一种含生活垃圾焚烧灰渣的焦炭及其制备方法
阅读说明：本技术 一种含生活垃圾焚烧灰渣的焦炭及其制备方法 (Coke containing domestic garbage incineration ash and preparation method thereof ) 是由 任华伟 李浩伟 于守立 常卫岗 张青青 慧云泽 申梦栖 刘利园 孙振满 翟记川 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种含城市生活垃圾焚烧灰渣的焦炭及其制备方法。所述焦炭原料由灰渣和洗精煤组成,根据本发明的制备方法简单,易于大规模工业化应用,并为炼焦配煤领域带来一种新型的原材料,节约了洗精煤的消耗；制备的焦炭完全满足于炼铁、冶炼、化工等行业需求,且这些行业产能规模巨大,利于灰渣的消耗利用,具有环保和经济价值。(The invention discloses a coke containing municipal solid waste incineration ash and a preparation method thereof. The coke raw material consists of ash and clean coal, the preparation method is simple and is easy for large-scale industrial application, a novel raw material is provided for the field of coking and coal blending, and the consumption of clean coal is saved; the prepared coke completely meets the requirements of industries such as iron making, smelting, chemical engineering and the like, and the industries have huge capacity and scale, are beneficial to consumption and utilization of ash slag, and have environmental protection and economic values.)
技术领域
本发明属于城市生活垃圾焚烧后的残渣处理再利用技术领域，具体涉及一种含城市生活垃圾焚烧灰渣的焦炭及其制备方法。
背景技术
随着政府对生活垃圾处理减量化、无害化和资源化的加强管理，生活垃圾处理已经成为城市管理和公共服务的重要组成部分，根据中国国情和相关技术，生活垃圾焚烧处理成为当前比较好的一种处理方式。焚烧灰渣是城市生活垃圾焚烧过程中一种必然的副产物，是城市生活垃圾焚烧后的残余物，其产生量视垃圾成分而定，主要成分为氧化锰、二氧化硅、氧化钙、三氧化铝、三氧化铁、废金属，以及少量未燃尽的有机物等。目前焚烧灰渣处置的常用方法主要有：水泥固化、沥青固化、熔融固化技术、化学药剂固化稳定化等，经过固化稳定化处理后的产物，如满足浸出毒性标准或者资源化利用标准，可以进入普通填埋场进行填埋处置。但随着填埋场地的减少，处置成本的增加，如何采取适当的技术处理焚烧飞灰，并达到稳定化、资源化和无害化的目标，已成为当前一项重要的民生科技项目。
炼焦生产是将配合煤加入焦炉隔绝空气加热高温干馏的过程。在加热过程中，煤随着温度提高而发生一系列不可逆的物理化学变化，形成气态(煤气)、液态(焦油)和固态(焦炭)。焦炭是煤高温干馏炼焦的主要产物，主要用于高炉炼铁和用于有色金属的鼓风炉冶炼，还用于铸造、化工、电石和铁合金，起到还原剂、发热剂和料柱骨架作用。焦炭的主要成分是碳和少量灰分，灰成分主要为二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、三氧化铁、氧化锰等，来自于原料煤中，与灰渣成分接近。全国焦化产能达到5亿多吨，产能巨大。在不影响焦炭产品性能的前提下，将焚烧灰渣配煤炼焦制备焦炭不仅拓展了灰渣的出路，实现灰渣的处理利用，还可节约了洗精煤的消耗。
发明内容
本发明提供了一种含城市垃圾焚烧灰渣的焦炭及其制备方法，实现城市垃圾焚烧灰渣资源化、减量化及无害化综合处理利用。
本发明的一个目的是提供一种含城市垃圾焚烧灰渣的焦炭，所述焦炭原料由灰渣和洗精煤组成，按质量百分比计，所述灰渣含量为0.1％-8％，额外添加洗精煤，基于100％重量的洗精煤，所述洗精煤含量为，洗精煤包括长焰煤、弱粘煤、气煤、气肥煤、1/3焦煤、焦煤、肥煤、瘦煤、贫痩煤、贫煤、无烟煤中的一种或多种。
优选地，本发明的一个目的是提供一种含城市垃圾焚烧灰渣的冶金焦，所述冶金焦原料由灰渣和洗精煤组成，按质量百分比计，所述灰渣含量为0.1％-1％，额外添加洗精煤，基于100％重量的洗精煤，所述洗精煤包括气煤15％-30％、气肥煤10％-30％、1/3焦煤0％-30％、焦煤0％-15％、肥煤10％-25％、瘦煤0％-20％、贫痩煤10％-25％。
优选地，本发明的一个目的是提供一种含城市垃圾焚烧灰渣的气化焦，所述气化焦原料由灰渣和洗精煤组成，按质量百分比计，所述洗精煤包括长焰煤0％-25％、气肥煤15％-35％、1/3焦煤10％-30％、肥煤10％-35％、贫痩煤10％-20％、无烟煤0％～15％。
本发明的另一个目的是提供所述含城市垃圾焚烧灰渣的冶金焦的炼制方法，包括以下步骤：
步骤a，将城市垃圾焚烧灰渣筛选、破碎，将粒径大于3mm的灰渣颗粒及其他未完全燃烧杂质进行破碎，使其均成为粒径小于3mm的灰渣备用；
步骤b，将哈氏可磨指数<60且原始粒径小于3mm的颗粒占比例<60％的洗精煤的各种成分分别进行单独预粉碎，使得粒径小于3mm的比例≥85％后备用；
步骤c，按照以下质量百分比进行配煤：0.1％～1％的步骤a中得到的灰渣和步骤b中得到的洗精煤进行均匀混合，得到配合煤；
步骤d，将步骤c中混合均匀的配合煤进一步进行破碎，使得粒径小于3mm的配合煤占其总质量的85％～90％；
步骤e，将步骤d破碎后的配合煤进行捣固送入捣固焦炉炼焦，捣固密度控制到1.0-1.05kg/m3；
步骤f，炼焦开始，结焦时间为24～26小时，炼焦焦饼中心温度为1000～1050℃，结束后进行推焦、熄焦，得到冶金焦。
其中，按质量百分比计，步骤b中所述洗精煤的各种成分包括气煤15％-30％、气肥煤10％-30％、1/3焦煤0％-30％、焦煤0％-15％、肥煤10％-25％、瘦煤0％-20％、贫痩煤10％-25％。
步骤f中，所述冶金焦达到以下质量指标要求：灰分Ad≤12.5％，硫份St≤0.7％，抗碎强度M25≥92％，耐磨强度M10≤7％，反应性CRI≤28％，反应后强度CSR≥65％，满足2000m3及以下高炉需求。
本发明的另一个目的是提供所述含城市垃圾焚烧灰渣的气化焦的炼制方法，包括以下步骤：
步骤a，将城市垃圾焚烧灰渣筛选、破碎，将粒径大于3mm的灰渣颗粒及其他未完全燃烧杂质进行破碎，使其均成为粒径小于3mm的灰渣备用；
步骤b，将哈氏可磨指数<60且原始粒径小于3mm的颗粒所占比例<60％的洗精煤分别进行单独预粉碎，使得粒径小于3mm的比例≥85％后备用；
步骤c，按照以下质量百分比进行配煤：2％～8％的步骤a中得到的灰渣和步骤b中得到的洗精煤进行均匀混合，得到配合煤；
步骤d，将步骤c中混合均匀的配合煤进行破碎，使得粒径小于3mm的配合煤占其总质量的89％～92％；
步骤e，将步骤d破碎后的配合煤后进行捣固送入捣固焦炉炼焦；捣固密度控制到1.0-1.05kg/m3；
步骤f，炼焦开始，结焦时间为24～26小时，炼焦焦饼中心温度为1050～1150℃，炼焦结束后进行推焦、熄焦，得到气化焦。
其中，按质量百分比计，步骤b中所述洗精煤的各种成分包括长焰煤0％-25％、气肥煤15％-35％、1/3焦煤10％-30％、肥煤10％-35％、贫痩煤10％-20％、无烟煤0％～15％。
步骤f中，所述气化焦质量指标如下：反应活性CRI>50％、抗碎强度M25＞80％、耐磨强度M10<12％、挥发分V<3％。
有益效果
根据本发明的制备方法简单，易于大规模工业化应用，并为炼焦配煤领域带来一种新型的原材料，节约了洗精煤的消耗；制备的焦炭完全满足于炼铁、冶炼、化工等行业需求，且这些行业产能规模巨大，利于灰渣的消耗利用，具有环保和经济价值。
具体实施方式
以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。
冶金焦是高炉焦、铸造焦、铁合金焦和有色金属冶炼用焦的统称。由于90％以上的冶金焦均用于高炉炼铁，因此往往把高炉焦称为冶金焦。
气化焦是指专用于生产煤气的焦炭。主要用于固态排渣的固定床煤气发生炉内，作为气化原料，生产以CO和H2为可燃成分的煤气。
根据其用途的不同，冶金焦和气化焦的性能要求也不同，可掺杂灰渣含量也不同。
发明人发现，在1000℃以上的温度下可以使灰渣熔融成液态熔浆，嵌入焦炭气孔和吸附在焦炭表面，达到减容目的；此外，灰渣中的二噁英类物质在高温进行分解，降低灰渣制备焦炭产品的毒性，符合《国家危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别标准》(GB5085.3-2007)所规定标准值，因此本发明的含城市垃圾焚烧灰渣的焦炭无有害元素，无生态风险，属于环境友好型产品。
通过对城市垃圾焚烧灰渣的金属元素含量分析发现，灰渣中碱金属元素含量较低，酸性元素(硅、铝、钛)含量高，将小比例的城市垃圾焚烧灰渣应用于炼焦配煤生产冶金焦炭时，可以改变煤灰元素中的酸碱性，可改善焦炭的热强度，优化焦炭质量；而提高灰渣含量比例应用于炼焦配煤生产气化焦炭时，由于灰分增加，催化作用加强，使焦炭反应活性大幅提高，满足了气化焦反应活性CRI(1100℃下)>50％的要求。根据本发明的冶金焦和气化焦的不同生产工艺均实现了垃圾焚烧灰渣的无害化、资源化处理。
以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1-4：含城市垃圾焚烧灰渣的冶金焦的制备
取某市一垃圾场焚烧后的灰渣，进行灰成分分析，按照氧化物形式计，其中K2O为0.09％、Na2O为0.45％、CaO为0.21％、Fe2O3为0.33％、MgO为0.09％、SiO2为52.2％；Al2O3为42.7％；TiO2为2.3％，其他1.63％。
实施例1：
将上述灰渣筛选、破碎，将粒径大于3mm的灰渣颗粒及其他未完全燃烧杂质进行破碎，使其均成为粒径小于3mm的灰渣备用。
将哈氏可磨指数<60且原始粒径小于3mm所占比例<60％的洗精煤的各种成分分别进行单独预粉碎，使得粒径大于3mm的颗粒的比例≥85％后备用。
按照以下质量百分比进行配煤：0.1％灰渣，气煤17％，气肥煤20％，1/3焦煤18％，焦煤7％，肥煤16％，瘦煤8％，贫痩煤14％；并均匀混合得到配合煤；后进行破碎，得到粒径小于3mm的配合煤占其总质量的89.5％；
后进行捣固送入捣固焦炉炼焦，捣固密度为1.04kg/m3，经过25.5小时后，炼焦焦饼中心温度达到1030℃，焦炭成熟。后推焦、熄焦，得到含城市垃圾焚烧灰渣的冶金焦。
实施例2：
将上述灰渣筛选、破碎，将粒径大于3mm的灰渣颗粒及其他未完全燃烧杂质进行破碎，使其均成为粒径小于3mm的灰渣备用。
将哈氏可磨指数<60且原始粒径小于3mm所占比例<60％的洗精煤的各种成分分别进行单独预粉碎，使得粒径大于3mm的颗粒的比例≥85％后备用。
按照以下质量百分比进行配煤：0.3％灰渣，气煤15％，气肥煤21％，1/3焦煤18％，焦煤6％，肥煤20％，瘦煤10％，贫痩煤10％；并均匀混合得到配合煤；后进行破碎，得到粒径小于3mm的配合煤占其总质量的90.2％；
后进行捣固送入捣固焦炉炼焦，捣固密度为1.05kg/m3，经过25.5小时后，炼焦焦饼中心温度达到1035℃，焦炭成熟。后推焦、熄焦，得到含城市垃圾焚烧灰渣的冶金焦。
实施例3：
将上述灰渣筛选、破碎，将粒径大于3mm的灰渣颗粒及其他未完全燃烧杂质进行破碎，使其均成为粒径小于3mm的灰渣备用。
将哈氏可磨指数<60且原始粒径小于3mm所占比例<60％的洗精煤的各种成分分别进行单独预粉碎，使得粒径大于3mm的颗粒的比例≥85％后备用。
按照以下质量百分比进行配煤：0.7％灰渣，气煤15％，气肥煤20％，1/3焦煤20％，肥煤23％，瘦煤12％，贫痩煤10％；并均匀混合得到配合煤；后进行破碎，得到粒径小于3mm的配合煤占其总质量的90.3％；
后进行捣固送入捣固焦炉炼焦，捣固密度为1.07kg/m3，经过25.5小时后，炼焦焦饼中心温度达到1050℃，焦炭成熟。后推焦、熄焦，得到含城市垃圾焚烧灰渣的冶金焦。
实施例4：
将上述灰渣筛选、破碎，将粒径大于3mm的灰渣颗粒及其他未完全燃烧杂质进行破碎，使其均成为粒径小于3mm的灰渣备用。
将哈氏可磨指数<60且原始粒径小于3mm所占比例<60％的洗精煤的各种成分分别进行单独预粉碎，使得粒径大于3mm的颗粒的比例≥85％后备用。
按照以下质量百分比进行配煤：1％灰渣，气煤16％，气肥煤27％，1/3焦煤15％，焦煤10％，肥煤22％，贫痩煤10％；并均匀混合得到配合煤；后进行破碎，得到粒径小于3mm的配合煤占其总质量的91.4％；
后进行捣固送入捣固焦炉炼焦，捣固密度为1.05kg/m3，经过25.5小时后，炼焦焦饼中心温度达到1045℃，焦炭成熟。后推焦、熄焦，得到含城市垃圾焚烧灰渣的冶金焦。
对比例1：不含灰渣的常规冶金焦的制备
将哈氏可磨指数<60且原始粒径小于3mm所占比例<60％的洗精煤的各种成分分别进行单独预粉碎，使得粒径大于3mm的颗粒的比例≥85％后备用。
按照以下质量百分比进行配煤：气煤18％，气肥煤27％，1/3焦煤15％，焦煤10％，肥煤20％，贫痩煤10％；并均匀混合得到配合煤；后进行破碎，得到粒径小于3mm的配合煤占其总质量的91％；
后进行捣固送入捣固焦炉炼焦，捣固密度为1.05kg/m3，经过25.5小时后，炼焦焦饼中心温度达到1040℃，焦炭成熟。后推焦、熄焦，得到不灰渣的冶金焦。
实施例5-8：含城市垃圾焚烧灰渣的气化焦的制备
实施例5：
将上述灰渣筛选、破碎，将粒径大于3mm的灰渣颗粒及其他未完全燃烧杂质进行破碎，使其均成为粒径小于3mm的灰渣备用。
将哈氏可磨指数<60且原始粒径小于3mm所占比例<60％的洗精煤的各个成分分别进行单独预粉碎，使得粒径大于3mm的比例≥85％后备用。
按照以下质量百分比进行配煤：2％灰渣，长焰煤6％、气煤15％、高硫气肥煤22％、1/3焦煤22％、肥煤13％、贫痩煤18％、无烟煤4％；并均匀混合，得到配合煤。再次进行破碎，得到粒径小于3mm的配合煤占其总质量的90.0％；
后进行捣固送入捣固焦炉炼焦，捣固密度为1.03kg/m3，经过25.5小时后，炼焦焦饼中心温度达到1025℃，焦炭成熟。后推焦、熄焦，得到含城市垃圾焚烧灰渣的生物质气化焦。
实施例6：
将上述灰渣筛选、破碎，将粒径大于3mm的灰渣颗粒及其他未完全燃烧杂质进行破碎，使其均成为粒径小于3mm的灰渣备用。
将哈氏可磨指数<60且原始粒径小于3mm所占比例<60％的洗精煤的各个成分分别进行单独预粉碎，使得粒径大于3mm的比例≥85％后备用。
按照以下质量百分比进行配煤：4％灰渣，长焰煤5％、气煤8％、高硫气肥煤25％、1/3焦煤28％、肥煤15％、贫痩煤15％、无烟煤4％；并均匀混合，得到配合煤。再次进行破碎，得到粒径小于3mm的配合煤占其总质量的90.0％；
后进行捣固送入捣固焦炉炼焦，捣固密度为1.03kg/m3，经过25.5小时后，炼焦焦饼中心温度达到1025℃，焦炭成熟。后推焦、熄焦，得到含城市垃圾焚烧灰渣的生物质气化焦。
实施例7：
将上述灰渣筛选、破碎，将粒径大于3mm的灰渣颗粒及其他未完全燃烧杂质进行破碎，使其均成为粒径小于3mm的灰渣备用。
将哈氏可磨指数<60且原始粒径小于3mm所占比例<60％的洗精煤的各个成分分别进行单独预粉碎，使得粒径大于3mm的比例≥85％后备用。
按照以下质量百分比进行配煤：6％灰渣，长焰煤4％、气煤8％、高硫气肥煤26％、1/3焦煤28％、肥煤17％、贫痩煤13％、无烟煤4％；并均匀混合，得到配合煤。再次进行破碎，得到粒径小于3mm的配合煤占其总质量的90.0％；
后进行捣固送入捣固焦炉炼焦，捣固密度为1.03kg/m3，经过25.5小时后，炼焦焦饼中心温度达到1025℃，焦炭成熟。后推焦、熄焦，得到含城市垃圾焚烧灰渣的生物质气化焦。
实施例8：
将上述灰渣筛选、破碎，将粒径大于3mm的灰渣颗粒及其他未完全燃烧杂质进行破碎，使其均成为粒径小于3mm的灰渣备用。
将哈氏可磨指数<60且原始粒径小于3mm所占比例<60％的洗精煤的各个成分分别进行单独预粉碎，使得粒径大于3mm的比例≥85％后备用。
按照以下质量百分比进行配煤：8％灰渣、气煤8％、高硫气肥煤26％、1/3焦煤28％、肥煤17％、贫痩煤17％、无烟煤4％；并均匀混合，得到配合煤。再次进行破碎，得到粒径小于3mm的配合煤占其总质量的90.0％；
后进行捣固送入捣固焦炉炼焦，捣固密度为1.03kg/m3，经过25.5小时后，炼焦焦饼中心温度达到1025℃，焦炭成熟。后推焦、熄焦，得到含城市垃圾焚烧灰渣的生物质气化焦。
对比例2：不含灰渣的常规气化焦的制备
将哈氏可磨指数<60且原始粒径小于3mm所占比例<60％的洗精煤的各个成分分别进行单独预粉碎，使得粒度大于3mm的比例≥85％后备用。
按照以下质量百分比进行配煤：长焰煤5％、高硫气肥煤26％、1/3焦煤28％、肥煤17％、贫痩煤13％、无烟煤11％；并均匀混合，得到配合煤。再次进行破碎，得到粒径小于3mm的配合煤占其总质量的90.0％；
后进行捣固送入捣固焦炉炼焦，捣固密度为1.03kg/m3，经过25.5小时后，炼焦焦饼中心温度达到1025℃，焦炭成熟。后推焦、熄焦，得到含城市垃圾焚烧灰渣的生物质气化焦。
以上实施例1-4和对比例1的焦炭质量指标列于下表1，实施例5-8和对比例2的焦炭质量指标列于下表2：
表1实施例1-4和对比例1的焦炭质量
从表1可看出实施例1-4的含城市垃圾焚烧灰渣的冶金焦与对比例1常规焦炭相比，灰分Ad、硫份St指标接近，未有恶化，热强度指标(CRI、CSR)有一定提升，主要添加灰渣后改变了煤灰元素中的酸碱性，改善了焦炭的热强度；同时起到一定瘦化剂作用，使冷强度M25和M10也有提升。
表2实施例5-8和对比例2的焦炭质量：
Ad％
M<sub>25</sub>％
M<sub>10</sub>％
CRI％
V％
St％
实施例5
18.3
84.5
10.3
53.6
1.6
1.5
实施例6
17.5
82.3
11.7
52.5
1.4
1.6
实施例7
18.7
83.1
12.0
54.0
1.5
1.6
实施例8
17.8
83.9
11.3
54.8
1.4
1.7
对比例2
18.5
82.0
12.0
51.2
1.7
1.7
从表2可看出实施例5-8的含城市垃圾焚烧灰渣的气化焦与对比例2常规气化焦炭相比，灰分Ad、硫份St、V指标接近，未有恶化，热反应CRI明显上升，主要添加灰渣后催化作用加强，使焦炭反应活性大幅提高；同时起到一定瘦化剂作用，使冷强度M25和M10也有提升。
对以上焦炭样品的灰成分进行检测，结果如表3；可看出配入城市垃圾焚烧灰渣后各灰成分组成变化不大，酸性氧化物(SiO2、Al2O3)与碱性氧化物(Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O)之比较未配入的焦炭稍有提高，且随配入比例的增加而增加。
表3：
另外，对以上配入城市垃圾焚烧灰渣比例较大实施例4和实施例8，以及常规对比例1和对比例2的焦炭进行重金属浸出实验，各样品仅有部分毒性元素被检出，但所有样品检出元素含量均远远低于《国家危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别标准》(GB5085.3-2007)所规定标准值，如表4。据此可判断本发明的生物质焦炭无有害元素，无生态风险，属于环境友好型产品。
表4：
(ND表示未检出)
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种入炉煤的配煤方法和入炉煤