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飞灰水洗提盐和水泥窑协同处置技术浅析

摘要:垃圾焚烧飞灰水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置技术是飞灰资源化处置技术。技术的主要原理是利用飞灰中氯盐易溶于水的特性,和飞灰成分与水泥原料成分比较相近的特点,首先将飞灰中的氯盐通过水洗的方法进行分离制盐,然后把脱氯后的飞灰利用水泥窑协同处置高温煅烧制成水泥熟料。该技术包括五个系统,分别是飞灰洗脱系统、水质净化系统、蒸发制盐系统、烘干系统和入窑系统。该项技术已成功应用于飞灰的规模化处置工程,氯元素去除率达95%以上,可将飞灰处置成工业二级副产盐和水泥熟料原料,整个工艺无废气、废水外排,完全实现了飞灰处置的资源化、无害化、减量化。该技术充分利用了水泥窑高温窑炉的特点和飞灰的特有性质,尤其适用于水泥行业的环保转型和危废的资源化处置,其有很好的发展前景。

一、垃圾焚烧飞灰现状

1.1飞灰简介

生活垃圾焚烧飞灰是在生活垃圾焚烧发电过程中主要收集于烟气管道、烟气净化装置、旋风分离器和布袋除尘器等容重较轻、粒径细小的粉体物质[1]。随着烟气净化水平的不断提高,排放到大气中的烟气越来越清洁,而净化系统截留捕集的细颗粒物(飞灰)成分越来越复杂、危害性越来越大。飞灰中主要的危害性物质含有苯并芘、苯并蒽、二噁英等有机污染物和Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Ni等重金属。除此之外,还含有NaCl和KCl等可溶性盐以及与水泥熟料比较相近的CaO、SiO2、Al2O3等成分。

由于垃圾焚烧产业爆发式增长,未来飞灰产量巨大,到2020年底,垃圾总焚烧量达59.14万t/d,年产生飞灰量约为1000万t。我国垃圾焚烧主要以机械炉排炉焚烧厂和循环流化床焚烧厂为主,炉排炉产生飞灰量约占垃圾焚烧量的3%~5%,含氯量为12%~20%;循环流化床产生飞灰量约占垃圾焚烧量的10%~15%,含氯量为3%~5%。

随着飞灰填埋场地的减少,飞灰的资源化处置越来越受到政府和社会各界环保人士的重视[2]。当前国家环保部、工信部及各地方环保部门大力推广水泥窑协同处置。对飞灰的资源化处置不仅有助于实现垃圾的蓝色焚烧,同时在水泥产能过剩的当下,有助于水泥企业进行环保转型,将水泥生产企业由“污染排放型”的工业生产企业升级成为“飞灰终结者”的城市污染消纳型企业。

1.2水泥窑协同处置方式

目前垃圾焚烧飞灰的水泥窑协同处置方式主要为直喷+水泥窑协同处置技术和水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置技术。这两种处置方式对飞灰的处置能力、适应能力及对水泥生产的影响都有很大不同。

1.2.1直喷+水泥窑协同处置技术

直喷入窑的原理是直接将飞灰喷入水泥窑,然后通过旁路放风将飞灰中的钾、钠、硫、氯放出,利用水泥窑高温对重金属和二噁英进行固化和分解。但它有很大的局限:①处置能力较低,并且要保证绝对均匀入窑;②有二次污染物,旁路放风放出的高含氯窑灰处理将会是企业新的难题,仍需进行水洗脱盐处理;③对水泥的生产有影响,需旁路放风,会影响熟料产能,入窑速度控制不好会造成窑系统结皮;④虽然建设和直接处置费用较低,但比较适宜处置少量的含氯量在3%以下的飞灰。

1.2.2水洗提盐(FWD)+水泥窑协同处置技术

水洗提盐的原理是利用水洗对飞灰中的钾、钠、硫、氯进行提取,制成工业产品,余下部分送入水泥窑进行高温煅烧,利用水泥窑高温对重金属和二噁英进行固化和分解。适应能力很强,相比于直喷入窑有很大的优势。①处置能力较大,可以达到熟料产能的5%甚至更高;②无二次污染物;③对水泥的生产几乎没有影响;④虽然建设和直接处置费用较高,但各种飞灰均可处理。

利用垃圾焚烧飞灰水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置技术是先对飞灰进行水洗提盐[3],降低飞灰中的氯含量在1%以下,再利用水泥窑协同处置。这套技术不仅成本合理而且技术安全可靠,目前在我国已有工程化应用实例,取得了很好的应用效果,是目前解决生活垃圾焚烧飞灰的最优选择。

二、生活垃圾焚烧飞灰水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置工艺简介

2.1水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置工艺

生活垃圾焚烧飞灰水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置技术由飞灰洗脱系统、水质净化系统、蒸发制盐系统、烘干系统和入窑煅烧系统五大系统组成。技术能够达到自动连续下料,水洗效果稳定,用水量小,重金属和二噁英转移率低,运行稳定,自动化程度高,经预处理后的飞灰含氯量可达到≤1%的特点。生活垃圾焚烧飞灰水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置工艺见图1。

2.2飞灰洗脱系统

飞灰洗脱系统的主要功能是将飞灰中的钾、钠、硫、氯等离子通过水洗工艺,使其从飞灰中分离出来,以满足飞灰入窑要求。

本系统采用逆流漂洗技术,飞灰浆液经过第一级洗脱反应器和洗脱分离器固液分离后,洗脱灰进入下一级的洗脱反应器中进行第二次洗涤,洗脱液进入到水质净化处理系统。洗涤次数和用水量根据飞灰中氯含量的检测结果决定。一般情况下,二次水洗可以有效去除飞灰中的氯离子,为保证飞灰洗脱系统的处理效果,进行第三次洗脱,确保氯离子的有效去除率在95%以上。第三次洗脱分离后的洗脱灰进行贮存,其含氯量控制在1%以内,贮存的洗脱灰送入水泥企业进行湿灰干化处理,进入水泥窑进行高温煅烧生成水泥熟料。

就机械炉排炉垃圾焚烧工艺产生的飞灰,一般采用三级逆流漂洗。具体项目建设时,需采用几级水洗,可根据实际飞灰含氯量的高低,进行水洗次数的调整。飞灰水洗时,飞灰中绝大部分可溶性盐类溶于水,同时应控制重金属和二噁英转移到洗脱液当中。通过飞灰洗脱系统,飞灰中氯离子的有效去除率在95%以上,水洗后飞灰中CaO的含量在53%左右,达到了优质石灰石中CaO﹥50%的标准。根据实际生产线运行情况,经过水洗的飞灰的投加量为水泥窑熟料产能的5%左右,在水泥窑协同处置飞灰的过程中,窑况稳定,没有窑尾结皮堵塞的问题,对水泥窑生产的熟料没有任何影响[4]。

2.3水质净化系统

水质净化系统的主要功能是对洗脱系统中的飞灰洗脱液进行水质净化,去除洗脱液中含有的钙、镁及重金属等离子和少量悬浮物,经过絮凝沉淀、化学沉淀等处理技术将重金属离子和钙镁离子分别沉淀下来,使飞灰洗脱液满足蒸发系统工艺要求。

飞灰洗脱液,除含有氯、钾、钠等及重金属离子外,还有少量悬浮物。经物理沉淀后加入化学试剂将重金属离子和钙镁离子沉淀。钙镁污泥和含带重金属的少量污泥与返回飞灰水洗部分继续进行固液分离。飞灰水洗液经过物理沉淀、化学沉淀、多级过滤等多道水处理流程后进入MVR系统,使水质硬度指标控制在50mg/L以下,浊度控制指标在5NTU以下。

2.4蒸发制盐系统

飞灰经过水洗后的水为高盐水,蒸发结晶的进水主要为NaCl和KCl,采用机械压缩蒸发技术、闪蒸结晶、重结晶技术以实现工业盐的结晶分离,实现水的循环利用,蒸发结晶得到的水全部回,经过水洗结晶盐的主要成分为氯化钠和氯化钾,产生的盐作为工业盐使用。蒸发系统主要采用MVR技术,该技术在应用到飞灰洗脱液结晶制盐之前,在化工、海水淡化领域应用已较为广泛,技术的工业化应用已成熟、稳定。2.5烘干系统和入窑煅烧系统

烘干系统的主要功能是降低水洗灰的含水率,保证在入窑处理过程中不影响水泥窑正常生产。对水洗后的飞灰进行烘干处置,将水洗飞灰中的水分降低到2%以下,保证飞灰中的水分对窑况没有影响。

入窑煅烧系统是经过预处理后的飞灰利用气力输送设备通过密封设备,直接将预处理后的飞灰输送到窑尾1400℃高温段,进入水泥窑煅烧。在水泥窑协同处置过程中二噁英被完全分解,重金属被以化学方式固化到水泥熟料中,[5]实现了飞灰的无害化处置。

综上所述,生活垃圾焚烧飞灰水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置技术核心是飞灰的洗脱系统和水质净化系统,这两个系统是保证盐产品合格和入窑飞灰合格的重要前提,而蒸发系统、烘干系统、入窑煅烧系统是传统技术在水泥窑协同处置飞灰中的应用。

三、飞灰的清洁化处置原理

3.1飞灰水洗脱氯及水资源循环利用问题

我国飞灰中氯含量大部分高达到100g/kg以上,而水泥中的Cl元素含量过高会引起钢筋的腐蚀,所以普通水泥中规定氯含量必须小于200mg/kg,因此如何分离、除去氯、是整个生产过程的关键。独特的水洗装置可以在较低用水量的条件下达到使飞灰中氯离子含量≤1%的效果;为了飞灰的协同处置必须把飞灰中所含的大量的氯进行去除,则需通过水洗;采用多级逆流漂洗技术配合专门的水洗反应装置,运行过程中每吨飞灰实际用水量在0.7吨左右,可大幅度节约用水量;因此如何分离、除去氯、水的循环利用是整个生产过程的关键。为了飞灰的资源利用必须解决怎样使氯含量降低到标准情况下时,使水资源的利用达到最高,节约水资源;而此技术完全使污水循环利用,不外排,最大限度的解决了水资源浪费。

3.2重金属问题

飞灰中对人体危害最大的重金属的有5种:铅、汞、铬、砷、镉等;由于飞灰水洗液会加入碱液,使其完全处于碱性条件下,重金属基本不会溶出,会随不可溶沉淀物进入水泥窑中,重金属被固化在水泥晶格中,彻底处理无危害。

3.3水洗脱氯过程中的二噁英问题

二噁英类物质极性小,极难溶于水。而在苯、甲苯、二甲苯等有机溶剂中的溶解度则可达0.05%~0.18%。二噁英具有很强的热稳定性,熔点为303~305℃,高于750℃即开始分解,800℃时2s内可完全分解。二噁英在高温、强酸、强碱、氧化剂作用下都相当稳定。这是水洗工艺具有可行性的技术基础。二噁英在不同溶剂中的溶解度见表1。

从上述分析可以看出,二噁英不溶于水,只能吸附在水中的悬浮物中,所以只要将水中的悬浮物去除,水中就不会存在二噁英;而二噁英会随不可溶沉淀物进入水泥窑中在高温环境下被彻底分解,且不具备二次合成的条件。

3.4回转窑的尾气处理问题

飞灰经预处理后,氯、碱和重金属离子已充分得到去除,因此在尾气处理中除了常规检测的几种污染物之外,主要需要考虑防止二噁英产生的问题。二噁英在水泥回转窑中能够完全分解,因此只要能在尾气处理中防止二噁英再合成即可。二噁英的再合成有三个重要因素(①合适的温度;②足够浓度的前驱体;③催化剂(铜盐)),缺一不可。

在本技术中对垃圾飞灰采取了预处理水洗,有效地除去了氯离子,飞灰在水泥生料配料中的使用比例很低,在尾气中的二噁英分解物被其他气体充分稀释,前驱体的浓度会大大降低,另外回转窑中因烧煤产生的硫会破坏二噁英的催化剂,因此二噁英几乎不会再合成。

本飞灰加入量进行严格控制,尾气处理采用多级吸收处理并配套高效收尘系统,确保分解后的二噁英不会重新合成,因此不会造成周围环境的污染。

本技术实现了洗灰水全部回用,重金属高温熔融玻璃体固化,二噁英彻底分解。使用经过预处理的飞灰制备的水泥性能完全满足《通用硅酸盐水泥》(GB175—2007)标准。尾气排放符合《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915—2013),《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》(GB30485—2013)等相关标准。

四、技术应用现状

2012年经由我公司作为核心设计并建设的国内首条水泥窑协同处置生活垃圾焚烧飞灰示范线在北京琉璃河水泥厂落成,并在2014年进行了提产改造,至今已经连续满负荷(100t/d)运转三年(最高达到了134t/d)。把含氯高达20%的飞灰完全实现了资源化利用,并且实现了二次污染物零排放。

2017年,我公司再次与北京金隅琉水环保科技有限公司合作建设垃圾焚烧飞灰处置线二期工程,中科国润作为该项目的主要核心技术设计单位,参与了该项目的设计工作、主要设备采购供应工作、建设工作和调试运行工作。该项目于2018年1月份开始进行投料生产,至今已完全达到设计目标,日处理飞灰量为134t。同时,北京金隅琉水环保科技有限公司在2018年2月取得了由北京市环保局正式颁发的危废许可证,核准该公司年可处理垃圾焚烧飞灰70000t。

目前国家环保部、工信部、海南省、浙江省等地已把飞灰水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置技术作为飞灰处置的重点技术进行鼓励推广,另外,山东、云南、湖北、黑龙江等省也积极推进技术的应用。

五、总结

飞灰水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置技术以生活垃圾焚烧飞灰水洗提盐(FWD)为核心结合水泥窑的相关优势,实现了飞灰的“三化”处置。为水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰向工程化、产业化,提供安全、可靠、稳定、高效的技术支持,是水泥企业环保转型的切入点,该技术的应用可彻底实现生活垃圾的蓝色焚烧。该技术充分利用了水泥窑高温窑炉的特点和飞灰的特有性质,技术内在的优势结合国家政策不断推进下,有很好的发展前景。