，说明飞灰已经充分碳酸化，二氧化碳捕集能力显著下降，需要更换新的研磨后的飞灰；
50.(4)将碳酸化后的飞灰倒入风干箱内，开启风干箱的通风设备，在常温下脱水风干48小时，得到碳酸钙含量较高、具备资源化利用条件的飞灰。
51.分析测试结果：
52.分别取2g处理后的飞灰样品和原始飞灰，用《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(hj557-2010)来评判处理后飞灰的重金属固化效率，根据测试结果计算得到zn、pb、cu、ni等重金属的固化效率均大于90％；分别取6ug处理后的飞灰样品和原始飞灰进行热重分析，获得碳酸钙含量，根据测试结果计算得到碳酸化效率大于20％。
53.因此，本发明提供的一种垃圾焚烧飞灰重金属高效固化及协同固碳的方法对生活垃圾焚烧飞灰具有非常高效的无害化处置效果，并且具有高效的二氧化碳捕集封存能力，是一种非常具有商业应用前景，成本低，低碳环保的垃圾焚烧飞灰处置技术。该技术不仅能实现飞灰重金属固化，同时能够提高飞灰捕集二氧化碳能力，实现二氧化碳永久封存，而且具有操作简单、成本低廉、过程环保等特点。
54.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行后续的各种应用、补充、改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。如果基于本发明的各种应用、补充、改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些应用、补充、改动和变型在内。