一种基于碳热还原的焚烧飞灰分级热净化方法及装置

技术领域

本发明涉及固体废弃物处理领域，具体涉及一种基于碳热还原的焚烧飞灰分级热净化方法及装置。

背景技术

随着我国经济发展，人民物质生活水平不断提高，城市生活垃圾产量也日益增加，并且以每年8%-10%的速度增长。目前，城市生活垃圾处理的主要方式为填埋和焚烧。其中，焚烧以其减量化、无害化效果显著而逐渐成为大量城市的首选。

由于我国生活垃圾分类暂未广泛实施，且很多垃圾组分中含有重金属，导致焚烧的飞灰中含有重金属还含有二噁英，焚烧飞灰被列入国家危险废物名录，直接进入安全填埋场的成本非常高，对焚烧飞灰进行无害化处理后，可以降低飞灰的处置要求，甚至可以实现资源化利用。

目前，飞灰无害化处理的方式有：等离子体熔融处理，螯合剂螯合水泥固化协同处理和水洗预处理。等离子熔融处理的熔融温度较高，通常在1400℃以上，消耗能量很高，且重金属和盐的挥发产生的二次飞灰，仍为危险废物。螯合固化协同处理后，填埋后的飞灰长期存放后，其中污染物的长期稳定性存疑，可能会造成污染物的重新释放且固化处理后的飞灰体积增大，占用大量的填埋处理场地，飞灰也未得到资源化利用。水洗预处理的过程复杂，且主要针对脱除氯盐，污染物基本留在飞灰中。

因此，本发明的目的在于提供一种基于碳热还原的焚烧飞灰分级热净化方法及装置，来实现在较低能耗的情况下焚烧飞灰的处理，且该方法及装置不会造成二次污染，同时可以实现处理后的冷凝产物和夹带飞灰的资源化利用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有焚烧飞灰处理技术的不足，基于碳热还原的焚烧飞灰分级热净化的原理，开发一种无二次污染、相较飞灰熔融热处理技术能耗低、可实现资源化利用的焚烧飞灰处理新方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于碳热还原的焚烧飞灰分级热净化方法，其步骤包括：将焚烧飞灰与炭粒均匀混合造粒，混合颗粒依次经过前四级回转窑炉进行低氧气氛煅烧，前四级回转窑炉炉温依次增加，依次收集每级窑炉烟气中的冷凝产物，最后将第四级回转窑炉煅烧后的混合颗粒破碎后送入第五级回转窑炉内，空气气氛煅烧去除炭颗粒，每级窑炉烟气中的冷凝产物和焚烧飞灰可资源化利用。

优选的，选取过200目筛的焚烧飞灰与过200目筛的炭粒以1:1-2:1的质量比例均匀混合，形成混合物，以8-12MPa的压强，将所述混合物压制成10-20mm球形颗粒。

优选的，将球形颗粒加入第一级回转窑炉，炉内温度为350-400℃，颗粒在炉内停留时间为30-45min，炉内氧气浓度为5-10%，炉内气体流动速度为0.02-0.05m/s，窑尾烟气经换热器冷却至150-200℃后，使用一号除尘器收集烟气中的冷凝产物；

将所述的第一级回转窑炉排出的球状颗粒加入第二级回转窑炉，炉内温度为500-550℃，颗粒在炉内停留时间为30-45min，炉内氧气浓度为5-10%，炉内气体流动速度为0.02-0.05m/s，窑尾烟气经换热器冷却至350-400℃后，使用二号除尘器收集烟气中的冷凝产物；

将所述的第二级回转窑炉排出的球状颗粒加入第三级回转窑，炉内温度为700-750℃，颗粒在炉内停留时间为30-45min，炉内氧气浓度为5-10%，炉内气体流动速度为0.02-0.05m/s，窑尾烟气经换热器冷却至500-550℃后，使用三号除尘器收集烟气中的冷凝产物；

将所述的第三级回转窑炉排出的球状颗粒加入第四级回转窑炉，炉内温度为950-1000℃，颗粒在炉内停留时间为30-45min，炉内氧气浓度为5-10%，炉内气体流动速度为0.02-0.05m/s，窑尾烟气经换热器冷却至700-750℃后，使用四号除尘器收集烟气中的冷凝产物。

优选的，第一级回转窑炉排出的窑尾烟气经换热器和一号除尘器后，进入第四级回转窑炉，作为炉内载气使用，所述的第四级回转窑炉需要补充空气以维持炉内低氧气氛；

第二级回转窑炉排出的窑尾烟气经换热器和二号除尘器后，进入第一级回转窑炉，作为炉内载气使用，所述的第一级回转窑炉需要补充空气以维持炉内低氧气氛；

第三级回转窑炉排出的窑尾烟气经换热器和三号除尘器后，进入第二级回转窑炉，作为炉内载气使用，所述的第二级回转窑炉需要补充空气以维持炉内低氧气氛；

第四级回转窑炉排出的窑尾烟气经换热器和四号除尘器后，进入第三级回转窑炉，作为炉内载气使用，所述的第三级回转窑炉需要补充空气以维持炉内低氧气氛。

优选的，将第四级回转窑炉排出的球状颗粒进行破碎，过200目筛网后，加入第五级回转窑炉，炉内温度为500-600℃，颗粒在炉内停留时间为60-120min，炉内为空气气氛，炉内气体流动速度为0.02-0.05m/s，窑尾烟气经换热器冷却至150-200℃后，使用五号低温除尘器收集烟气中的夹带飞灰。

优选的，所述的一号除尘器为低温布袋除尘器，所述的二号除尘器为高温陶瓷除尘器，所述的三号除尘器为高温陶瓷除尘器，所述的四号除尘器为高温陶瓷除尘器。

优选的，收集到的冷凝产物为重金属及其氯化物或者为碱金属和碱土金属的氯化物，具有资源化利用的价值，收集到的煅烧飞灰和布袋飞灰已去除了重金属和二噁英，具有资源化利用的价值。

另一方面，基于碳热还原的焚烧飞灰分级热净化装置，包括:第一级回转窑炉，第二级回转窑炉，第三级回转窑炉，第四级回转窑炉，第五级回转窑炉，一号除尘器，二号除尘器，三号除尘器，四号除尘器，和五号除尘器，所述第一级回转窑炉的排气口与一号除尘器的一端连接，所述一号除尘器的另一端和所述第四级回转窑炉的进气口连接，所述第二级回转窑炉的排气口与二号除尘器的一端连接，所述二号除尘器的另一端和所述第一级回转窑炉的进气口连接，所述第三级回转窑炉的排气口与三号除尘器的一端连接，所述三号除尘器的另一端和所述第二级回转窑炉的进气口连接，所述第四级回转窑炉的排气口与四号除尘器的一端连接，所述四号除尘器的另一端和所述第三级回转窑炉的进气口连接，所述第五级回转窑炉的排气口与五号除尘器连接。

优选的，所述第四级回转窑炉的出料口与所述第五级回转窑炉的进料口间设置有颗粒破碎机。

本发明的有益效果为：

该基于碳热还原的焚烧飞灰分级热净化方法及装置，使用炭粒和飞灰混合煅烧的碳热还原方法，使部分重金属发生还原反应，降低其挥发温度，节约能耗；

采用混合加压造粒的方法，增大了炭与飞灰中重金属反应的接触面积，增强了还原反应，且降低了飞灰在炉内的扬尘；

前四级回转窑炉中为低氧气氛，有助于碳氧化生成一氧化碳，增强炉内的弱还原气氛，增强还原反应；

采用分级热挥发、冷凝收集的方法，将不同重金属化合物进行分离回收，有利于其资源化利用；

使用高温除尘，减少烟气的降温要求，从而可以将除尘后的热烟气循环利用，降低能耗。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为基于碳热还原的焚烧飞灰分级热净化装置的结构示意图；

图中：1、第一级回转窑炉，2、一号除尘器，3、第二级回转窑炉，4、二号除尘器，5、第三级回转窑炉， 6、三号除尘器， 7、第四级回转窑炉，8、四号除尘器，9、第五级回转窑炉，10、五号除尘器，11、换热器，12、颗粒破碎机，13、进气口，14、出料口，15、进料口，16、排气口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非单独定义指出的方向外，本文涉及的上、下、左、右、前、后、内和外等方向均是以本发明所示的图中的上、下、左、右、前、后、内和外等方向为准，在此一并说明。

本发明提供了如图1所示的一种基于碳热还原的焚烧飞灰分级热净化方法，其步骤包括：将焚烧飞灰与炭粒均匀混合造粒，混合颗粒依次经过前四级回转窑炉进行低氧气氛煅烧，前四级回转窑炉炉温依次增加，依次收集每级窑炉烟气中的冷凝产物，最后将第四级回转窑炉煅烧后的混合颗粒破碎后送入第五级回转窑炉内，空气气氛煅烧去除炭颗粒，每级窑炉烟气中的冷凝产物和焚烧飞灰可资源化利用。

具体的，选取过200目筛的焚烧飞灰与过200目筛的炭粒以1:1-2:1的质量比例均匀混合，形成混合物，以8-12MPa的压强，将所述混合物压制成10-20mm球形颗粒。

具体的，将球形颗粒加入第一级回转窑炉1，炉内温度为350-400℃，颗粒在炉内停留时间为30-45min，炉内氧气浓度为5-10%，炉内气体流动速度为0.02-0.05m/s，窑尾烟气经换热器11冷却至150-200℃后，使用一号除尘器2收集烟气中的冷凝产物；

将所述的第一级回转窑炉1排出的球状颗粒加入第二级回转窑炉3，炉内温度为500-550℃，颗粒在炉内停留时间为30-45min，炉内氧气浓度为5-10%，炉内气体流动速度为0.02-0.05m/s，窑尾烟气经换热器11冷却至350-400℃后，使用二号除尘器4收集烟气中的冷凝产物；

将所述的第二级回转窑炉3排出的球状颗粒加入第三级回转窑5，炉内温度为700-750℃，颗粒在炉内停留时间为30-45min，炉内氧气浓度为5-10%，炉内气体流动速度为0.02-0.05m/s，窑尾烟气经换热器11冷却至500-550℃后，使用三号除尘器6收集烟气中的冷凝产物；

将所述的第三级回转窑炉5排出的球状颗粒加入第四级回转窑炉7，炉内温度为950-1000℃，颗粒在炉内停留时间为30-45min，炉内氧气浓度为5-10%，炉内气体流动速度为0.02-0.05m/s，窑尾烟气经换热器11冷却至700-750℃后，使用四号除尘器8收集烟气中的冷凝产物。

具体的，第一级回转窑炉1排出的窑尾烟气经换热器11和一号除尘器2后，进入第四级回转窑炉7，作为炉内载气使用，所述的第四级回转窑炉7需要补充空气以维持炉内低氧气氛；

第二级回转窑炉3排出的窑尾烟气经换热器11和二号除尘器4后，进入第一级回转窑炉1，作为炉内载气使用，所述的第一级回转窑炉1需要补充空气以维持炉内低氧气氛；

第三级回转窑炉5排出的窑尾烟气经换热器11和三号除尘器6后，进入第二级回转窑炉3，作为炉内载气使用，所述的第二级回转窑炉3需要补充空气以维持炉内低氧气氛；

第四级回转窑炉7排出的窑尾烟气经换热器11和四号除尘器8后，进入第三级回转窑炉5，作为炉内载气使用，所述的第三级回转窑炉5需要补充空气以维持炉内低氧气氛。

具体的，将第四级回转窑炉7排出的球状颗粒进行破碎，过200目筛网后，加入第五级回转窑炉9，炉内温度为500-600℃，颗粒在炉内停留时间为60-120min，炉内为空气气氛，炉内气体流动速度为0.02-0.05m/s，窑尾烟气经换热器11冷却至150-200℃后，使用五号低温除尘器10收集烟气中的夹带飞灰。

具体的，所述的一号除尘器2为低温布袋除尘器，所述的二号除尘器4为高温陶瓷除尘器，所述的三号除尘器6为高温陶瓷除尘器，所述的四号除尘器8为高温陶瓷除尘器。

具体的，一至五号除尘器收集到的冷凝产物为重金属及其氯化物或者为碱金属和碱土金属的氯化物，对处理后的收集到的煅烧飞灰和布袋飞灰进行检测，其中可溶性氯含量不超过1%，二噁英的含量低于50 ng-TEQ/kg，按照HJ557方法制备浸出液，其中重金属的浸出浓度不超过GB 8978 中规定的最高允许排放浓度限值，均满足《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范HJ1134—2020（试行）》，具有资源化利用的价值。

另一方面，本发明提供了如图2所示的一种基于碳热还原的焚烧飞灰分级热净化装置，包括: 第一级回转窑炉1，第二级回转窑炉3，第三级回转窑炉5，第四级回转窑炉7，第五级回转窑炉9，一号除尘器2，二号除尘器4，三号除尘器6，四号除尘器8，和五号除尘器10，所述第一级回转窑炉1的排气口16与一号除尘器2的一端连接，所述一号除尘器2的另一端和所述第四级回转窑炉7的进气口13连接，所述第二级回转窑炉3的排气口16与二号除尘器4的一端连接，所述二号除尘器4的另一端和所述第一级回转窑炉1的进气口13连接，所述第三级回转窑炉5的排气口16与三号除尘器6的一端连接，所述三号除尘器6的另一端和所述第二级回转窑炉3的进气口13连接，所述第四级回转窑炉7的排气口16与四号除尘器8的一端连接，所述四号除尘器8的另一端和所述第三级回转窑炉5的进气口13连接，所述第五级回转窑炉9的排气口16与五号除尘器9连接。

具体的，所述第四级回转窑炉7的出料口14与所述第五级回转窑炉9的进口15间设置有颗粒破碎机12。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。