一种垃圾飞灰与冶金粉尘资源化清洁处理工艺的制作方法

本发明涉及一种垃圾飞灰与冶金粉尘协同处理的工艺，特别涉及一种通过两段干燥、一段焙烧、两段冷却相结合的工艺实现垃圾飞灰与冶金粉尘资源化清洁处理的工艺，属于钢铁冶金固废及垃圾焚烧发电飞灰处理技术领域。

背景技术：

垃圾焚烧飞灰是垃圾焚烧厂烟气净化系统和热回收系统中捕集的细颗粒物质，约占焚烧垃圾量的3～5％。焚烧飞灰含易浸出的重金属污染物和剧毒物质二噁英，根据我国2016年8月1日起施行的《国家危险废物名录》显示，垃圾焚烧飞灰属hw18类，为危险废物，对环境和人类健康危害巨大。目前，垃圾焚烧飞灰的主要处理方式及其特点：(1)水泥固化填埋。增容较大，侵占大量土地资源，cr⁶⁺等仍有浸出风险，二噁英污染未被有效处理；(2)化学药剂稳定技术。较难实现多种重金属的稳定化，对二噁英及溶解盐的稳定性较弱；(3)热处理技术。目前主要为水泥窑协同处理法，其缺陷在于飞灰中cl的存在易对窑体产生腐蚀，同时影响水泥品质，从而限制水泥使用范围，而单独的高温处理则存在能耗高、投资大等问题。

冶金粉尘尤其是钢铁冶金粉尘，大多是铁含量较高的固体废弃物，根据其来源，可分为烧结粉尘、高炉粉尘、电炉/转炉粉尘、有色冶金含铁尘泥等，目前，钢铁厂处置冶金粉尘的主要方法是将粉尘收集后返回烧结，因其化学组分波动较大，配入烧结时，易引起烧结矿质量不稳定，此外，由于冶金粉尘中多含易挥发性元素，比如锌、碱金属等，会在高炉内不断循环富集，引起高炉结瘤，从而制约了冶金粉尘的规模化处理，导致大量粉尘只能填埋或者堆放，不仅造成了土地资源的浪费，给环境带来了污染，还造成冶金粉尘中的有价元素的浪费。

技术实现要素：

针对现有技术中垃圾飞灰及冶金粉尘处理过程存在的问题，本发明的目的是在于提供一种将垃圾飞灰与冶金粉尘协同处理，通过合理设计干燥、高温焙烧、冷却、烟气循环、布袋除尘、烟气脱硫等流程及技术参数，实现垃圾飞灰和冶金粉尘的资源化利用及清洁化处置的工艺。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种垃圾飞灰与冶金粉尘资源化清洁处理工艺，该工艺是将垃圾飞灰、冶金粉尘和煤粉混匀、造球；所得球料依次经过干燥i段、干燥ii段、焙烧段、冷却i段和冷却ii段工艺处理，得到含铁炉料以及挥发回收含pb、zn、k和na的烟尘；所述干燥i段脱除球料中水分；所述干燥ii段降解球料中部分包含二噁英在内的组分，以及挥发易挥发有机组分；易挥发有机组分输入焙烧段作为部分燃料来源；所述焙烧段固结球料成矿、降解和燃烧来自干燥ii段的部分含二噁英在内的组分和易挥发有机组分，以及挥发回收包含pb、zn、k和na在内的烟尘组分；所述冷却i段冷却球料，冷却i段废气循环至干燥ii段作为热源；所述冷却ii段进一步冷却球料，冷却ii段冷却废气循环至干燥i段作为热源。

现有技术中，采用高温处理垃圾飞灰过程中，由于垃圾飞灰中cl含量较高，很容易对腐蚀设备，且单独高温处理垃圾飞灰存在能耗高、投资大等问题。而冶金粉尘由于化学组分波动较大，配入铁矿烧结时，易引起烧结矿质量不稳定，且冶金粉尘含如锌、碱金属等易挥发性元素，会在高炉内不断循环富集，引起高炉结瘤，从而制约了冶金粉尘的规模化处理。本发明的技术方案巧妙地将两种工业粉尘综合处理，利用垃圾飞灰中的氯将冶金粉尘中的k、na、pb和zn等氯化挥发回收，不但去除了冶金粉尘中有害金属的含量，得到合格的含铁炉料，同时也解决了飞灰中氯对设备腐蚀的问题。同时利用垃圾飞灰中包含的cao成分作为冶金粉尘的粘结剂，焙烧过程中无需外加粘结剂，实现垃圾飞灰与冶金粉尘的有效固结，生成合格的含铁炉料。此外，在高温焙烧过程中垃圾飞灰中二噁英等有害成分得到有效裂解，减少对环境的危害。

本发明的技术方案合理设计了两段干燥、一段焙烧及两段冷却的工艺来处理垃圾飞灰和冶金粉尘原料。不但实现了垃圾飞灰中二噁英的有效降解，而且有效回收了冶金粉尘中的k、na、pb和zn等金属元素，得到合格的炼铁原料，实现了两种粉尘废料的资源化利用；同时，通过对高温废气的循环利用，大大降低了整个工艺的能耗。

优选的方案，所述干燥ⅰ段为抽风干燥，热风温度80～150℃，干燥15～30min，气体流速1.8～2.4m/s。由于当含水量较高的球料在500℃～600℃温度下易爆裂，本发明优先采用100℃左右的低温热风干燥，将球料干燥处理至适当的含水量，有效避免了垃圾飞灰小球在后续干燥ⅱ段处理过程中因水分迅速蒸发引起小球爆裂，导致再次产生粉末激发二噁英生成。同时，采用抽风干燥，将水分全部排出体系，有利于后续烟气中粉尘的回收。

优选的方案，所述干燥ⅱ段为鼓风干燥，热风温度500～600℃，干燥3～6min，气体流速1.5～2.0m/s。本发明的干燥ⅱ段主要是对球料中的二噁英等有机物降解及挥发，在该优选条件下能将大部分二噁英等有机物进行降解，同时通过鼓风干燥，可以将二噁英降解的成分及易挥发有机组分输入焙烧段作为燃料气回收使用。

优选的方案，所述焙烧段的点火温度为1050～1150℃，点火时间1～2min，在底部抽风条件下进行焙烧，焙烧最高温度为1250～1300℃，大于1000℃的时间为5～10min。焙烧段通过采用抽风方式烧结，在抽风的作用下，燃料燃烧产生的高温带从料面逐步向下部料层传递，提高了焙烧过程的升温速度，降低了二噁英的二次生成几率，同时通过抽风可使烟气及时排出，有利于烟尘的回收。

优选的方案，焙烧段烟气经过抽风输送至除尘器回收包含pb、zn、k和na在内的烟尘。

优选的方案，所述冷却ⅰ段的废气输送至干燥ii段，通过外兑冷风控制干燥ii段的温度为500～600℃。

优选的方案，所述冷却ⅱ段的废气输送至干燥i段，通过外兑冷风控制干燥i段温度为80～150℃。

优选的方案，所述焙烧段的烟气采用布袋除尘收集包含pb、zn、k、na在内的烟尘组分。含pb、zn、k、na在内的烟尘组分主要是这些金属的氯化盐。

优选的方案，所述球料中垃圾飞灰、冶金粉尘和煤粉的质量比为1:2～6:0.15～0.3。垃圾飞灰和冶金粉尘进行合理的搭配，可以最大程度相互利用两种固体粉尘的组分进行化学反应，如利用垃圾飞灰中的氧化钙进行粘结实现固结成矿以及利用垃圾飞灰中的氯实现pb、zn、k、na等以氯化物形式挥发回收。

优选的方案，所述球料的粒径为8～16mm。

本发明的垃圾飞灰包括利用炉排炉焚烧炉或回转窑焚烧垃圾发电时，从余热锅炉排渣系统、烟气净化系统以及尾气除尘系统中捕集而得的细粒固体废弃物。垃圾飞灰中cao和氯含量均较高，不适宜用做生产水泥，同时其含有二噁英等有害成分，一般的处理方法难以将其“解害”。

本发明的冶金粉尘包括钢铁生产过程中产生的高炉瓦斯灰、重力灰、电炉尘、转炉泥、烧结电除尘一二电场灰、环境除尘灰以及有色冶金过程产生的含铁尘泥中至少一种。这些冶金粉尘均为包含有k、na、pb、zn等有害元素的含铁二次资源，存在单独制粒效果差，需外加粘结剂，且难以直接作为炼铁原料用于铁矿烧结。

本发明的垃圾飞灰与冶金粉尘资源化清洁化处置工艺，包括以下步骤：

1)将垃圾飞灰、冶金粉尘和煤粉配料按质量比1:2～6:0.15～0.3混匀后，制成8～16mm的小球，并通过布料器均匀布到台车上；

2)干燥i段干燥工艺，干燥ⅰ段为抽风干燥段，热风温度为80～150℃，干燥15～30min，气体流速为1.8～2.4m/s，干燥ⅰ段可将球料水分脱除，烟气可直接排放；

3)干燥ii段干燥工艺，干燥ii段为鼓风干燥段，热风温度为500～600℃，干燥3～6min，气体流速为1.5～2.0m/s，干燥ii段将二噁英降解和飞灰挥发物脱除，并将干燥废气循环至焙烧段；

4)烧结段烧结工艺，在进入焙烧段的位置对小球料面进行点火，温度1050～1150℃，点火时间1～2min，在底部抽风条件下进行烧结，控制焙烧过程的最高温度为1250～1300℃，大于1000℃的高温时间5～10min；在焙烧段使飞灰和冶金粉尘固结成矿，同时将原料中的pb、zn、k、na等挥发到烟气对其进行回收，回收烟尘后的气体经脱硫塔脱硫后排放；

5)冷却i段冷却工艺，冷却i段为高温段热废气，用风机将热废气抽至干燥ii段，并通过外兑冷风控制干燥ii段的烟罩温度为500～600℃；

6)冷却ⅱ段冷却工艺，冷却ⅱ段为低温热废气，用风机将此段废气抽至干燥i段，并通过外兑冷风使干燥i段烟罩温度为80～150℃。

相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益效果：

1)本发明将垃圾飞灰和钢铁冶金粉尘协同处理，使两种粉尘中均不易挥发的金属物质在高温过程中被有效固化，生成品质合格的含铁炉料，而两易挥发的有价金属元素时高效挥发并被捕集利用；同时将飞灰中的二噁英在高温状态下被有效降解，实现了垃圾飞灰与冶金粉尘协同资源化的目标。垃圾飞灰和钢铁冶金粉尘之间通过复杂化学反应，产生明显的协同作用:①垃圾飞灰中的cao可作为一种粘结剂，解决了冶金粉尘制粒时需外加粘结剂的问题；②高温条件下，垃圾飞灰与冶金粉尘被有效固结，生成合格的含铁炉料；③高温条件下，垃圾飞灰中的氯与冶金粉尘中具有挥发性的重、碱金属结合，挥发至烟气中，通过布袋除尘器可将有价金属含量高的烟尘充分收集，避免资源浪费；④高温条件下，垃圾飞灰中的二噁英类剧毒物质被有效分解。

2)本发明设计了合理的两段干燥+烧结+两段冷却的工艺，不但实现了垃圾飞灰与冶金粉尘的正常烧结，而且大大节约了能耗，有利于工业化应用。具体优势如下：(1)依据含水飞灰小球在500～600℃容易爆裂的特性，设计了两段式干燥过程，通过干燥ⅰ段低温干燥脱水，确保飞灰小球在后续较高温度500～600℃下干燥不至爆裂。同时，在干燥ⅱ段，一方面可以将飞灰的大部分二噁英降解、挥发分脱除，另一方面提高小球的温度至二噁英生成温度(一般为200～400℃)之上，保证焙烧过程不再生成二噁英，因此焙烧烟气中没有二噁英和水蒸气排放，从而为采用布袋除尘回收焙烧段烟气中的有价金属奠定基础。(2)将干燥ⅱ段的烟气循环到焙烧段，一方面将干燥段烟气热量循环利用，减少了烟气的排放，另一方面还可以使干燥ⅱ段干燥过程未完全降解的二噁英在焙烧段进一步高温分解，确保二噁英被完全解毒，另外干燥过程挥发出来的有机物，也可被进一步燃烧利用。冷却段分为高温冷却废气和低温废气，分别可用于干燥ii段和干燥i段，使得废气余热得到充分利用。(3)通过整个工艺的设计，使得只有焙烧段和干燥ⅰ段的烟气外排，大大减少了烟气外排量。且焙烧段的烟气污染物相对简单，主要为常规的so2、nox，以及富含有价金属的烟尘，由于工艺的合理设计，焙烧段烟气中没有水蒸气，从而可以使用布袋除尘对富含有价金属的烟尘进行回收，然后通过常规的脱硫、脱硝，烟气即可外排，使得垃圾飞灰和冶金粉尘两种固体废弃物可以得到清洁处置。

综上所述，本发明提出将垃圾飞灰与冶金粉尘一起协同资源化处理，实现了：1、飞灰中二噁英的高效降解；2、将冶金粉尘和垃圾飞灰中的有害元素k、na、pb、zn、cl等通过高温工艺挥发到烟气，与含铁矿物分离，获得k、na、pb、zn含量高的烟尘和k、na、pb、zn含量低的合格含铁炉料，共同实现资源化；3、降低高温工艺过程的能源消耗，实现两种的清洁化处置。

附图说明

【图1】为垃圾飞灰与冶金粉尘及固体燃料混合制粒的工艺流程图；

【图2】为垃圾飞灰与冶金粉尘资源化清洁化处置装置简图；

其中，1为烟囱，2为除尘器，3为脱硫装置，4为布料器，5为点火器，6为干燥i段，7为干燥ii段，8为焙烧段，9为冷却i段，10为冷却ii段。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求保护的范围。

本发明的垃圾飞灰与冶金粉尘资源化清洁化处置装置简图如图2所示，主体包括烟囱、除尘器、脱硫装置和炉体。所述炉体从入料端至出料端依次设有干燥i段、干燥ii段、焙烧段、冷却i段和冷却ii段。干燥i段入料口设有布料器，干燥i段顶部通过管道与冷却ii段顶部连接，干燥i段底部设有管道与烟囱连接，管道上设有风机。干燥ii段顶部通过管道与焙烧段顶部连接，干燥ii段底部通过管道与冷却i段底部连接，管道上设有风机。焙烧段底部通过管道依次与除尘器、脱硫装置及烟囱连接，管道上设有风机；焙烧段的入料处设有点火器。干燥i段的顶部和干燥ii段底部设有冷空气入口。

球料经过布料器布料，首先进入干燥i段在低温下进行热抽风干燥，脱除水分，直接排空，干燥后的球料进入干燥ii段进行高温鼓风干燥，以降解二噁英及其他有机组分，以及挥发其他有机组分，这些挥发的有机组分进入焙烧段作为辅助燃料进行燃烧。球料再进入焙烧段，经过点火器点火，在抽风作用下快速燃烧、升温，进行烧结固结矿化，同时实现二噁英的进一步降解和挥发k、na、pb、zn等氯化金属盐，这些金属盐通过烟气形式进行回收，先进入除尘器回收烟尘，再脱硫脱硝，最后排空。烧结球料进入冷却i段冷却，冷却i段的废气经过外充冷空气调节温度至500～600℃后输入干燥ii段。球料再进入冷却ii段，冷却ii段的废气经过外充冷空气调节温度至50～180℃后输入干燥i段。

实施例1

图1、图2所示，一种垃圾飞灰与冶金粉尘资源化清洁化处置工艺依次采用以下步骤：

以处理我国某大型城市产生的垃圾飞灰和冶金粉尘为例，将该城市垃圾飞灰、冶金粉尘、煤粉按用量比为1：2：0.2进行配料后，通过强力混合机将其混匀；

利用圆盘造球机将混匀物料制成粒度为8mm的小球；

通过布料器将小球均匀布至台车上，经干燥ⅰ段抽风干燥，干燥热风温度80℃，干燥时间30min，气体流速1.8m/s，小球大部分水分被脱除，烟气可直接排放；

小球进入干燥ii段鼓风干燥，干燥温度500℃，干燥时间6min，气体流速1.5m/s，强化干燥的同时将飞灰中二噁英降解，并脱除飞灰中挥发物，所得干燥废气循环至焙烧段。

干燥小球进入高温焙烧段，并在焙烧段的位置对小球料面进行点火，点火温度1050℃，点火时间2min，控制焙烧过程的最高温度为1250℃，大于1000℃的高温时间10min，同时对焙烧段烟气进行处理，采用布袋除尘收集焙烧段烟气中富含pb、zn、k、na的烟尘，除尘后进行脱硫，必要时同步脱硝，之后可外排。

焙烧完成后，焙烧产物经冷却ⅰ段初步冷却，此段产生的高温热废气，用风机抽至干燥ii段，并通过外兑冷风控制干燥ii段的烟罩温度为500℃，作为干燥ii段热源。

冷却i段产物经冷却ⅱ段二次冷却，此段产生的低温热废气，用风机抽至干燥i段，并通过外兑冷风使干燥i段烟罩温度为80℃，作为干燥i段热源。

混合料中k、na、pb、zn的脱除率如表1所示，收集粉尘中k、na、pb、zn含量如表2所示。

实施例2

图1、图2所示，一种垃圾飞灰与冶金粉尘资源化清洁化处置工艺依次采用以下步骤：

以处理我国某大型城市产生的垃圾飞灰和冶金粉尘为例，将该城市垃圾飞灰、冶金粉尘、煤粉按用量比为1:5:0.3进行配料后，通过强力混合机将其混匀；

利用圆盘造球机将混匀物料制成粒度为16mm的小球；

通过布料器将小球均匀布至台车上，经干燥ⅰ段抽风干燥，干燥热风温度150℃，干燥时间15min，气体流速2.4m/s，小球大部分水分被脱除，烟气可直接排放；

小球进入干燥ii段鼓风干燥，干燥温度600℃，干燥时间3min，气体流速2.0m/s，强化干燥的同时将飞灰中二噁英降解，并脱除飞灰中挥发物，所得干燥废气循环至焙烧段。

干燥小球进入高温焙烧段，并在焙烧段的位置对小球料面进行点火，点火温度1150℃，点火时间1min，控制焙烧过程的最高温度为1300℃，大于1000℃的高温时间5min，同时对焙烧段烟气进行处理，采用布袋除尘收集焙烧段烟气中富含pb、zn、k、na的烟尘，除尘后进行脱硫，必要时同步脱硝，之后可外排。

焙烧完成后，焙烧产物经冷却ⅰ段初步冷却，此段产生的高温热废气，用风机抽至干燥ii段，并通过外兑冷风控制干燥ii段的烟罩温度为600℃，作为干燥ii段热源。

冷却i段产物经冷却ⅱ段二次冷却，此段产生的低温热废气，用风机抽至干燥i段，并通过外兑冷风使干燥i段烟罩温度为150℃，作为干燥i段热源。

混合料中k、na、pb、zn的脱除率如表1所示，收集粉尘中k、na、pb、zn含量如表2所示。

表1不同实施例混合料中k、na、pb、zn的脱除率

表2不同实施例收集粉尘中k、na、pb、zn含量