一种垃圾焚烧飞灰中重金属捕集分离的方法

技术领域

本发明涉及垃圾焚烧飞灰处理技术领域，具体涉及一种垃圾焚烧飞灰中重金属捕集分离的方法。

背景技术

固化/稳定化处理技术是全球最流行的重金属无害化处理方法，通过将危险废物转化为化学稳定固体，可以降低重金属的迁移率。重金属被固化/稳定化后，在服役过程中，重金属的形态、迁移率和生物利用度可能随着时间的推移发成不可预测的转变，存在潜在环境风险。重金属提取分离技术将重金属从垃圾焚烧飞灰中分离，从根本上消除重金属对环境的潜在风险，垃圾焚烧飞灰在资源化处理过程中，重金属提取分离技术对垃圾焚烧飞灰的长期服役具有重要意义。

垃圾焚烧飞灰是垃圾焚烧过程中由除尘器等捕集下来的烟气中的颗粒物质。一般是由旋风除尘器、静电除尘器、或布袋除尘器所收集的中和反应物。在垃圾焚烧过程中，重金属通常富集在细微颗粒中，部分沸点较低的重金属则以气态形式排放到环境中。垃圾焚烧时低沸点重金属会挥发，在低温段重金属蒸汽会浓缩形成气溶胶颗粒被捕集，而无法凝结的重金属则可能以蒸汽态形式直接被垃圾焚烧飞灰吸附，该过程中重金属的主要行为包括生成细小烟气颗粒的均匀核化作用和在飞灰表面的异相沉积作用。酸洗污泥来源于不锈钢生产中的酸轧工艺，通常采用强酸或氢氟酸、硝酸、硫酸等混合酸对不锈钢表面进行酸洗，去除板坯表面氧化层。表面氧化层与酸反应生成含重金属的酸洗废液，其浓度与不锈钢成分高度相关。不锈钢酸洗废液中总铬、镍的浓度分别达到150mg/L和100mg/L，严重超标。酸洗废液一般采用石灰中和沉淀处理，降低了环境风险。在沉淀过程中，铬和镍等重金属进入渣相，形成酸洗污泥。酸洗污泥中含有大量的氧化铁和氟化钙，是良好是助溶剂和捕集剂。垃圾焚烧飞灰和酸洗污泥是中国危险废物名录中的危险废物，含有多种和大量的潜在危险重金属。酸洗污泥和垃圾焚烧飞灰的无害化处理在国内外得到了广泛的研究。

固化/稳定化处理技术是全球最流行的重金属无害化处理方法，通过将危险废物转化为化学稳定固体，可以降低重金属的迁移率。目前固化/稳定重金属的最新技术包括填埋覆盖法、水泥固化/稳定技术、热处理技术和电动修复。热处理技术包括烧结、玻璃化和熔融是目前处理危险废物最常用的技术，包括在1100-1500°C下熔融固体废物，形成非晶态或结晶体，在热转化过程中重金属被去除或固定。重金属被固化/稳定化后，在服役过程中，重金属的形态、迁移率和生物利用度可能随着时间的推移发成不可预测的转变，重金属存在潜在环境风险。在而重金属提取分离技术能够将重金属从垃圾焚烧飞灰中分离开，从根本上上消除重金属对环境的潜在风险，对垃圾焚烧飞灰在资源化处理过程中，实现垃圾焚烧飞灰的长期服役具有重要意义。重金属提取分离技术使用提取剂主要是成本较高的试剂，通过液相溶解后再分离，具有工艺流程复杂，成本高的缺点。

中国发明专利CN110607454B（新中天环保股份有限公司）公开了一种从垃圾焚烧二次飞灰中提取重金属的方法，在二次飞灰中添加活性炭混合均匀后，将混合物压缩成块状打包，包裹后存储备用。该发明通过将垃圾焚烧二次飞灰混合活性炭并打包运输，节省运输成本，同时吸附有害物质，减少飞灰对环境的破坏，将飞灰破碎成纳米颗粒，在水中加入碳酸钠溶解完全后配制成分离溶剂，有效对飞灰颗粒脱硫、蓬松和渗透处理，并软化水质，提高重金属的有效提取率，并通过锌粉置换出铜粉，分层次过滤蒸馏出ZnCl

中国发明专利 CN201010248266.X （中国科学院生态环境研究中心）公开了一种超临界流体提取焚烧飞灰中有害重金属的方法，通过预处理将飞灰中的Na、K和处于交换结合态的重金属分离出来，达到飞灰减量和有害重金属富集的目的；在超临界处理过程中，通过预先加入助剂的作用，使得反应过程中陆续产生少量盐酸，与飞灰中的有害重金属发生反应使其溶出。由于盐酸在反应过程中是陆续少量产生，因而可以及时被飞灰中的重金属消耗掉，避免对反应设施的腐蚀。处理后的固体残渣经毒性浸出实验表明重金属浸出量低于国家规定的限定值，可以进行安全填埋或资源化利用。但该发明通过超临界处理并添加助剂，工艺流程长，成本高，操作麻烦。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为垃圾焚烧飞灰捕集分离重金属存在的处置效率低、成本高、能耗高、工艺流程长等等，本发明提供了一种垃圾焚烧飞灰中重金属捕集分离的方法，彻底解决重金属污染难题，有利于实现我国危险废物资源化，社会、经济和环境效益显著。同时，本发明利用垃圾焚烧飞灰与酸洗污泥和生物质协同处置，实现了“以废治废、变废为宝”，经处理后的得到的渣可用于建材骨料或者胶凝材料的原料等，得到的铁合金可作为冶金行业调质剂，本发明具有工艺简单，成本低廉，可操作性强，附加值高的优点。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种垃圾焚烧飞灰中重金属捕集分离的方法，以垃圾焚烧飞灰为主要原料，利用生物质作为还原剂，酸洗污泥作为捕集剂和助溶剂，采用熔融法将垃圾焚烧飞灰和酸洗污泥中的重金属还原为金属相，酸洗污泥中氧化铁被还原为铁合金相固溶体，被还原的重金属被富集到铁合金相固溶体中，实现重金属捕集、避免重金属污染；酸洗污泥调降熔渣粘度，通过异相沉积实现金属相与渣相分离。

上述垃圾焚烧飞灰中重金属捕集分离的方法，包括以下步骤：

步骤一 ，配料

垃圾焚烧飞灰30-60wt.％，酸洗污泥1-30wt.％，生物质20-40wt.％，其中，垃圾焚烧飞灰、酸洗污泥和生物质的质量为100wt.％；所述酸洗污泥中氧化铁含量不低于10wt.％，氟化钙不低于20wt.％；

步骤二，混合

将垃圾焚烧飞灰、酸洗污泥和生物质混合均匀得到混合料；

步骤三，熔融及异相分离

将混合料经加热熔化后，保温处理，实现重金属还原，氧化铁被还原为铁合金相固溶体，熔融后的产物通过异相分离，得到铁合金相和渣相；烟气处理：熔融过程中产生的烟气通过烟气急冷装置处理迅速降至200℃以下，避免二噁英的二次合成；

步骤四，出金属相

铁合金相固溶体经出铁口浇铸得到金属相；

步骤五，出渣

渣相经出渣口流出得到渣相。

作为改进的是，步骤三中加热熔化的温度为1100-1600℃，保温0.5-3.0h。

作为改进的是，步骤四中所述金属相在冶金行业中作为调质剂的应用。

作为改进的是，步骤五中所述渣相在建材骨料或者胶凝材料中的应用。

本发明垃圾焚烧飞灰中重金属捕集分离的原理：

1.利用生物质中的有机碳还原酸洗污泥中的氧化铁和重金属，以及垃圾焚烧飞灰中的重金属，得到金属相，酸洗污泥中铁含量较高，形成含铁合金固溶体，重金属被捕集到铁合金固溶体中；

2.液态金属密度大，位于熔体的底部，渣相密度小，位于熔体的上部，通过异相沉积金属相和渣相分层；

3.酸洗污泥中含有大量的氟化钙，是良好的助溶剂，降低渣相粘度，易于金属相沉积底部。

有益效果：

与现有技术相比，本发明一种垃圾焚烧飞灰中重金属捕集分离的方法，以垃圾焚烧飞灰为主要原料，利用生物质作为还原剂，酸洗污泥作为捕集剂和助溶剂，采用熔融法将垃圾焚烧飞灰和酸洗污泥中的重金属还原为金属相，酸洗污泥中氧化铁被还原为铁合金相固溶体。被还原的重金属被富集到铁合金相固溶体中，实现重金属捕集、避免重金属污染。酸洗污泥调降熔渣粘度，通过异相沉积实现金属相与渣相分离。本发明实现了垃圾焚烧飞灰与酸洗污泥和生物质协同处置，实现了“以废治废、变废为宝”，经处理后的得到的渣可用于建材骨料或者胶凝材料的原料等，得到的铁合金可作为冶金行业调质剂，本发明具有工艺简单，成本低廉，可操作性强，附加值高的优点，具体概述如下：

1. 本发明一种垃圾焚烧飞灰中重金属捕集分离的方法，解决了垃圾焚烧飞灰存在的处置效率低、成本高、能耗高、工艺流程长等问题，彻底解决重金属污染难题，有利于实现我国危险废物资源化，社会、经济和环境效益显著；

2. 以垃圾焚烧飞灰、酸洗污泥和生物质协同处置，开辟垃圾焚烧飞灰和酸洗污泥中重金属分离提取的新方法；

3. 以生物质中的碳源作为还原剂，既降低了还原剂的成本，又实现了生物质资源化利用；

4. 酸洗污泥中含有大量的氧化铁和氟化钙，可作为捕集剂和助溶剂，既降低了能耗，又实现了对重金属的捕集；

5. 垃圾焚烧飞灰中的二噁英经高温熔融后分解成小分子氯化物，通过烟气急冷装置迅速降至200℃以下，避免二噁英重新合成；

6. 本发明所述方法利用垃圾焚烧飞灰和酸洗污泥协同处置，经处理后的得到的渣可用于建材骨料或者胶凝材料的原料等，得到的铁合金可作为冶金行业调质剂，增加了垃圾焚烧飞灰、酸洗污泥和生物质的附加值。

附图说明

图1为本发明一种垃圾焚烧飞灰中重金属捕集分离的方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

垃圾焚烧飞灰：垃圾焚烧过程中由除尘器等捕集下来的烟气中的颗粒物质。

酸洗污泥：不锈钢酸洗污泥来源于不锈钢生产中的酸轧工艺，通常采用强酸或氢氟酸、硝酸、硫酸等混合酸对不锈钢表面进行酸洗，去除板坯表面氧化层。酸洗废液一般采用石灰中和沉淀处理，降低了环境风险。在沉淀过程中，铬和镍等重金属进入渣相，形成不锈钢酸洗污泥。

实施例1

将垃圾焚烧飞灰59wt.％、酸洗污泥1wt.％和生物质40wt.％混合均匀得到混合料，所述酸洗污泥中氧化铁含量不低于10wt.％，氟化钙不低于20wt.％。该混合料加热至1100℃熔化、保温3h，利用生物质中的有机碳将垃圾焚烧飞灰和酸洗污泥中的重金属离子还原为液态金属。酸洗污泥中氧化铁被还原为铁合金相固溶体。被还原的重金属被富集到铁合金相固溶体中，实现重金属捕集、避免重金属污染。液态金属密度大，位于熔体的底部；渣相密度小，位于熔体的上部。液态金属通过出铁口浇铸得到金属相，金属相可作为冶金行业的调质剂；渣相通过出渣口流出，经自然冷却得到渣相可用于建材，实现高值化利用。熔融过程中产生的烟气进行急冷处理，迅速降至200℃以下避免二噁英重新合成。

改变实施例1中部分参数指标，具体如表1所示，参照实施例1的操作步骤，设置实施例2-20进行实验。

表1 一种垃圾焚烧飞灰中重金属捕集分离的方法的不同参数取值表

本发明实现了垃圾焚烧飞灰与酸洗污泥和生物质协同处置，实现了“以废治废、变废为宝”，经处理后的得到的渣可用于建材骨料或者胶凝材料的原料等，得到的铁合金可作为冶金行业调质剂，本发明具有工艺简单，成本低廉，可操作性强，附加值高的优点。