一种回收城市固废焚烧炉飞灰中有价值元素的装置及方法

1.本发明属于节能减排领域，特别设计一种回收城市固废焚烧炉飞灰中有价值元素的装置及方法。


背景技术：

2.随着经济的发展和居民生活水平的提高，居民的生活习惯有了较大的改变，城市固体废弃物污染情况非常严重；给人的身体健康带来了极大的危害，并影响到工农业的发展，城市固体废弃物的处理问题已成为当前环境领域亟待解决的重大问题。
3.目前用于处理城市固废技术有填埋法、好氧堆肥法、厌氧消化法以及焚烧法，其中焚烧法因具有减容量大、无害化程度彻底、可实现固废的资源化利用等优点，已成为城市固废处理的主要方式。垃圾焚烧法尽管具有上述诸多优点，但在焚烧过程会产生大量飞灰，飞灰中因含有高浸出浓度的pb、cd、cu、zn等重金属已列为危险废物，这些重金属大多沉积在飞灰颗粒表面，随时会被溶解，若处置不当，飞灰中重金属会浸出污染地下水和土壤。目前常用的处理飞灰的方法主要有安全填埋法、水泥固化等固化稳定化技术以及高温烧结、熔融等技术。这些处理方法可以有效减少重金属的浸出，但从环境的长期安全性考虑，固化在飞灰中的重金属不能被资源化利用，既是一种资源浪费，也对环境构成潜在的威胁。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种能够有效回收城市固废焚烧飞灰中有价值金属元素的装置及方法，采用气化冷凝的方法回收飞灰中的重金属，能够有效破坏飞灰中二噁英和其他有毒有机化合物，也能有效回收部分有价值金属，保护环境的同时也提高了经济效益。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种回收城市固废焚烧炉飞灰中有价值元素的方法，具体如下：
6.将城市固废焚烧炉飞灰压制成多孔的块体；
7.将所述多孔的块体置于还原气氛中加热至低于目标飞灰变形温度100
‑
150℃对其中的金属进行气化，得到金属蒸气；飞灰在加热时，加热速率不高于25℃/min；
8.将所述金属蒸气在真空状态下进行分级冷凝得到的冷凝物进行回收，所述分级冷凝的冷凝温度根据金属蒸气的冷凝温度而定。
9.将30～100μm的城市固废焚烧炉筛分出来压制成多孔的块体，其中所述孔为变径孔，孔径为8mm
‑
15mm，所述孔在块体上随机或具有规则地排布，所述孔的体积占块体体积的35％
±
5％。
10.所述金属包括zn、pb、cu和cd。
11.还原气氛采用氢气和氮气共同营造，氢气和氮气的流量配比为1:9。
12.回收冷凝物的同时回收未冷凝的气体。
13.真空状态下的真空度为帕。
14.一种回收城市固废焚烧炉飞灰中有价值元素的装置，包括气化炉和冷凝器，气化炉开设进气口，所述进气口通过管道分别连通氢气和氮气气源，气化炉中保持还原气氛，气化炉的气体出口连通冷凝器的气体入口，气化炉下部设置第一电加热器，冷凝器下部设置第二电加热器，冷凝器中设置若干级冷凝管，冷凝管根据金属蒸气的冷凝温度分级，冷凝器设置用于抽真空的抽气口和排出未冷凝气体的出口；第一电加热器和第二电加热器采用自整定pid控制的电加热器，气化炉中设置热电偶，气化炉上开设进料口，气化炉的顶部设置排气阀；每一级冷凝管处布置有热电偶，冷凝管连通循环冷却水系统。
15.气化炉的进气口通过管道连通氢气储气瓶和氮气储气瓶，氢气储气瓶和氮气储气瓶的出口均设置流量控制阀，氢气储气瓶和氮气储气瓶的出口至气化炉的进气口的管道上设置混合器；冷凝器连接有真空泵和未反应气体回收瓶。
16.冷凝管的表面设置冷凝片，冷凝片采用的是材料为合金钢的三角肋片，冷凝片以55
‑
90
°
的间隔分布在陶瓷管上。
17.冷凝器中，沿着气体流向冷凝管的温度逐渐降低。
18.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
19.本发明利用还原气氛气化处理加工成块体的飞灰，并分级冷凝金属蒸气，可以有效回收飞灰中的部分重金属，同时利用高温分解二噁英等有毒物质，实现飞灰资源化利用的同时，有助于保护环境；加热速率不高于25℃/min，最高温度低于目标飞灰变形温度100～150℃，以防止飞灰部分或完全熔融，阻碍灰颗粒内重金属蒸气的解离和扩散，对金属进行分级冷凝，以实现同步回收更多种类的金属。
20.本发明可以实现对固废焚烧飞灰中部分有价值金属的回收利用，通过在气化炉中营造一种还原气氛，降低锌、镉金属的气化温度，并采用自整定pid控制的小型电加热器加热，可以克服传统电加热控制过程纯滞后、惯性滞后、非线性和时变等复杂特性的影响，产生的金属蒸气分别冷凝在对应的冷凝管中，可以实现分级冷凝回收，最后将未冷凝的金属气体以及有害气体通入到回收瓶中，还能利用高温分解飞灰中的二噁英等有毒物质，实现飞灰资源化利用的同时，减少对环境的污染。
附图说明
21.图1是本发明的整体结构示意图。
22.图中：1—氢气储气瓶、2—氮气储气瓶、3—流量控制阀、4—混合器、5—排气阀、6—气化炉、7—测温热电偶、9—第一电加热器，13—第二电加热器、8—进料口、10—真空泵、11—冷凝管、12—冷凝器、14—未反应气体回收瓶。
具体实施方式
23.下面结合具体实施案例对本发明作进一步详细说明。
24.本发明提供一种回收城市固废焚烧炉飞灰中有价值元素的方法，具体如下：
25.将城市固废焚烧炉飞灰压制成多孔的块体；
26.将所述多孔的块体置于还原气氛中加热至低于目标飞灰变形温度100
‑
150℃对其中的金属进行气化，得到金属蒸气；飞灰在加热时，加热速率不高于25℃/min；
27.将所述金属蒸气在真空状态下进行分级冷凝得到的冷凝物进行回收，所述分级冷
凝的冷凝温度根据金属蒸气的冷凝温度而定；
28.将30～100μm的城市固废焚烧炉筛分出来压制成多孔的块体，其中所述孔为变径孔，孔径为8mm
‑
15mm，所述孔在块体上随机或具有规则地排布，所述孔的体积占块体体积的35％
±
5％。
29.参考图1，一种回收城市固废焚烧飞灰中有价值元素的装置，包括氢气储气瓶1、氮气储气瓶2、流量控制阀3、混合器4、排气阀5、气化炉6、测温热电偶7、第一电加热器9、第二电加热器13、进料口8、真空泵10、冷凝管11、冷凝器12和未反应气体回收瓶14；沿着介质流向，混合器4的上游布置有两个氢气储气瓶1和氮气储气瓶2，氢气储气瓶1和氮气储气瓶2上均设有一个流量控制阀3，混合器4的下游布置有气化炉6，通过气体管道两两相连接。气化炉6与冷凝器12通过管道相连接，气化炉6上布置有进料口8和排气阀5，排气阀5设置在气化炉6的顶部，作为一个可选实施例，进料口8开设在气化炉6的中部，气化炉6内部设置有一个用于存放飞灰压制出的块体的旋转装置，采用自整定pid控制的第一电加热器9加热飞灰，冷凝器12顶部设有一个真空泵10，冷凝器12中间设有四个布满冷凝片的冷凝管11，底端设有第二电加热器13，出口处连接有未冷凝气体回收瓶14。
30.参考图1，本发明所述热电偶将气化炉和冷凝管的温度实时反馈至温度控制器中，温度控制器根据温差实时控制加热器的启停，还可以增加控制器，将热电偶的温度数据实时反馈至控制器，控制器根据实际温度控制循环冷却水的输入量。
31.飞灰收集槽外接于除尘器的排灰出口，除尘器的排灰出口与焚烧炉相连接，飞灰收集槽用于收集城市固废焚烧所产生的飞灰，接着将收集槽中的飞灰输送到筛选系统中，将粒径为30～100μm的飞灰筛分出来，然后经通过自动给料机将筛选过后的飞灰定量送到成型模具中挤压成多孔的六面体或其他多面体形状，孔为盲孔和通孔呈一定组合的排列，且尺寸设计为变径，为8mm
‑
15mm，孔在六面体表面均匀或者交错或任意形式分布，并且其体积约占六面体体积的35％，最后将六面体边体状的飞灰经进料口输送到气化炉的旋转装置中，飞灰均匀的分布在旋转装置中，在还原气氛中经第一电加热器加热后气化，气化后的金属通过气体管道在冷凝器中的不同的冷凝管11上冷凝，最后未冷凝的气体通过冷凝器底端出气口进入未冷凝气体回收瓶14中。
32.当然，本发明所述块体可以是柱体，也可以是球状体，还可以是多面体，具体形状并不受限制，所述块体上设多个变径孔，所述孔可以是盲孔也可以是通孔。
33.城市固废焚烧飞灰中的重金属主要包括al、fe、zn、pb、cu、cd、cr等，本装置回收的目标金属为zn、pb、cu、cd。
34.本发明所述第一电加热器和第二电加热器采用自整定pid控制的电加热器，设定最高加热温度低于目标飞灰变形温度约100
‑
150℃，加热速率不高于25℃/min。
35.气化炉中的还原气氛是由氢气和氮气共同营造的，氢气和氮气的流量配比为10:90。
36.冷凝器12底端设置第二电加热器13给冷凝器加热，通过控制冷却水的流量及流速使每个冷凝管处在不同的温度区间内，沸点高的金属蒸气在温度较高的冷凝片上冷凝，沸点低的金属蒸气在温度较低的冷凝片上冷凝。
37.在每个冷凝管处均放置一个热电偶，用于实时监测冷凝盘处的温度，便于及时调整第二电加热器的加热温度和冷凝水的流量及流速。
38.冷凝片采用的是材料为合金钢的三角肋片，为便于回收冷凝片和冷凝管上冷凝物冷凝片以60
°
的间隔均匀分布在陶瓷冷凝管上，每隔一分钟将回收装置中冷凝管取出更换，清理回收冷凝片上的冷凝物后再放入冷凝器中继续冷凝。
39.作为可选的，冷凝片可以采用平行于冷凝管轴向直肋片。
40.当然所述冷凝片也可以无规则地分布在冷凝管的表面，并且冷凝片表面也可以设进一步设置凹凸纹路，以增大冷凝片的表面积，所述凹凸纹路均进行平滑过渡。
41.作为本发明一种可选的实施例，所述冷凝管采用盘管形式，所述盘管的每一圈之间设气体通过的间隙。
42.所用的焚烧飞灰样品取自某固废焚烧中心的垃圾焚烧炉，该焚烧飞灰中主要金属元素为铁、铝、铬、镉、铜、锌和铅等。首先将预处理过后的多孔六面体状(可以根据需要制成其他形状)飞灰经气化炉6的进料口8放入旋转装置中，打开流量控制阀3，氢气和氮气自瓶中流出，氢气和氮气流量配比为10：90，在混合器4中混合后经进气口通入气化炉6中，气化炉6的出气口关闭，接着开启真空泵10，维持冷凝器12中的真空度为10帕，然后打开第一电加热器9和第二电加热器13，以20℃/min的温升速率加热至设定温度1000℃后保持恒温，每隔两个小时打开气化炉6和冷凝器12上的出气口以及冷凝器12上的进气口，通过控制冷却水的流量及流速使得冷凝管处在不同得冷凝温度区间内，每隔一分钟将回收装置中的冷凝管取出，清理回收完冷凝物后再将冷凝管放回冷凝器中继续冷凝未反应的气体通入到未冷凝气体回收瓶14中，待反应结束后，关闭真空泵和电加热器。
43.作为另一个示例，冷凝器12底端设置第二电加热器13对给冷凝器12加热，使冷凝器12的温度达到1000℃，通过控制冷却水的流速，使得冷凝管处于不同的温度区间内；用于冷凝回收cu蒸气的冷凝管11处在冷凝器12的上部，对应的冷凝温度区间为800
‑
1000℃，回收zn和pb蒸气的冷凝管11处在冷凝器12的中部，对应的冷凝温度区间分别为300
‑
400℃和200
‑
300℃，用于回收cd金属的冷凝管11处在冷凝器12的下方，对应的冷凝温度区间为100
‑
200℃，将未冷凝的气体回收至未冷凝气体回收瓶14中。
44.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明所述方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为在本发明权利要求的保护范围内。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的权利要求的范围内。