CN1759941B - 加热熔融处理垃圾焚烧飞灰方法及设备 - Google Patents

Abstract

加热熔融处理垃圾焚烧飞灰方法及设备，采用该方法可以将含重金属和二恶英的垃圾焚烧飞灰进行无害化处理，属于危险废物处理处置技术领域。本方法包括：首先对氯化物含量高的垃圾焚烧飞灰进行萃取除氯；萃取分离后的飞灰水分含量为30-50％，直接进入熔融炉，使飞灰的水分干燥与飞灰熔融在一个设备内完成；通过添加助熔剂使熔融更加易于实现；连续液态排渣采用水冷封闭收集装置收集。其特点是：具有燃烧器侧墙布置，异向流式排渣，即火焰喷射方向与熔渣流向相反。采用本发明可使系统的能耗大为下降。同时，本发明可分解破坏原料中的二恶英类污染物，将重金属固化在熔融产品中。处理成本低于1000元/吨。

Description

加热熔融处理垃圾焚烧飞灰方法及设备 

技术领域：本发明涉及一种新型加热熔融处理垃圾焚烧飞灰的方法，采用该方法可以将含重金属和二恶英的垃圾焚烧飞灰进行无害化处理，属于危险废物处理处置技术领域。 

背景技术：随着焚烧处理在城市垃圾、医疗废物、危险废物等固体废物处理领域的推广应用，垃圾焚烧飞灰产生量日益增加。实践证明，垃圾焚烧过程中，挥发态的重金属(包括Hg、Cd、Pb等)及二恶英类污染物等容易富集在飞灰等亚微米颗粒上；同时我国城市垃圾中氯含量很高(约30％)这导致焚烧飞灰含有高浸出毒性的重金属和较高毒性当量的二恶英类污染物，其中飞灰中的二恶英占焚烧炉产生的二恶英总量的60％以上，通常焚烧飞灰被视为属于危险废物而必须特殊处理方可进入生态环境。 

由于生活水平和饮食习惯的特点，我国废物焚烧飞灰碱金属氯化物含量很高，这大大不利于烧结等高温处理方法。氯化物含量高一方面会促进尾气中二恶英再合成，导致二恶英的控制困难；同时氯化物还促进重金属的高温挥发，同样影响二次污染控制效果。 

高温处理法是目前重要的一种垃圾焚烧飞灰处理方法。高温处理包括熔融固化法和烧结技术。熔融是利用燃料的燃烧热及电热两种方式，在高温(通常1300℃以上)的状况下使飞灰熔融，冷却后成为稳定的玻璃态熔渣，并破坏二恶英等有机成分，将大部分重金属固化在玻璃态熔渣中。熔融减容显著、熔渣中重金属不会溶出，熔渣还可以作为路基材料。所用设备燃料式熔融炉是依靠燃烧辅助燃料放热进行灰渣熔融的炉型。为了维持炉内高温，燃料消耗量较大，一般需要考虑设置热能回收设施提高能源利用率。 

对于目前广泛应用的熔融炉，设计者为了实现飞灰的快速熔融，采用 了尽可能的燃烧器顶部布置方案，此种方法可以快速的实现辐射区的飞灰熔化实现流动，但是此种方法的代价是由于采用了尽可能的顶部燃烧器布置，火焰与飞灰层近似成90度，从而导致了辐射区域狭窄，只有直接受到辐射的飞灰熔化，而刚入炉的飞灰与熔化的飞灰有很大的温度梯度，炉内温度不均，熔融的连续性受到破坏。 

发明内容：本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种能够改善焚烧飞灰的热处理效果，降低高温过程中重金属类污染物的二次挥发，以及彻底去除垃圾焚烧所带来的二恶英类物质污染和危害的方法。该方法包括： 

(1)先对氯化物含量高的垃圾焚烧飞灰进行萃取除氯； 

(2)萃取分离后的飞灰水分含量为30-50％，直接进入熔融炉，使飞灰的水分干燥与飞灰熔融在一个设备内完成； 

(3)通过添加助熔剂使熔融更加易于实现； 

(4)连续液态排渣采用水冷封闭收集装置收集； 

(5)系统产生的尾气采用了一套先进的尾气处理设备，满足大气控制标准，排空。 

其具体处理方法是：(1)对于高碱金属氯化物含量的垃圾焚烧飞灰，先采用水洗萃取技术除去飞灰中的碱金属氯化物，上述水洗液中加入一定量酸或碱使水洗液呈中性。萃取后的水洗液可以采用螯合剂稳定化技术确保其所含重金属排放达标。水洗后的飞灰经过烘干后加入5％硼砂，采用燃料式表面飞灰熔融炉进行高温熔融，熔融温度为1230-1300℃。熔融后产生的烟气采用喷淋塔进行急冷处理，烟气温度从600℃经过1秒迅速降至200℃，然后通过袋式除尘器排放，排放烟气温度为100-150℃。熔融后得到的融渣可以进行安全填埋或者资源化利用。 

(2)对于低碱金属氯化物含量的垃圾焚烧飞灰，在飞灰中加入5％ 硼砂，采用燃料式表面飞灰熔融炉进行高温熔融，熔融温度为1230-1300℃。熔融后产生的烟气采用喷淋塔进行急冷处理，烟气温度从600℃经过1秒迅速降至200℃，然后通过袋式除尘器排放，排放烟气温度为100-150℃。熔融后得到的融渣可以进行安全填埋或者资源化利用。 

本系统所使用的熔融炉为固定式表面熔融炉，所谓表面熔融炉是指用燃烧器燃烧燃料所放出的热量熔融溶化垃圾焚烧灰渣的熔融炉。熔融炉内壁为耐高温特种耐火浇注材料，可耐1700℃以下高温。 

上述熔融炉左上方为进料器，熔炉下部为排渣口和接渣水箱并带有水封装置，熔炉右侧为燃烧器。熔炉烟气出口连接至换热器，换热器产生的热风提供给燃烧器。经换热器排出的热烟气通至喷淋塔。经喷淋塔排出的烟气经过旋风除湿器处理后通入布袋除尘器进行除尘。 

熔融处理在高温下(1000℃以上)进行，对实验系统要求很高。本系统不考虑垃圾焚烧飞灰中未燃尽碳的影响，事实上我国垃圾焚烧发电厂多数采用投油助燃，垃圾燃烧较为彻底，焚烧飞灰中所含稳燃尽碳数量较少；另一方面，为了提高系统运行稳定性，承载飞灰的炉排采用固定式为好，在此种情况下飞灰受热方式为表层受热，此时传热方式辐射起绝对作用，而对流和导热方式所占比例可以忽略不计，表层飞灰与相邻的下层飞灰之间依靠的是纯粹导热方式，这种方式传热慢，从整体上决定了整个熔融炉处理速度，由于焚烧飞灰堆积密度较高，飞灰中的未燃尽碳只有处于表层的可以燃烧起到辅助燃料的作用，但是对于飞灰内部的传热在没有飞灰翻动的情况下贡献很小。本系统在线测量熔融炉的温度，炉温由电子温控仪控制燃烧器的开启来调节并及时反馈给燃烧器，燃烧器为智能型在线连续运行燃烧器，当接收到热电偶反馈的电信号后，燃烧器可以迅速的做出反应，为了避免燃烧器全挺后会带来的两个主要问题，第一个炉内温度下降过快，燃烧器须快速启动，这样炉内温度在较大范围内快速波动，另外燃烧器的频繁起停直接导致了其寿命快速下降。为了避免这种情况，本燃烧 器可以在炉内温度过高情况下不完全关闭，可以在较小负荷下运行，从而可以使炉内温度整定在一个较小的范围内。 

燃烧器以0号柴油为原料，额定耗油量为10L/h，实际耗油量为9L/h。可以将燃烧室的温度加到1250～1400℃，能满足飞灰熔融的要求。螺旋进料器采用变频电动机，可以选择确定合适的进料量。 

本设计创造性地采用了燃烧器侧墙布置，一方面尽可能保证火焰与飞灰层呈30度，另一方面火焰方向与飞灰流动方向近似相反，使飞灰得到有效的预热，从而使炉内温度分布均匀，熔融得以连续进行。 

本发明由于采用了燃料加热，系统地响应速度明显提高，特别是当来料负荷突然加大时，燃烧器可以根据热电偶反馈回来的炉内温度下降的信号迅速予以调整，在很大程度上提高了系统的响应速度和变负荷运行的要求。该燃烧装置可设置温控范围，当温度高于上限值时，自动关闭，启动小火进行保温，当炉温低于下限设置温度时，自动开启大火升温。燃烧器在停止燃烧后可退出燃烧器，以防炉内高温辐射烧损。为了更大提高系统的变负荷运行要求，燃烧器可以从侧墙上灵活的拆下，另外整个侧墙可以整体拆下，提高了燃烧控制的灵活性，同时也给系统地检修提供了方便。 

由于本工程熔融炉设计的炉温严格控制在1230～1300℃之间，烟气在炉内停留时间大于4秒钟，在该条件下有毒废弃物焚烧生成的二恶英(dioxins)能充分分解。 

本系统所用的水冷塔为不锈钢质地的圆柱形塔体，塔顶设置有六个高压喷雾喷头。水冷塔的作用在于使热烟气迅速从五六百摄氏度的高温降到200℃以下，这种急冷设施可以避免二恶英在烟气降温过程中二次生成。二恶英是控制飞灰熔融二次污染的关键。二恶英在熔融炉尾气降温过程中生成，特别是烟气温度在300～550℃之间二恶英急剧生成，因此使烟气温度迅速降到200℃以下，缩短烟气在300～550℃之间的停留时间即可控制二恶英的生成。 

故对大气的污染物主要为熔融炉所排放烟气中的烟尘、二氧化硫、氯化氢及氮氧化合物。 

本发明的工作原理为：通过萃取分离技术在去除大量可溶性氯盐，同时能够改善焚烧飞灰的热处理效果，降低高温过程中重金属类污染物的二次挥发，提高焚烧飞灰煅烧产物的力学性能；通过控制萃取过程中萃取液的酸碱值，降低飞灰中重金属类物质向萃取液相的迁移；通过添加适当的助熔剂使熔融更加易于实现；通过尾气处理装置，将一体式燃料熔融炉所产生的少量烟气进行净化处理，最终达标排放。本发明非常适合中国垃圾焚烧飞灰的无害化和处理技术。同时，本发明可分解破坏原料中的二恶英类污染物，将重金属固化在烧结产品中，并满足我国的毒性浸出标准处理成本低于1000元/吨。 

本发明与现有垃圾焚烧飞灰处理方法相比，具有以下优点： 

(1)燃烧器侧墙布置，炉内受热均匀，热态连续排渣连续性好。 

(2)经济性好，单位质量灰渣熔融所需费用低于1000元/吨。 

(3)系统控制灵活，起停方便，燃烧器对炉内温度变化反应迅速，炉内温度变化幅度小，燃烧器可适应较大范围变负荷运行。 

(4)系统结构紧凑，将灰直接熔化； 

(5)灰熔化完全，生成的灰渣致密度高，提高了灰渣玻璃体的环境安全性； 

(6)二恶英破除完全，在冷却系统中不会再次生成； 

(7)水萃取预处理可以去除90％以上的氯以及50％以上的碱金属，对于高碱金属氯化物的飞灰而言非常必要，可以抑制重金属挥发、防止尾气中二恶英的再合成； 

(8)容易操作：操作仅包括控制燃烧器，简单易行； 

(9)尾气处理采用急冷，严格控制二恶英的再合成。 

附图说明：

图1是本发明的框图。 

图2是本发明所采用的固定式表面熔融炉的结构示意图。 

具体实施方式：

如图1所示，(1)对于高碱金属氯化物含量的垃圾焚烧飞灰，先采用水洗萃取技术除去飞灰中的碱金属氯化物，上述水洗液中加入一定量酸或碱使水洗液呈中性。萃取后的水洗液可以采用螯合剂稳定化技术确保其所含重金属排放达标。水洗后的飞灰经过烘干后加入5％硼砂，采用料式表面飞灰熔融炉进行高温熔融，熔融温度为1230-1300℃。熔融后产生的烟气采用喷淋塔进行急冷处理，烟气温度从600℃经过1秒迅速降至200℃，然后通过袋式除尘器排放，排放烟气温度为100-150℃。熔融后得到的融渣可以进行安全填埋或者资源化利用。 

(2)对于低碱金属氯化物含量的垃圾焚烧飞灰，在飞灰中加入5％硼砂，采用燃料式表面飞灰熔融炉进行高温熔融，熔融温度为1230-1300℃。熔融后产生的烟气采用喷淋塔进行急冷处理，烟气温度从600℃经过1秒迅速降至200℃，然后通过袋式除尘器排放，排放烟气温度为100-150℃。熔融后得到的融渣可以进行安全填埋或者资源化利用。 

如图2所示，固定式表面熔融炉，包括：螺旋进料器1；热电偶2、7、12；炉体3；接渣水箱4；燃烧器5；冷空气烟道6；换热器8；风机9；旋风除湿器10；高压水喷头11；布袋除尘器13；布袋14；离心引风机15：侧墙16；喷淋塔17。螺旋进料器1与炉体3连接，燃烧器5与炉体3相连，接渣水箱4位于熔融炉体3的下方，热电偶2、7、12分设于炉体3、换热器8及喷淋塔17与旋风除湿器10之间。喷淋塔17内装有高压水喷头11，喷淋塔17与旋风除湿器10相连，旋风除湿器10与布袋除尘器13相连，布袋除尘器13与离心引风机15相连，燃烧器5设 于侧墙16上并可以从侧墙16上拆下，另外整个侧墙16可以整体拆下。上述布袋除尘器13设有布袋14， 

冷空气烟道6与燃烧器5相连，风机9与换热器8相连。所述连续液态排渣采用水冷封闭收集装置由燃料式表面飞灰熔融炉的接渣水箱4及内部的套筒组成，套筒上方与排渣口相连，下端没于冷却水面以下。 

上述炉体：体积为2000×1620×1800mm。炉体采用高温耐火砖修筑而成，外部由厚钢板包裹。炉膛尺寸约为1000×400×600mm，炉膛底部为倾斜坡道式设计，炉膛最高可以承受1700℃高温。出渣口设于炉膛底部坡道较低的一端，其上方为排烟通道，燃烧器喷口设在排烟通道上方，采用异向流排渣方式，即火焰喷射方向与熔渣流向相反，该设计可以有效避免熔渣在流出过程中降温冷凝，促进排渣。进料装置：螺旋进料器采用变频电动机，可以选择确定合适的进料量。排渣装置：采用水封技术，在保证连续排渣同时严格控制气体向操作空间的泄漏。水封技术可保证没有冷空气从排渣口进入炉膛从而保证炉膛温度。若无水封措施，当炉膛压力过大或者操作不当时，烟气将从排渣口溢出对操作环境产生不良影响。燃烧器：点火辅助燃烧装置经过经济核算以及运行稳定性，调节灵活性，污染排放等方面的考虑采用燃油加热，燃烧器采用0号柴油。该燃烧装置可设置温控范围，当温度高于上限值时，自动关闭，启动小火进行保温，当炉温低于下限设置温度时，自动开启大火升温。燃烧器采用了特制的加长喷管，有效避免了燃烧器与炉口距离过近造成燃烧器烤坏的危险。燃烧器在停止燃烧后可退出，以防炉内高温辐射烧损。燃烧器利用了熔融炉换热器所排出的热空气，减少了冷空气所消耗的能量。同时，燃烧器尝试采用了富氧燃烧技术，在燃烧器的进气通道通入了一定量的氧气，这样可以保证燃料 燃烧充分，大大地提高了燃烧效率。运行中发现：富氧燃烧技术的采用，使燃烧器燃烧效果得到极大该善，火焰更加明亮，升温时间的缩短降低了柴油的消耗；尾气中的一氧化碳浓度明显降低。污染控制系统：(1)喷淋塔，本系统所用的水冷塔为不锈钢质地的圆柱形塔体，塔顶设置有六个高压喷雾喷头。水冷塔的作用在于使热烟气迅速从600℃的高温降到200℃以下，这种急冷设施可以避免二恶英在烟气降温过程中二次生成。二恶英是控制飞灰熔融二次污染的关键。二恶英在熔融炉尾气降温过程中生成，特别是烟气温度在300～550℃之间二恶英急剧生成，因此使烟气温度迅速降到200□以下，缩短烟气在300～550℃之间的停留时间即可控制二恶英的生成。故对大气的污染物主要为熔融炉所排放烟气中的烟尘、二氧化硫、氯化氢及氮氧化合物。  湿法烟气净化塔为烟气由上部进入，碱液由斜上方喷入，由于雾化效果很好，微雾颗粒约40μm，气液两相的换热面积极大，强化了换热效果，浆滴在塔内与气体接触并发生剧烈的混合及反应，达到迅速降温的目的，有效地控制二恶英的Denovo生成。同时碱液与烟气中HCl、HF及SO2反应，达到脱除酸性气体的目的。为了防止液滴进入后部烟道，烟气的排除口设在下部中央位置。此外防止水分对后部除尘的影响。(2)颗粒物排放控制单元，采用旋风除尘器除去烟气中部分颗粒物，并除去少量水分。采用袋式除尘器对烟气中颗粒物进行捕集。(3)换热器，本系统所用的换热器为间接空气换热器，冷空气与热烟气分别通过两个烟道，冷空气经过换热器后温度可达120℃，可提供给燃烧器作为助燃气体。该换热器也可低热烟气的温度，使之不对后续处理设施造成高温破坏。(4)通风单元，整个熔融系统的气体流动动力由位于布袋除尘器出口的离心风机提供，整个尾气处理系统内部压力为负压，可防止 漏气污染环境。引风机风量为1000m³/h，风压为2000Pa，电机功率为800w。为了实现更大范围的符合变动，实现广域的试验和工艺优化，采用变频装置配合风机的出力。 

Claims (3)

1.一种加热熔融处理垃圾焚烧飞灰方法，其特征在于该方法包括：

(1)首先对氯化物含量高的垃圾焚烧飞灰进行萃取除氯；

(2)萃取分离后的飞灰水分含量为30-50％，直接进入燃料式表面飞灰熔融炉，使飞灰的水分干燥与飞灰熔融在一个设备内完成；

(3)通过添加5％的硼砂使熔融更加易于实现；

(4)连续液态排渣采用水冷封闭收集装置收集；

(5)系统产生的尾气采用了一套先进的尾气处理设备，满足大气控制标准，排空。

2.如权利要求1所述的加热熔融处理垃圾焚烧飞灰方法所采用的设备，其所述的燃料式表面飞灰熔融炉，包括螺旋进料器(1)、第一热电偶(2)、第二热电偶(7)、第三热电偶(12)和熔融炉体(3)，其特征在于：它还包括接渣水箱(4)、燃烧器(5)、冷空气烟道(6)、换热器(8)、风机(9)、旋风除湿器(10)、高压水喷头(11)、布袋除尘器(13)、布袋(14)、离心引风机(15)、侧墙(16)和喷淋塔(17)，所述的螺旋进料器(1)与熔融炉体(3)连接，接渣水箱(4)位于熔融炉体(3)的下方，第一热电偶(2)设于熔融炉体(3)顶部，第二热电偶(7)设于换热器(8)顶部，第三热电偶(12)设于喷淋塔(17)与旋风除湿器(10)之间，喷淋塔(17)内装有高压水喷头(11)，喷淋塔(17)与旋风除湿器(10)相连，旋风除湿器(10)与布袋除尘器(13)相连，布袋除尘器(13)与离心引风机(15)相连，燃烧器(5)设于侧墙(16)上，冷空气烟道(6)与燃烧器(5)相连，风机(9)与换热器(8)相连，上述布袋除尘器(13)上设有布袋(14)。

3.根据权利要求1所述的加热熔融处理垃圾焚烧飞灰方法，其特征在于：所述连续液态排渣采用水冷封闭收集装置由燃料式表面飞灰熔融炉的接渣水箱(4)及内部的套筒组成，套筒上方与排渣口相连，下端没于冷却水面以下。

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