生活垃圾焚烧飞灰和废弃SCR催化剂协同处理系统及方法与流程

本发明属于环境保护技术领域，主要涉及一种生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理系统及方法。

背景技术：

当前，生活垃圾处理处置已成为一个重大的社会问题。全国城市生活垃圾的年产量超过1.5亿吨，无害化处理率仅约为54％，对生态环境和人民健康造成极大威胁。由于生活垃圾焚烧处理速度快，占地面积少，减量化和无害化效果显著，因此，在我国城市用地普遍紧张、生活垃圾处理压力大的中大型城市得到了广泛的应用。但是生活垃圾焚烧后的残余物-飞灰中通常含有二噁英、重金属等有毒有害污染物，其处理处置已成为困扰垃圾焚烧技术推广的关键问题之一，已经成为制约垃圾焚烧发电技术发展的重要因素。

二噁英的来源众多，其中废物焚烧是重要的二噁英排放来源。欧洲、美国和日本的排放情况表明，焚烧源二噁英排放所占比例很高。日本2004年焚烧源二噁英排放量依然占总排放量的63％。按照国内公布的实验数据对我国生活垃圾焚烧的二噁英排放进行估算，假设焚烧炉年运行330d，生活垃圾焚烧的烟气产率为5500nm³/t，飞灰产率为3％，烟气中二噁英达到国家标准的1.0ng(i-teq)/m³，飞灰中二噁英为2.0ng(i-teq)/g，则可计算得出目前我国生活垃圾焚烧向大气排放二噁英总量约为54.45g(i-teq)/a，而通过飞灰排放的二噁英总量约为594.0g(i-teq)/a，相当于烟气排放量的10倍之多。所以焚烧飞灰中二噁英的处理处置尤为重要。

垃圾焚烧过程中生成的二噁英主要集中在烟气和飞灰中，其中对于烟气中二噁英的控制技术有：(1)活性炭吸附与高效除尘。活性炭巨大的比表面积及良好的吸附性，不仅能吸附气态和固态的二噁英。目前烟气净化系统通常在除尘器前段管道中注入活性炭粉末来吸附烟气二噁英，在下游被除尘器捕集。然而，活性炭吸附技术实质是将二噁英捕集分离出来，转移到固相(飞灰、活性炭)中，吸附了二噁英的活性炭须作进一步无害化处理，该技术对于二噁英总量并无消减作用。(2)选择性催化还原(scr)。scr广泛用于燃煤电厂，起到氧化还原烟气中nox的作用。目前，部分垃圾焚烧设施安装了scr，研究表明scr在脱硝作用同时具有分解二噁英的作用，分解产物为co2、h2o和hcl。(3)高级氧化。研究表明光催化氧化对气态中二噁英降解有效，总量和毒性当量的降解率在50％以上。而等离子体氧化，由于其氧化能力强，降解效果好而受到普遍关注。以上几种烟气控制技术中，前两种是比较成熟已经商业化应用的技术，而后两种尚处于实验阶段。第一种活性炭吸附加上布袋除尘技术，只是将二噁英捕集分离出来，对二噁英总量并无消减作用；后三种技术均为气相二噁英原位降解技术，但各自存在不足：scr技术中，催化剂中毒是影响其稳定性运行的关键；紫外光技术由于能量效率，导致去除效率较低，要通过其他方法进一步提高反应效率才有可能向实际应用技术转化；而等离子体氧化技术，要进一步提高反应器的稳定性，降低其设备与运行成本才有可能投入商业化推广。

而对于飞灰中二噁英的控制技术有：(1)高温熔融法。利用高温环境对飞灰中的二噁英进行彻底分解破坏，从而达到消减二噁英的目的。熔融温度越高，分解率越高，同时氧化性气氛分解率高于惰性气氛。(2)低温热处理。是指在处理温度为300～600℃的相对低温区，在惰性气氛或氧化性气氛中保持一定处理时间，飞灰中二噁英通过加氢/脱氯和分解的两种路径降解的方法。(3)超临界水与热液降解。热液降解技术和超临界水氧化技术比较相似，当以水为介质，满足温度>374℃，压力>22.1mpa时即获得超临界水，在此状态由于不存在气液界面传质阻力从而提高反应效率实现完全氧化，而热液状态处于亚临界状态，水的温度和压力均低于上述临界值，在此状态下有机物在水中溶解度、[h⁺]、[oh^-]显著增加，能够发生常温下不能进行的反应。(4)碱化学分解法。化学分解法也称bcd法，适用于受二噁英类化合物污染土壤的无害化治理。(5)等离子体法。等离子体根据其性质分为热等离子体和非热等离子体，热等离子体即高温等离子体，通过高温等离子体产生1400℃的高温，将垃圾焚烧飞灰熔融。此法对二噁英具有极高降解率，通常在99.9％以上。(6)光解法。利用二噁英在紫外光照射下，二噁英分子苯环能够发生脱氯的性质，来对其进行光降解处理。(7)生物降解法。二噁英是高度抗微生物降解的物质，自然界仅有5％的微生物菌株能够分解二噁英。(8)机械化学法。是指通过剪切、摩擦、冲击、挤压等手段，对固体、液体等凝聚态物质施加机械能，诱导其结构及物理化学性质发生变化的处理方法。以上为对飞灰中二噁英降解的技术，与烟气处理技术相比，对于固相介质中二噁英的处理技术更为丰富，但其中真正能够规模应用的仅有：高温熔融技术、低温热处理、碱化学分解法这三种技术。其中高温熔融技术能够分解飞灰中二噁英，同时固化其中所含重金属，具有优异的处理效果。但该技术能耗巨大，设备费用昂贵；低温热处理技术，对飞灰二噁英一般具有90％以上降解率，而且它设备投资和运行费用较低，在日本、德国的部分垃圾焚烧厂投入工业应用；碱化学分解主要应用于土壤的无害化处理，对二噁英去除率可达90％以上，但该工艺比较繁琐，中间过程需添加nahco3和有机溶剂作为添加剂。其他几种降解技术由于存在自身的不足，尚难以投入到工业化应用。

scr催化剂为一种常规的催化剂，其基本的成分为v2o5-wo3-tio2。一般认为scr催化剂的催化活性下降到原始的80％时，即可认为该催化剂已经失活，变成废弃scr催化剂。目前的废弃scr催化剂的处理主要有两种方式：(1)直接当做危险废弃物丢弃，占到总催化剂的70％左右；(2)经过预处理后回收，比如经过水洗-干燥-破碎，重新回用到新的催化剂制备中，这个占到总催化剂的30％左右。scr催化剂的利用效率低下。

因此，需要对现有技术进行改进。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高效的生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理系统，包括飞灰进料装置、臭氧发生装置、飞灰催化氧化装置、废弃scr催化氧化装置和飞灰收集装置；所述飞灰催化氧化装置上设置有气体进口、飞灰进口、气体出口和飞灰出口；所述废弃scr催化氧化装置上设置有进气口和出气口；所述气体进口与臭氧发生装置连通，气体出口与废弃scr催化氧化装置的进气口连通，飞灰出口与飞灰收集装置连通；

所述飞灰催化氧化装置内腔中分别设置有螺旋叶片和飞灰加热装置；

所述飞灰进料装置包括灰斗和与灰斗的出料口连通的飞灰定量供给器；所述飞灰定量供给器与飞灰进口连通；

所述废弃scr催化氧化装置中设置有至少一个催化剂组件，催化剂组件与废弃scr催化氧化装置的内壁连接；所述废弃scr催化氧化装置内腔中设置有废气加热装置。

作为对本发明生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理系统的改进：所述废弃scr催化氧化装置的出气口上设置有引风机。

作为对本发明生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理系统的进一步改进：所述废弃scr催化氧化装置上设置有与催化剂组件配合使用的可开启关闭的开口，催化剂组件从开口插入或拔出。

作为对本发明生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理系统的进一步改进：所述催化剂组件由废弃scr催化剂组成的催化剂层和设置在催化剂层两侧的多孔不锈钢板组成，催化剂层厚度为5～10mm，多孔不锈钢板的孔径为0.3～0.4mm；废弃scr催化剂为粒径0.5～1mm的颗粒。

本发明还同时提供生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理方法，包括以下步骤：

飞灰通过灰斗加入到飞灰定量供给器中，飞灰定量供给器通过飞灰进口向飞灰催化氧化装置加入飞灰；同时，臭氧发生装置产生臭氧，臭氧从气体进口进入飞灰催化氧化装置；

飞灰和臭氧在飞灰催化氧化装置中被螺旋叶片搅拌混合同时缓慢向气体出口和飞灰出口移动，在此过程中飞灰中所含有的二噁英类有机物被臭氧催化氧化降解成co2、h2o和hcl，或者分解为气态的低分子量低毒有机物；

飞灰催化氧化装置处理后的飞灰通过飞灰出口进入飞灰收集装置，飞灰催化氧化装置处理后的废气通过气体出口经进气口进入废弃scr催化氧化装置，废气中的气态有机物在废弃scr催化氧化装置中，经过催化剂层催化氧化作用，最后降解为无害的co2和h2o，处理后的干净气体在引风机的作用下从出气口排出。

作为对本发明生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理方法的改进：飞灰收集装置中经过飞灰催化氧化装置处理后的飞灰之后再进行固化稳定化处理，从而除去处理后的飞灰中所含有的重金属类物质。

作为对本发明生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理方法的进一步改进：飞灰在飞灰催化氧化装置中的停留时间大于1min，飞灰催化氧化装置中臭氧和飞灰的加入量比值为0.1～0.5g臭氧/kg飞灰。

作为对本发明生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理方法的进一步改进：飞灰加热装置用于加热飞灰催化氧化装置中的飞灰和臭氧，加热温度为50～90℃。

作为对本发明生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理方法的进一步改进：废气加热装置用于加热废弃scr催化氧化装置中的废气，加热温度为90～200℃，废弃scr催化氧化装置中气体空速为5000～10000/h。

作为对本发明生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理方法的进一步改进：固化稳定化处理为水泥固化法、石灰固化或药剂稳定化法。

本发明的技术优势为：

1、本发明生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理系统及方法利用飞灰本身所具备的催化性能，结合臭氧氧化，将生活垃圾焚烧飞灰中的二噁英类有机物降解为无害或低毒物质，再利用scr催化剂的催化氧化性能深度氧化前端未完全降解的低毒物质，最终解决飞灰中的二噁英污染问题；

2、利用废弃scr催化剂作为废气深度处理的催化剂，实现了scr催化剂的重复利用，提高了scr催化剂的利用效率；

3、利用飞灰本身所含的金属物质的催化性能，结合臭氧的辅助作用，将飞灰中的二噁英就地高效分解，为焚烧飞灰处理提供一种新的解决方案。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理系统的结构示意图；

图2为飞灰催化氧化装置3的臭氧加入量与二噁英降解率的曲线图；

图3为飞灰催化氧化装置3的反应温度与二噁英降解率的曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、生活垃圾焚烧飞灰和废弃scr催化剂协同处理系统，如图1-3所示，包括臭氧发生装置2、飞灰进料装置1、飞灰催化氧化装置3、飞灰收集装置5和废弃scr催化氧化装置4。飞灰催化氧化装置3上设置有气体进口32、飞灰进口31、气体出口33和飞灰出口34，废弃scr催化氧化装置4上设置有进气口41和出气口42。气体进口32与臭氧发生装置2连通，飞灰进口31与飞灰进料装置1连通，气体出口33与废弃scr催化氧化装置4的进气口41连通，飞灰出口34与飞灰收集装置5连通。

飞灰催化氧化装置3内腔中设置有螺旋叶片35，螺旋叶片35由自带的电机带动，使飞灰和臭氧在搅拌的状态下缓慢从飞灰进口31移动到飞灰出口34；飞灰催化氧化装置3内腔内壁上配有飞灰加热装置36，飞灰加热装置36为电加热层，加热温度为50～90℃，飞灰加热装置36能加热飞灰催化氧化装置3中的飞灰，强化催化氧化作用。由于臭氧在超过100℃后快速分解，所以飞灰加热装置36的温度控制在90℃以下，确保不会使臭氧快速分解。

飞灰进料装置1包括灰斗11和与灰斗11的出料口连通的飞灰定量供给器12，飞灰定量供给器12包括储料仓和设置在储料仓下方的称重装置，称重装置对储料仓中的飞灰称重，储料仓下方设有出料阀，储料仓与灰斗11连通，出料阀与飞灰进口31连通。飞灰通过灰斗11进入飞灰定量供给器12，由飞灰定量供给器12控制飞灰向飞灰催化氧化装置3的加入量。

废弃scr催化氧化装置4中设置有至少一个催化剂组件43，催化剂组件43包括由废弃scr催化剂组成的催化剂层，催化剂层厚度5～10mm，催化剂层两侧为多孔不锈钢板，孔径为0.3～0.4mm；废弃scr催化剂为粒径0.5～1mm的颗粒，组分包含v2o5、wo3和tio2。颗粒状废弃scr催化剂由废弃的块状废弃scr催化剂破碎而来，废弃scr催化剂是指scr催化剂经过长时间使用后，催化活性下降，达不到应有的脱硝效果，被更换下来的scr催化剂(即scr催化剂的催化活性下降到原始的80％时，即可认为该催化剂已经失活，变成废弃scr催化剂)。催化剂组件43采用抽屉式方式，催化剂组件43与废弃scr催化氧化装置4内腔内壁连接，废弃scr催化氧化装置4上设置有与催化剂组件43配合使用的可开启关闭的开口，催化剂组件43能从开口插入或拔出，当需要更换催化剂组件43时，本发明停止加入飞灰和臭氧，打开开口后取出催化剂组件43；正常工作时开口都是处于关闭状态的，气体不会从开口泄漏出去。废弃scr催化氧化装置4上设置有废气加热装置44，废气加热装置44为加热层，加热温度为90-200℃，能辅助催化氧化废弃scr催化氧化装置4中的废气。废弃scr催化氧化装置4的出气口42上设置有引风机45，引风机45能将处理完成后的气体从出气口42排出，废气scr催化氧化装置4的催化剂组件43中气体空速控制在5000～10000/h。

本发明的使用过程为：

飞灰通过灰斗11加入到飞灰定量供给器12中，由飞灰定量供给器12控制通过飞灰进口31向飞灰催化氧化装置3加入飞灰；同时，臭氧发生装置2产生臭氧，臭氧从气体进口32进入飞灰催化氧化装置3；臭氧和飞灰的加入量比值为0.1～0.5g臭氧/kg飞灰；

飞灰和臭氧在飞灰催化氧化装置3中被螺旋叶片35搅拌混合同时向气体出口33和飞灰出口34推动，在此过程中飞灰加热装置36加热辅助催化氧化(加热温度为50-90℃)，废弃scr催化氧化装置4中气体空速为5000～10000/h。飞灰中所含有的二噁英类有机物(大部分)被臭氧催化氧化降解成co2、h2o和hcl等，或者分解为气态的低分子量低毒有机物(也有小部分的二噁英没有被催化氧化或分解，即二噁英的处理效率未达到100％。)；飞灰在飞灰催化氧化装置3中的停留时间大于1min，这样能使飞灰中的二噁英尽量被催化氧化，此时臭氧也转化成了氧气。

飞灰催化氧化装置3处理后的飞灰通过飞灰出口34进入飞灰收集装置5，之后再进行固化稳定化处理，从而除去飞灰中所含有的重金属类物质；飞灰催化氧化装置3处理后的废气通过气体出口33经进气口41进入废弃scr催化氧化装置4，废气加热装置44辅助催化氧化(加热温度为90-200℃，超过90℃以后催化剂组件43的催化活性被激发出来，降解效果就比较理想，所以在废弃scr催化氧化装置4的温度超过90℃以后，其出气口42中未检出二噁英和其他的气态有机污染物)。由于飞灰催化氧化装置3中反应温度辅助催化氧化，部分二噁英类有机物分解为气态的低分子量低毒有机物，所以从气体出口33出来的废气中含有其他的气态有机物，此时气态有机物即为气态的低分子量低毒有机物。这些气态有机物随着废气进入到废弃scr催化氧化装置4中，经过催化剂组件43的催化剂层催化氧化作用，最后降解为无害的co2和h2o，处理后的干净气体在引风机45的作用下从出气口42排出。废弃的scr催化剂在进一步使用一段时间后，催化氧化性能下降，之后催化剂组件43可进行回收利用或再生。

催化剂组件43再生属于常规技术，包括利用有机高分子清洗剂进行超声水洗。

固化稳定化处理可以采用常规的水泥固化法、石灰固化法或药剂稳定化法。

1、水泥固化法

固化处理是利用固化剂与垃圾焚烧飞灰混合后形成固化体，从而减少重金属的溶出。水泥是最常见的危险废物固化剂，因此工程中常采用水泥对焚烧飞灰进行固化处理。飞灰被掺入水泥的基质中后，在一定的条件下，经过一系列的物理、化学作用，使污染物在废物水泥基质体系中的迁移率减小(如形成溶解性比金属离子小得多的金属氧化物)。有时，还添加一些辅料以增进反应过程，最终使粒状的物料变成粘合的混凝土块。从而使大量的废物因固化而稳定化。对垃圾焚烧飞灰进行稳定化处理的研究结果表明，无论是采用水洗、粉碎等飞灰前处理工艺，处理后的砌块均难以达到较高的强度。另外在研究飞灰中的重金属浸出时发现，由于飞灰中氯离子的影响，经固化后的砌块中铁、铜、锌等离子容易浸出而导致污染物超标。

2、石灰固化法

石灰固化是指以石灰、粉煤灰、水泥窑灰以及熔矿炉炉渣等具有波索来反应(pozzolanicre.action)的物质为固化基材而进行的危险废物固化或稳定化的操作。在适当的催化环境下进行波索来反应，将废物中的重金属成分吸附于所产生的胶体结晶中。石灰固化处理后的结构强度不如水泥固化，因而较少单独使用。另外还有沥青固化、塑性材料固化技术、自胶结固化、大型包胶等，但由于技术和经济局限性，很少应用于生活垃圾焚烧飞灰的处理。

3、药剂稳定化法

药剂稳定化技术以处理重金属废物为主，目前已经发展了多种重金属稳定化技术，如ph值控制技术、氧化，还原电势控制技术、沉淀技术、吸附技术和离子交换技术等。这类技术目前在垃圾焚烧飞灰稳定化处理方面应用较少，但是一个发展方向。尤其是药剂稳定化与其它稳定化方法相比具有工艺简单、稳定效果好、费用低廉等优点。

实验一、将取自某垃圾焚烧电厂的飞灰(二噁英含量约150ng/g)按照实施例1所述方法进行处理，各项工艺参数如下：飞灰进料量为10g/min，臭氧加入量0.3g/h，飞灰催化氧化装置3的反应温度控制在90℃，飞灰在飞灰催化氧化装置3内的停留时间约为2min。废弃scr催化氧化装置4加热温度为90℃，气体空速在8000h^-1。处理后飞灰和气体的各项性能数据为：飞灰催化氧化装置3的飞灰出口34排出的飞灰中二噁英含量为20ng/g，二噁英去除率达到87％；而且废弃scr催化氧化装置4的出气口42排出的气体中未检出二噁英和其他的气态有机污染物。

对比例1、将实验一中的臭氧发生器2去除，也就是反应过程不通过臭氧，仅通入空气。反应过程依靠热催化反应来进行；其余等同于实验一。

将此装置如同实验一进行检测，处理后的各项性能数据为：飞灰催化氧化装置3的飞灰出口34排出的飞灰中二噁英含量为92ng/g，二噁英去除率仅有39％；但废弃scr催化氧化装置4的出气口42排出的气体中未检出二噁英。

对比例2、将实验一中的废弃scr催化氧化装置4去除，仅通过飞灰催化氧化装置3来处理焚烧飞灰；其余等同于实验一。

将此装置如同实验一进行检测，处理后的各项性能数据为：飞灰催化氧化装置3的飞灰出口34排出的飞灰中二噁英含量为20ng/g，二噁英去除率为87％；虽然气体出口33排出的气体中未检出二噁英，但是有其他的气态有机污染物检出，大约浓度在30ng/g。

对比例3、将实验一中的臭氧加入量分别改为0.1和0.5g/h；其余同实验一。

将此装置如同实验一进行检测，处理后的各项性能数据为：飞灰催化氧化装置3的飞灰出口34排出的飞灰中二噁英含量为65ng/g和8ng/g，二噁英去除率为57％和95％，而废弃scr催化氧化装置4的出气口42排出的气体中未检出二噁英和其他的气态有机污染物。这说明臭氧的加入对二噁英的去除有重要的影响，随着臭氧加入量的增加，二噁英的去除效果增加。但是由于臭氧本身也是污染物，过多的臭氧容易造成二次污染，所以对于臭氧的加入量应控制在0.1～0.5ng/g(飞灰)。

对比例4、将实验一中的飞灰催化氧化装置3的加热温度分别改为50℃和150℃。其余同实验一。

将此装置如同实验一进行检测，处理后的各项性能数据为：飞灰催化氧化装置3的飞灰出口34排出的飞灰中二噁英含量为38ng/g和56ng/g，二噁英去除率为75％和63％，而废弃scr催化氧化装置4的出气口42排出的气体中未检出二噁英和其他的气态有机污染物。这说明飞灰催化氧化装置3的反应温度对二噁英的去除有影响，实验一中的90℃左右的加热温度是最适宜的，温度降低，催化活性下降，温度升高，臭氧的活性下降。

对比例5、将实验一中的废弃scr催化氧化装置4的加热温度分别改为50℃和150℃，其余同实验一。

将此装置如同实验一进行检测，处理后的各项性能数据为：飞灰催化氧化装置3的飞灰出口34排出的飞灰中二噁英含量都为20ng/g，二噁英去除率都为87％；在50℃时废弃scr催化氧化装置4的出气口42排出的气体中未检出二噁英，但检测出其他的气态有机污染物，大约在20ng/g左右；在150℃废弃scr催化氧化装置4的出气口42排出的气体中未检出二噁英和其他的气态有机污染物。

最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例方案的范围。