发明内容

针对上述问题，本发明提供了处理垃圾焚烧飞灰并利用其制备固废基凝胶材料的方法，所述方法包括以下步骤：

S100：采用熔分炉，在熔分炉的顶部靶向投加辅助燃料，在1500℃以上的高温中燃烧垃圾焚烧飞灰，使其中的二噁英彻底氧化分解；

S200：回收熔分炉排出的炉渣，依次经过水淬和研磨后，得到炉渣微粉；

S300：将所述炉渣微粉与固体废弃物和水混合，得到所述固废基凝胶材料。

本发明提供的所述处理垃圾焚烧飞灰并利用其制备固废基凝胶材料的方法，针对垃圾焚烧飞灰中二噁英的氧化分解和剩余炉渣的回收利用问题，提出利用熔分炉协同处置垃圾焚烧飞灰，充分发挥熔分炉的高温富氧的条件，将垃圾焚烧飞灰直接喷入炉体，配合辅助燃料的燃烧，使垃圾焚烧飞灰中的二噁英在高温中氧化分解，产生的炉渣处理后用于制备所述固废基凝胶材料，在保障环保效益的同时，还增加了经济效益。本发明人选择熔分炉，充分利用熔分炉较大的炉缸环境，且基本没有上部的间接还原段，熔分炉整体的高温富氧环境保障了二噁英的彻底分解。

优选的，所述步骤S100之前还可以包括将垃圾焚烧飞灰、粘结剂与冶金尘泥的造粒工序，得到成分和尺寸均匀的原料颗粒。

在燃烧法处理垃圾焚烧飞灰的工艺中，一直存在一个问题：二噁英燃烧会产生一定量的氯苯、氯酚等前驱体，而这些前驱体会在燃烧后端随烟气温度的降低再次生成二噁英。目前，本领域内解决该问题普遍采用迅速降温的方法，尽量缩短前驱体处于低温转变温度的时间，以尽量减少再次生成的二噁英，但该法不但操作的人为因素增加，导致效果不佳，而且不能彻底消除二噁英。本发明所述的造粒工序向垃圾焚烧飞灰中引入冶金尘泥，冶金尘泥中的氧化物与氯苯、氯酚等前驱体反应，为氯离子提供金属阳离子，抑制有机氯再次转化为二噁英，同时得到比较稳定的金属氯化物，有利于冶金尘泥中金属资源的有效回收。

另外，垃圾焚烧飞灰原料的粒径非常小，中位径X₅₀约为10μm，X₉₀约为42μm，如此小的粒径会给垃圾焚烧飞灰的转运和喷吹带来不利影响，所以需要进行造粒，冶金尘泥的加入有利于提高制粒效果，得到成分和尺寸均匀的原料颗粒。

可选的，所述造粒工序具体为：(1)将垃圾焚烧飞灰与冶金尘泥按质量比1:(0.2-4)混合均匀；(2)再加入粘结剂，制成成分、粒径均匀的原料颗粒，粘结剂占垃圾焚烧飞灰和冶金尘泥质量之和的3-10％。

可选的，步骤(1)中所述的冶金尘泥为含有金属氧化物或金属矿物的冶金固废，选自烧结机头灰、高炉瓦斯灰或转炉瓦斯灰中的一种或两种。

垃圾焚烧飞灰与冶金尘泥按质量比优选为1:(1-2)。

可选的，步骤(2)中所述的粘结剂选自膨润土、有机树脂、纤维素、水玻璃、淀粉中的一种或两种以上的组合，优选为有机树脂、纤维素或淀粉。有机树脂、纤维素、淀粉属于有机粘结剂，一方面可使所造的颗粒具有适宜的常温强度，另一方面在将颗粒喷入熔分炉后，有机粘结剂会迅速燃烧，形成孔隙，在增加热量的同时使颗粒的比表面积增加，有利于其中二噁英的迅速分解和钠钾盐的迅速气化。

可选的，步骤(2)中所述原料颗粒的粒径不大于200μm，优选的，粒径在50-150μm区间内的颗粒占比大于80％，该粒径组成的原料颗粒适宜通过本发明熔分炉配备的鼓风喷粉装置喷入熔分炉，不会由于粒径过大而沉降，影响充分燃烧，也不会由于粒径过小而发生团聚现象，同样也影响充分燃烧。

可选的，步骤(2)中的造粒选用圆盘式造粒机，采用冷固成型工艺，优选的，圆盘式造粒机的圆盘直径为80cm，圆盘倾斜角为45°-60°，转速为10-30r/min。

可选的，步骤S100具体包括以下步骤：

(3)用富氧空气将步骤(2)制得的所述原料颗粒喷入熔分炉下部的炉缸区；

(4)在熔分炉的顶部靶向投加辅助燃料；

(5)垃圾焚烧飞灰中的二噁英在高温富氧条件下被氧化分解为H₂O、CO₂和HCl，HCl与相邻的金属或矿物反应生成氯盐，防止酸腐蚀；

(6)所述原料颗粒和辅助燃料燃烧后产生的炉渣，由熔分炉的排渣口排出。

可选的，所述高温富氧条件为1500-1800℃，氧浓度为23-30％。

可选的，所述熔分炉的鼓风喷粉装置包括第一喷射组件、第二喷射组件和喷枪，所述第一喷射组件包括彼此连接的第一储罐和两个第一喷射罐，用于喷射垃圾焚烧飞灰或所述原料颗粒；所述第二喷射组件包括彼此连接的第二储罐和两个第二喷射罐，用于喷射煤粉；所述喷枪包括第一入口、第二入口、混合腔体和喷口，混合腔体的一端设有并联的第一入口和第二入口，另一端设有喷口；所述第一喷射罐的出口连接第一入口，第二喷射罐的出口连接第二入口，分别将垃圾焚烧飞灰或所述原料颗粒、煤粉喷入喷枪内充分混合，再由喷口喷出。

垃圾焚烧飞灰或所述原料颗粒存储在第一储罐内，两个第一喷射罐一用一备，且与第一储罐并联，第一储罐与第一喷射罐之间的连接管路上设有阀门，控制垃圾焚烧飞灰或所述原料颗粒进入任一个第一喷射罐，每个第一喷射罐都设有压力喷射装置，利用压力，喷射垃圾焚烧飞灰或所述原料颗粒进入喷枪。

煤粉存储在第二储罐内，两个第二喷射罐一用一备，且与第二储罐并联，第二储罐与第二喷射罐之间的连接管路上设有阀门，控制煤粉进入任一个第二喷射罐，每个第二喷射罐都设有压力喷射装置，利用压力，喷射煤粉进入喷枪。

本发明发明，垃圾焚烧飞灰或原料颗粒的密度、粒度和煤粉差距较大，向熔分炉喷吹时，需要先将垃圾焚烧飞灰、煤粉进行流化，若采用常规的方法将垃圾焚烧飞灰与煤粉同时流化混合，会出现垃圾焚烧飞灰浮在煤粉上方，并在喷枪内的上部堆积，两者无法混合均匀，严重影响两者进入熔分炉后的有效燃烧和燃烧温度。本发明设计了第一喷射组件和第二喷射组件，先将垃圾焚烧飞灰或原料颗粒、煤粉分别进行流化，然后将流化后的原料接入所述喷枪内进行混合，提高燃烧效率。

可选的，所述熔分炉的下部的侧面设有一根热风管，连通炉膛内部，用于将预热后的富氧空气通入熔分炉内；所述喷枪的喷口汇入热风管，在步骤(3)中所述喷枪用富氧空气将原料颗粒和煤粉同时喷吹进入熔分炉，以保障熔分炉内与热风管连接处的风口回旋区的温度达到1500-1800℃。

本发明所述的造粒工序将垃圾焚烧飞灰与冶金尘泥、粘结剂混合造粒，不仅有利于所述鼓风喷枪将原料喷吹入熔分炉，而且冶金尘泥中的氧化物与氯苯、氯酚等前驱体反应，为氯离子提供金属阳离子，抑制有机氯再次转化为二噁英，还能够在上述步骤(5)中，冶金尘泥中的金属或矿物与二噁英分解产生的HCl反应生成氯盐，防止酸腐蚀熔分炉，氯盐性质稳定，在高温条件下部分达到沸点，如MgCl₂、CaCl₂等，与NaCl和KCl进入烟气中，可进行回收。

可选的，步骤(4)所述的辅助燃料包括金属固废的热造块、烧结矿和焦炭，所述热造块的制备方法如下：

(a)将高炉布袋灰与转炉除尘灰按质量比1:(1-2)混合均匀；

(b)再加入所述粘结剂，制成成分、粒径均匀的颗粒，冷固成型，粘结剂占高炉布袋灰和转炉除尘灰质量之和的3-5％；

(c)将步骤(b)得到的颗粒加入预处理炉进行加热，温度为400-500℃，得到所述热造块。

步骤(b)中的粘结剂与步骤(2)的粘结剂相同，并优选为有机树脂、纤维素或淀粉，有机粘结剂在预处理炉内燃烧，形成孔隙，增加热造块的比表面积，提高其在熔分炉内的燃烧性能。

可选的，所述辅助燃料的金属固废的热造块、烧结矿与焦炭的质量比为1:(1-1.5):(1-2)。

本发明为了保证所述风口回旋区的高温，进而保证原料颗粒的充分燃烧，除了利用所述鼓风喷粉装置将原料颗粒、煤粉和富氧空气喷吹入风口回旋区燃烧，还从熔分炉的顶部加入所述辅助燃料，辅助燃料均可燃烧，在辅助燃料从顶部掉落的过程中，与原料颗粒和煤粉燃烧产生的高温烟气逆向流动、充分接触换热，对辅助燃料进行预热；另一方面，所述热造块中的金属成分在熔分炉内进行冶炼，能够再生产生生铁、稀贵金属合金和炉渣，炉渣为高活性硅酸盐渣，进而回收所述热造块和烧结矿中的多种有价值的金属。因此，本发明的所述辅助燃料既能够支持原料颗粒的燃烧，又能有效回收固废中的有价金属。

可选的，步骤S100还包括：(7)所述辅助燃料和原料颗粒燃烧产生的生铁从熔分炉底部的出铁口排出，产生的高活性硅酸盐渣从熔分炉底部的排渣口排出，产生的稀贵金属合金从熔分炉底部的排料口排出，并运至稀贵金属提纯车间进行多种有价金属分离提纯。

可选的，步骤S200中，将经过水淬的炉渣研磨至粒径不大于200μm，优选的，粒径在50-150μm区间内的颗粒占比大于80％，得到炉渣微粉，炉渣微粉的比表面积可达340-380m²/kg。所述炉渣为高活性硅酸盐渣，水淬时进行矿相重构，产生玻璃相，进而提高炉渣的胶凝性。

优选的，所述熔分炉的顶部设有投料装置，所述投料装置的底部设有布料盘，布料盘的边沿连接一个倾斜的布料斗，布料斗为细长形，所述辅助燃料通过所述投料装置向熔分炉内投加，辅助燃料散布在布料盘上，再通过所述布料斗投加到熔分炉内部。

优选的，所述的熔分炉包括烟气主管和烟气分管，所述烟气主管的底端设在熔分炉内堆积的辅助燃料的软熔带的最高点处；烟气分管设在熔分炉顶部的侧面，并连通熔分炉的内部。烟气主管的底部优选设在熔分炉内1/3-1/2高度处；

所述烟气主管的顶部延伸到所述布料盘的下表面，且烟气主管的顶部与所述烟气分管连通。

进一步优选的，所述烟气分管上设有负压装置，为烟气主管和烟气分管提供负压，促进熔分炉内的高温烟气快速导出。

进一步优选的，所述烟气分管的尾部连接换热装置，将高温烟气的热量回收，用于其它热能设备，例如用于加热所述辅助燃料。

本发明在传统熔分炉的烟气导出方面进行了改进，在已有的烟气分管的基础上，增设所述烟气主管，使得大部分高温烟气由烟气主管排出，少部分高温烟气穿过熔分炉内堆积的辅助燃料后由烟气分管排出，这种设计避免了高温烟气穿过辅助燃料后温度下降过快而损失热能，也避免气化的氯化钾、氯化钠在辅助燃料或熔分炉中形成结瘤，影响熔分炉在辅助燃料的顺行。烟气主管保证了烟气顺利排出熔分炉，且烟气主管与投料装置的布料盘的位置关系，使得高温烟气充分加热布料盘上的物料，完成了辅助燃料的预热，同样达到了利用高温烟气的热能的目的。烟气主管和烟气分管汇合，将熔分炉产生的高温烟气全部导出。由于烟气主管是独立设置在熔分炉内部，烟气主管内部畅通无阻碍，其烟气流动阻力比烟气分管小得多，在所述负压装置的作用下，更多部分的高温烟气优先从烟气主管排出。

可选的，所述烟气主管内部设有若干个导流管，所述导流管均设在所述布料下方，所述导流管的一端为喇叭口形状，另一端为圆筒形，且喇叭口的直径大于圆筒直径，当熔分炉下部产生的高温烟气的上升流速较快时，导流管的喇叭口向上，暂缓气流，防止气流流速过快夹带较多辅助燃料，并将辅助燃料带入后续环节，增加后续分离钾钠的难度，同时，经过喇叭口的气流分布均匀，能够均匀加热布料盘上的物料；当熔分炉下部产生的高温烟气上升流速较慢时，导流管的喇叭口向下，气流经喇叭口收集再从圆筒口喷出，提高气流流速，增加烟气对布料盘的接触，保证预热效果。

可选的，所述若干个导流管排成一行，并固定在同一根水平的旋转杆上，旋转杆的一端穿出炉壁，通过旋转穿出炉壁的一端，控制导流管的朝向。

可选的，步骤S300具体为：

(8)将所述炉渣微粉与固体废弃物进行配料，搅拌混匀50-70s，得混合料；

(9)将水添加到所述混合料中，搅拌30-40s，再添加标准砂，混合均匀，得浆体；

(10)将浆体注入模具成形，经初步养护、脱模、再次养护，得到所述固废基凝胶材料。

可选的，步骤(8)中，所述固体废弃物选自赤泥、粉煤灰、脱硫石膏中的一种或两种以上的组合。

可选的，步骤(8)中，还添加水泥，与所述炉渣微粉与固体废弃物进行配料，搅拌混匀50-70s，得混合料。

可选的，所述固废基凝胶材料的原料的质量分数如下：水泥10-30份，炉渣微粉30-50份，赤泥10-30份，粉煤灰5-15份，脱硫石膏3-10份，标准砂300-350份，水200-225份。所述固废基凝胶材料中的CaO与(SiO₂+Al₂O₃)的重量比值记作Ca/Si，所述固废基凝胶材料的Ca/Si为0.7-1.5。

优选的，所述固废基凝胶材料的原料的质量分数如下：水泥15-25份，炉渣微粉35-43份，赤泥15-25份，粉煤灰8-12份，脱硫石膏5-9份，标准砂300份，水210-217份。所述固废基凝胶材料的Ca/Si为1.2-1.5。

可选的，所述粉煤灰中的SiO₂含量不小于40％，Al₂O₃含量不小于20％；赤泥中Na₂O含量不小于10％。

本发明所述的原料颗粒和辅助燃料的充分燃烧，不仅有利于垃圾焚烧飞灰中二噁英的彻底分解，而且使得产生的炉渣具有更高的活性，有利于所述凝胶材料的强度的提高和有害物质的固定。

本发明制得的所述固废基凝胶材料中的CaO与(SiO₂+Al₂O₃)的重量比值记作Ca/Si，所述固废基凝胶材料的Ca/Si为0.7-1.5，属于中钙体系。而普通硅酸盐水泥属于高钙低硅铝体系(简称高钙体系，Ca/Si接近3)，而碱激发胶凝材料或地质聚合物，多为低钙高硅铝体系(简称硅铝体系，Ca/Si接近0.5)。本发明所述固废基凝胶材料，由多种固废组成，成分复杂，若Ca/Si过高或过低均会导致所述固废基凝胶材料的强度和毒性浸出性能变差，本发明通过控制各原料的配比，调控Ca/Si的比值恰好在高钙体系和低钙体系之间的中钙含量过渡体系范围内，得到抗压强度和环境性能优异的胶凝材料。另外，所述固废基凝胶材料在不添加水泥时，能够达到较高的强度，满足普通硅酸盐水泥的强度要求，可代替普通硅酸盐水泥而应用。