一种垃圾焚烧飞灰脱盐制备水泥生料球的方法及其应用
技术领域
本发明涉及飞灰处理领域，具体公开了一种垃圾焚烧飞灰脱盐制备水泥生料球的方法及其应用。
背景技术
据国家统计局统计结果显示，2018年我国生活垃圾清运量为22802万吨，在全国600多个城市中，已有超过60%的大中城市被垃圾包围，有1/4的城市遭受“垃圾围城”。目前，对大体量生活垃圾的最佳处理方法是垃圾焚烧，通过焚烧不仅能去除垃圾中的可燃性致癌物、病毒性污染物、剧毒有机物，同时由于垃圾具备较高的燃烧热，可以用来焚烧发电。
城市生活垃圾的大量堆积占用土地资源，造成严重的环境污染。利用城市生活垃圾燃烧发电是减量化处理的主要手段，垃圾的焚烧产生20%飞灰和80%炉渣。飞灰因含有高浓度的 Pb，Cd，Hg，Zn，Cu 等重金属以及二噁英、呋喃等高毒性有机污染物，在中国被定为严格管控的危险废物而严禁使用。
但是，在垃圾焚烧过程中，挥发态的重金属及二噁英等容易富集在飞灰颗粒表面，导致飞灰含有很高的重金属浸出毒性和二噁英类污染物，被我国《国家危险废物名录》、美国环境保护署（USEPA）、日本及欧盟标准均列为危险废弃物，必须经过特殊处理才能进入生态环境。
对于飞灰中重金属固化处理已有很多研究，包括水泥固化法、沥青固化法、化学药剂稳定法、烧结法、熔融法、地聚合物固化法等方法。由于飞灰中含有CaO、SiO2和Al2O3，和水泥原料成分相似，同属Ca-Si-Al体系。但是目前最佳且最具有产业化运用前景的处理方法是采用水泥窑协同处置。
不过，在对垃圾焚烧飞灰进行荧光分析测试后发现，飞灰中含有20%以上的氯元素。在用垃圾焚烧飞灰烧制水泥熟料时，在水泥窑内1400-1500度的高温煅烧条件下，熔融态的含氯飞灰会通过耐火砖缝隙渗入，与窑体外壳的金属结构接触，破坏窑体结构。另外飞灰中的碱金属、氯等元素在水泥窑内循环富集，在窑尾预分解系统冷却融结引起结皮，轻则影响窑的正常生产和水泥产品质量，重则会导致闭窑。同时垃圾焚烧飞灰中的氯、碱金属等元素会对生态水泥熟料产生危害。
为了解决飞灰中含氯过高的问题，目前普遍采用水洗的方法来去除飞灰中的氯盐。但实践证明，由于飞灰属于超细粉体，本身能够从空气中吸附大量的水，在其表面形成羟基层和多层物理吸附水，若采用常规粉体水洗方法处理，则存在水洗后，浆体中粉液混合难以分离，即使采用压滤脱水的方法，仍有40%以上的水难以脱除，并且由于分理出的液体浑浊，后续过滤液无害化处理难度大的问题，后续的净化处理成本高昂。水洗后的飞灰含水率高，干燥处理能耗较大，成本大幅增加，极大地限制了其资源化应用的发展。
CN106734045A公开了一种生活垃圾焚烧飞灰湿法模袋处理方法，通过飞灰制浆、飞灰料浆输送和飞灰料浆脱水/水化固结3个环节，充分且同时实现了飞灰均化、重金属和二恶英解毒、脱盐以及自发水化固结成型；固结后模袋体内的飞灰满足相关国家标准要求，可以将固结后的模袋体进行填埋处置，也可以将飞灰从模袋中取出进行资源化利用；从模袋中排出的液体，利用填埋场空间进行自然蒸发浓缩、经重金属和二恶英回收及过滤除杂后循环利用，或进一步提盐后循环利用。本发明还公开了一种生活垃圾焚烧飞灰模袋法处理系统。本发明能够避免飞灰传统干法填埋、以及水洗预处理技术大规模工业应用中存在的不足，可实现飞灰均化、解毒、脱盐、自发水化固结、填埋一体化处理，也为后续的飞灰资源化利用奠定了基础，处理成本低，能够应用于大规模的工业生产。但通过分析可知，此专利存在严重的技术问题，比如“飞灰：水=1:2-20” 用水量惊人，没有商业转化价值，“改性模袋充满飞灰料浆后静置2-20天”，处置时间太长，实际生产无法运转，效率低下，没有商业转化价值；飞灰的含水率很好，即使强力压滤其含水率依然高达30%以上，该技术采用模袋自然渗滤，其含水率可能高达60%以上，盐份依然溶解在包含的水体中，脱盐效果有限，而且过滤的水质浑浊，用水量这么大，净化的代价很高；飞灰像泥巴一样，即使长时间约没有什么自发水化反应，永远都不会自身固化，如此大的用水量，即使加入20%的水泥也不会固化。不固化处理就没法填埋，因此，该专利不足以影响后续专利的申请。
CN111515225A公开了一种垃圾焚烧飞灰的处理方法，所述处理方法包括如下步骤：(1)使用清洗液对飞灰进行清洗，固液分离后得到清洗残液与脱盐飞灰；(2)混合螯合剂、稳定剂以及步骤(1)所得脱盐飞灰，进行重金属稳定化处理，得到重金属稳定飞灰；(3)混合水泥与步骤(2)所得重金属稳定飞灰，进行固化包裹，装袋密封，完成对飞灰的处理。本发明首先对飞灰进行脱盐处理，使飞灰得到减量化处理；而且溶解盐的脱除有利于固化包裹后的稳定性，减少飞灰长时间填埋带来的重金属离子再次析出的风险，从而实现对飞灰的有效处理。该发明虽然说效果是有的，但是存在公开不充分，在“第一步：飞灰水洗，固液比为1:(1-10)、搅拌的时间为5-30min、静置的时间为30-60min，”效率太低了，最关键也是最难的是固液分离，却没有公开。另外，该专利中并未公开水洗脱盐，在实际应用中存在着很大的问题。
发明内容
针对现有水洗飞灰烧制水泥熟料存在的问题，本发明提供了一种垃圾焚烧飞灰脱盐制备水泥生料球的方法及其应用。该方法将垃圾焚烧飞灰作为硅酸盐水泥熟料的硅质原料和水泥生料所需的其他材料混合，通过水硬性胶凝材料将其固结成团、浸泡脱盐，制备无盐水泥生料球。
一种基于垃圾焚烧飞灰脱盐制备水泥生料球的方法，以垃圾焚烧飞灰作为硅酸盐水泥熟料的硅质原料，再与钙质原料、铁粉混合，通过水硬性胶凝材料固结成团、浸泡脱盐，最后制备得无盐水泥生料球；其中，在飞灰质量占比20%~30%、水硬性胶凝材料质量占比10%~15%的前提下，按照水泥生料配制的三大率值确定钙质原料、铁粉的用量。
作为改进的是，水硬性胶凝材料为硅酸盐系列水泥、碱激发矿渣、地聚合物、硫铝酸盐水泥或磷酸镁水泥中的一种或多种混合。
作为改进的是，钙质原料为石灰石、白垩或电池泥中一种或多种混合。
作为改进的是，所述垃圾焚烧飞灰为生活垃圾焚烧电厂烟气净化系统捕集物和烟道及烟囱底部沉降的飞灰和底灰。
作为改进的是，具体步骤如下：
步骤1，测定所用原材料的化学组成，在飞灰质量占比20%~30%、水硬性胶凝材料质量占比10%~15%的前提下，按照水泥生料配制的三大率值确定钙质原料、铁粉的用量；
步骤2，将各组分混合，在常温下向混合物中加水和减水剂，拌和成干稠的膏体，其中，水和减水剂的精确用量以方便造粒为准；
步骤3，将膏体倒入造粒机中制成粒径为5-20mm的球状颗粒，直至颗粒表面圆润没有裂缝且颗粒之间不相互粘连，即得到待脱盐球状颗粒；
步骤4，将待脱盐球状颗粒静置直至充分固化，充分固化的标准以在水中浸泡不溃散、不泥化为准；
步骤5，将充分固化的颗粒倒入清水池中浸泡0.5-1小时，浸泡固液比控制为1:4-7，保证颗粒中的盐分充分浸出，即得飞灰基脱盐水泥生料球。
有益效果：
与现有技术，本发明一种基于垃圾焚烧飞灰脱盐制备水泥生料球的方法及其应用，具有如下优势：
（1） 脱盐充分，解决了氯盐破坏窑体和影响熟料烧成质量问题
垃圾焚烧飞灰中含有20%以上的氯元素，在用垃圾焚烧飞灰烧制水泥熟料时，在水泥窑内1400-1500℃的高温煅烧条件下，熔融态的含氯飞灰会通过耐火砖缝隙渗入，与窑体外壳的金属结构接触，破坏窑体结构。另外飞灰中的碱金属、氯等元素在水泥窑内循环富集，在窑尾预分解系统冷却融结引起结皮，轻则影响窑的正常生产和水泥产品质量，重则会导致闭窑；同时垃圾焚烧飞灰中的氯、碱金属等元素会对生态水泥熟料产生危害。本发明可以将飞灰中的可溶氯盐充分脱除，从根本上解决了氯盐破坏窑体和影响熟料烧成质量问题；
（2）造粒脱盐，彻底解决了水洗飞灰脱水困难的问题
本发明通过水硬性胶凝材料将飞灰固结成团，利用飞灰与胶凝材料建立力学强度将飞灰粉体固结成飞灰球颗粒，待其充分固化后用清水浸泡，使其中盐分充分浸出，最后将颗粒从浸泡液中取出，实现固液分离，即达到水洗脱盐的目的。从根源上解决了常规水洗飞灰脱盐时超细粉体材料吸水性强、难以实现固液分离而带来的脱盐困难问题。
（3）实现了垃圾焚烧飞灰的高效利用
本发明的垃圾焚烧飞灰基脱盐水泥生料球可以直接用于烧制水泥熟料，简化了水泥熟料生产的许多技术环节，其产业化效率极高。
具体实施方式
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
实施例1
选定垃圾焚烧飞灰掺量20%、 P.O 42.5普通硅酸盐水泥掺量15%的前提下，按照所用原材料的化学组成及水泥生料配制的三大率值设计生料球的精确配合比（按质量百分比计）为：垃圾焚烧飞灰20%，石灰石62%，铁粉3%，P.O 42.5普通硅酸盐水泥15%；
将各组分混合，在常温下向混合物中加水和减水剂，拌和成干稠的膏体，所述水的添加量为垃圾焚烧飞灰、钙质原料、铁粉总质量的15%，减水剂的掺量为垃圾焚烧飞灰、钙质原料、铁粉总质量的1%；
再将膏体倒入造粒机制成3-20mm粒径的球状颗粒，将待脱盐球状颗粒静置7天使其充分固化至遇水不溃散不泥化；
将充分固化的颗粒倒入清水池中浸泡1小时，浸泡固液比为1:5，使其中盐分充分浸出，即得飞灰基脱盐水泥生料球。
用荧光分析仪测得飞灰基脱盐水泥生料球中氯离子含量为0.13%，氯盐的脱除较为充分，达到烧制水泥熟料的质量要求。
实施例2
选定垃圾焚烧飞灰掺量25%、 P.O 52.5普通硅酸盐水泥掺量13%的前提下，按照所用原材料的化学组成及水泥生料配制的三大率值设计生料球的精确配合比（按质量百分比计）为：垃圾焚烧飞灰25%，石灰石59%，铁粉3%，P.O 52.5硅酸盐水泥13%；
将各组分混合，在常温下向混合物中加水和减水剂，拌和成干稠的膏体，所述水的添加量为垃圾焚烧飞灰、钙质原料、铁粉总质量的20%，减水剂的掺量为垃圾焚烧飞灰、钙质原料、铁粉总质量的0.5%；
再将膏体倒入造粒机制成3-20mm粒径的球状颗粒，将待脱盐球状颗粒静置7天使其充分固化至遇水不溃散不泥化；
将充分固化的颗粒倒入清水池中浸泡1小时，浸泡固液比为1:5，使其中盐分充分浸出，即制得飞灰基脱盐水泥生料球。
用荧光分析仪测得飞灰基脱盐水泥生料球中氯离子含量为0.18%，氯盐的脱除较为充分，达到烧制水泥熟料的质量要求。
实施例3
选定垃圾焚烧飞灰掺量30%、 P.I 52.5硅酸盐水泥掺量10%的前提下，按照所用原材料的化学组成及水泥生料配制的三大率值设计生料球的精确配合比（按质量百分比计）为：垃圾焚烧飞灰30%，石灰石57%，铁粉3%，P.I 52.5硅酸盐水泥10%；
将各组分混合，在常温下向混合物中加水和减水剂，拌和成干稠的膏体，所述水的添加量为垃圾焚烧飞灰、钙质原料、铁粉总质量的20%，减水剂的掺量为垃圾焚烧飞灰、钙质原料、铁粉总质量的0.5%；
再将膏体倒入造粒机制成3-20mm粒径的球状颗粒，将待脱盐球状颗粒静置7天使其充分固化至遇水不溃散不泥化；
将充分固化的颗粒倒入清水池中浸泡1小时，浸泡固液比为1:5，使其中盐分充分浸出，即制得飞灰基脱盐水泥生料球。
用荧光分析仪测得飞灰基脱盐水泥生料球中氯离子含量为0.08%，氯盐的脱除较为充分，达到烧制水泥熟料的质量要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
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