垃圾焚燒飛灰兩級水洗資源化中試研究

王雋哲

（嘉興沃特泰科環(huán)保科技股份有限公司上海分公司 上海 200120）

隨著我國對垃圾減量化、資源化處置的不斷重視，生活垃圾的處理方式也在逐漸從最初的填埋處理向焚燒發(fā)電轉(zhuǎn)變。到2025 年底，全國城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理能力要求達(dá)到80 萬t/d左右，城市生活垃圾焚燒處理能力要求占比65%左右［1］。

垃圾焚燒過程中，不可避免的會有飛灰產(chǎn)生，并在煙氣處理中通過布袋除塵器被捕集［2］。飛灰產(chǎn)生量巨大，以爐排爐為例，其飛灰產(chǎn)量約為垃圾處理量的3%～5%。飛灰中含有大量可溶性鹽，通過填埋處理會有較大的環(huán)境風(fēng)險；同時飛灰也對煙氣中重金屬、二噁英有很強(qiáng)的吸附作用［3-4］。因此垃圾焚燒飛灰在《國家危險廢物名錄》中屬于單一類別產(chǎn)量較大危廢，亟需綠色工藝實(shí)現(xiàn)無害化、資源化處置。

1 飛灰處置技術(shù)對比

目前國內(nèi)外飛灰處置技術(shù)情況匯總見表1。國外除了填埋處理，較常見的是利用等離子體熔融進(jìn)行熱處理。

表1 飛灰處置技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)對比

從政策和技術(shù)層面出發(fā)，飛灰水洗結(jié)合水泥窯協(xié)同處置是目前最適合推廣發(fā)展的資源化路徑。該工藝使飛灰中的可溶性鹽經(jīng)過水洗過程轉(zhuǎn)移到液相，后利用蒸發(fā)結(jié)晶轉(zhuǎn)化為工業(yè)用鹽；同時脫氯后的飛灰可以部分替代水泥生產(chǎn)的原材料，利用現(xiàn)有水泥窯，通過接近1 400 ℃的高溫可以將飛灰中的重金屬固化在玻璃體晶格中，而少量二噁英也在高溫條件下徹底分解，實(shí)現(xiàn)飛灰無害化、資源化處置。

2 中試產(chǎn)線概況

中試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料，設(shè)計處置量為每天6 t 干灰，平均投加量250 kg/h。中試線主要由飛灰輸送系統(tǒng)、飛灰兩級水洗系統(tǒng)、泥水分離系統(tǒng)、高鹽水處理系統(tǒng)以及高鹽水蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)組成。

水洗用水主要為蒸發(fā)回用水，少量工業(yè)水作為補(bǔ)充。垃圾焚燒飛灰樣品主要成分測試結(jié)果見表2。

表2 飛灰樣品主要成分分析結(jié)果 （%）

3 工藝方案介紹

中試系統(tǒng)采用兩級逆流水洗，系統(tǒng)總體分為兩部分。一部分用于對飛灰進(jìn)行水洗脫氯，包括飛灰輸送系統(tǒng)、飛灰兩級水洗系統(tǒng)、泥水分離系統(tǒng)；另一部分用于精制高鹽水并制備鈉、鉀鹽，包括高鹽水處理系統(tǒng)和高鹽水蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。

3.1 水洗工藝

飛灰和水以固定的水灰比連續(xù)進(jìn)料在一級水洗罐進(jìn)行混合攪拌，其中一級水洗的水來自二級固液分離回用；一級水洗后，混合物料進(jìn)入一級固液分離，分離后液相進(jìn)入高鹽水處理系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理，固相轉(zhuǎn)移到二級水洗罐進(jìn)行深度水洗。二級水洗的液體為蒸發(fā)器蒸餾水回用以及少量的補(bǔ)充工業(yè)用水，二級固液分離后產(chǎn)生的固體為含水率在30%以內(nèi)的脫氯飛灰。中試處置量為6 t/d，處置量相對較少。處理后飛灰無需干燥即可直接投加到水泥窯進(jìn)行高溫處理，少量水分帶入不會影響到窯體運(yùn)行工況。

水洗部分的工藝特點(diǎn)有以下2 點(diǎn)。

（1）飛灰是一種真實(shí)密度較小的粉塵，易吸收潮氣結(jié)塊。而飛灰和水在容器中混合攪拌過程會使容器上方空間非常潮濕，飛灰下落口有逐漸堵塞的趨勢，需要對相應(yīng)的管路進(jìn)行了振打和鼓氣處理。

（2）由于固液分離機(jī)械耗電量大且設(shè)備價格高，根據(jù)工藝需求，本系統(tǒng)一級固液分離利用重力分離的方式，可以節(jié)省運(yùn)行成本；由于水泥窯進(jìn)料對固相中的含水率有較嚴(yán)格控制要求，二級固液分離采用臥螺離心機(jī)深度脫水。

垃圾焚燒飛灰水洗工藝流程框見圖1。

圖1 垃圾焚燒飛灰水洗工藝流程框圖

3.2 高鹽水處理工藝

一級分離產(chǎn)生的鹽水由中間水池存儲，隨后進(jìn)入脫鈣池，使用碳酸鈉沉淀脫鈣。脫鈣的同時，碳酸根對重金屬如Hg 等也有沉淀作用，沉淀產(chǎn)生的重金屬轉(zhuǎn)移到固相再返回至脫氯飛灰中，最終通過水泥窯實(shí)現(xiàn)高溫熔融無害化處理。脫鈣池懸浮物經(jīng)過絮凝后進(jìn)入到微濾系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動化的過濾及反沖洗過程。經(jīng)過調(diào)節(jié)pH 液體達(dá)到中性，最終經(jīng)吸附過程深度去除殘留的有機(jī)物和重金屬，保證進(jìn)入蒸發(fā)器的液相中僅含有可溶性NaCl 和KCl。

高鹽水處理中微濾部分循環(huán)產(chǎn)生的固液混合相輸送至一級固液分離，可充分利用一級分離的處置能力，在不影響工藝的同時無需單獨(dú)為脫鈣池配備脫水設(shè)備。通過特定的控制邏輯即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。

高鹽水處理部分的工藝特點(diǎn)有以下3 點(diǎn)。

（1）系統(tǒng)中的絮凝過程選用聚鐵類混凝劑，相比聚鋁類混凝劑更適宜用于飛灰處置的堿性環(huán)境。

（2）微濾系統(tǒng)具有較高的耐受性，適合處理水相中殘留的微量飛灰及脫鈣池產(chǎn)生的懸浮顆粒。過濾后的清液中懸浮固體可降至200 mg/L 以下，顆粒度＜5 μm，滿足蒸發(fā)器進(jìn)料要求。

（3）吸附柱的設(shè)置既可以去除殘余有機(jī)物，防止蒸發(fā)過程產(chǎn)生的鹽有發(fā)黃或發(fā)黑的現(xiàn)象而影響下游銷售；又可以在末端深度去除重金屬，防止水相中有重金屬殘留。

4 中試成果討論

4.1 飛灰脫氯效果

國標(biāo)《水泥工廠設(shè)計規(guī)范》（GB 50295—2016）規(guī)定了石灰質(zhì)、硅鋁質(zhì)水泥原料主要質(zhì)量指標(biāo)中氯離子含量＜0.03%。以5 000 t/d 水泥產(chǎn)線為例，若水泥原料中添加飛灰比例為3%，則最大飛灰處置量為150 t/d，此時水洗后飛灰中氯離子的含量應(yīng)＜1%。該指標(biāo)較符合單一飛灰處置中心需求。

中試指標(biāo)擬定水洗后飛灰中氯離子的含量＜1%。經(jīng)過對多批洗后飛灰取樣測試取平均值，飛灰中氯離子含量從原來13.4%降低到0.87%，達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。同時測得處置后飛灰含水率為29.2%。水洗脫氯前后飛灰主要關(guān)注指標(biāo)見表3。

表3 水洗脫氯前后飛灰主要成分指標(biāo)對比 （%）

4.2 高鹽水精制效果

飛灰中的可溶性鹽通過兩級水洗轉(zhuǎn)移到液相形成高鹽水。由于鹽水后續(xù)需要進(jìn)入MVR 蒸發(fā)器制鹽，主要關(guān)注的指標(biāo)包括pH 值、硬度（鈣、鎂含量）、懸浮物等。測試結(jié)果匯總見表4。

中性偏堿的pH 值可以防止蒸發(fā)器長期運(yùn)行被腐蝕；較低的鈣鎂含量和懸浮固體含量可以防止蒸發(fā)器結(jié)垢，減少蒸發(fā)器停機(jī)清洗的周期。

經(jīng)過蒸發(fā)器分質(zhì)結(jié)晶后，NaCl 鹽純度≥98.5%，KCl 鹽純度≥85%。

4.3 運(yùn)行成本測算

表5 為中試過程實(shí)測的噸處置成本數(shù)據(jù)，工程化項(xiàng)目上仍需考慮用工成本、設(shè)備折舊等。

表5 噸飛灰處置成本測算 單位：元／t

5 調(diào)試過程問題總結(jié)

5.1 飛灰儲存

中試系統(tǒng)飛灰存儲在100 m3水泥儲倉中。由于飛灰粉末極細(xì)，容易吸收空氣中的水分，且部分飛灰樣品成分中含有CaO，也易通過化學(xué)反應(yīng)吸收水分，導(dǎo)致飛灰在灰倉中易存在粘壁、板結(jié)等導(dǎo)致無法順暢下料。因此在調(diào)試遇到問題后，在灰倉上增加了流化熱風(fēng)、振打等改造。改造后飛灰持續(xù)并穩(wěn)定下料輸送。

5.2 飛灰輸送

由于場地原因，中試上灰倉下料口與罐體進(jìn)料口有30°左右上傾角。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)常用于骨料輸送的螺旋輸送機(jī)對于飛灰輸送存在以下2 個問題：①傾角的存在導(dǎo)致輸送量無法達(dá)到額定值；②由于螺旋輸送的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性及飛灰顆粒過細(xì)的特性，容易出現(xiàn)間歇性堵料的問題。最終換用了管鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)配合星形卸料閥解決了上述問題。

輸送飛灰裝置在向水洗罐下灰過程中很容易產(chǎn)生水和灰的飛濺，進(jìn)而在長期運(yùn)行中不斷在下料口附近堆集，最終導(dǎo)致下料的不暢甚至堵塞，嚴(yán)重時需要停機(jī)人工疏通，極大影響系統(tǒng)整體連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。在后續(xù)改進(jìn)過程中需要針對該部分下料口做特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而避免水灰直接接觸時的液體飛濺問題。

5.3 泥水混合物輸送

泥水混合物輸送中主要面臨以下2 個問題：

（1）飛灰中除了細(xì)粉末，仍難免會有小石子或飛灰自身結(jié)塊產(chǎn)生的直徑在1 cm 以上的顆粒，調(diào)試過程中通過在預(yù)混罐添加篩網(wǎng)得以解決；

（2）在中試調(diào)試中，試驗(yàn)多家焚燒廠產(chǎn)灰。調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)不同來源的飛灰在相同的固液比混合情況下仍有較大的物性差別。主要表現(xiàn)在部分樣品存在堵塞泵體情況。因此在實(shí)際操作中需首先開展物性相關(guān)燒杯實(shí)驗(yàn)，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果適當(dāng)調(diào)整固液比，使中試系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

5.4 液位控制

從控制成本角度出發(fā)，在水洗罐體中采用的是射頻導(dǎo)納液位計，絮凝和水處理等大多數(shù)罐體采用浮球液位計。但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)飛灰水洗液因含鹽量較高（8%～10%左右），運(yùn)行過程中浮球與連桿接觸部分由于縫隙較小容易鹽結(jié)晶而卡死失靈。調(diào)試后期更換了超聲波液位計。

5.5 控制系統(tǒng)

目前對于飛灰水洗工藝路線的梳理有多種不同路線和設(shè)備選擇，但工藝路線相對都較長。這就對協(xié)同每個模塊運(yùn)作的控制系統(tǒng)提出了更高的要求。本次中試過程中對控制系統(tǒng)做了整體設(shè)計，避免了水洗段、脫水段、水處理段的控制由各個設(shè)備廠家配置的模式，較好地做到了各段之間的反饋與協(xié)同。

但在實(shí)際運(yùn)行調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，飛灰作為一種較為特殊的粉末狀固體廢物，其在與水接觸后，需要盡量保證系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。若發(fā)生臨時停機(jī)檢修、系統(tǒng)維護(hù)等工況，則設(shè)備中殘留泥水很容易在干化后形成難處理的堅硬的水泥質(zhì)固體，影響后續(xù)開機(jī)運(yùn)行。這便對系統(tǒng)的清洗過程提出了更高的要求。

后續(xù)改進(jìn)過程中，中試系統(tǒng)針對上述問題重新梳理了控制邏輯，開發(fā)了一套完整的停機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在停機(jī)過程中保證：①水洗罐的自動排空與沖洗；②脫水設(shè)備的自動沖洗；③全清洗過程中無次生固廢或液廢產(chǎn)生。

5.6 廢氣處理

調(diào)試運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)，兩級水洗系統(tǒng)仍有多個工藝段容易出現(xiàn)揮發(fā)性氣體對工作環(huán)境的次生污染。包括水洗飛灰過程由于飛灰中的氧化鈣等堿性物質(zhì)遇水放熱，加速了飛灰中的氨等刺激性氣味物質(zhì)向環(huán)境的溢出。

同時在水洗后飛灰采用皮帶輸送過程中，由于設(shè)備是敞開式的，也容易對環(huán)境氣體造成污染。水處理過程的酸堿調(diào)節(jié)過程，也會面臨氯化氫等揮發(fā)性氣體的溢出。以上問題都需要對整個工作廠房進(jìn)行整體的氣體處理優(yōu)化。采用負(fù)壓抽氣，化學(xué)吸收解吸等方式集中處理。

6 結(jié)論

通過中試試驗(yàn)線的搭建和試運(yùn)行，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了對兩級水洗飛灰資源化處置的工藝驗(yàn)證：

（1）系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計處置量并實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行；

（2）處置后產(chǎn)品中洗后飛灰氯含量達(dá)到入水泥窯協(xié)同處置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，高鹽水蒸發(fā)后鹽產(chǎn)品可以作為工業(yè)鹽再利用，蒸發(fā)產(chǎn)水回用洗灰可實(shí)現(xiàn)零排放。

同時，調(diào)試過程中也暴露了部分操作及設(shè)備選型方面的問題，為后續(xù)工業(yè)化項(xiàng)目積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

飛灰資源化處置符合國家政策導(dǎo)向，市場又處于起步階段，具有極高的市場價值和社會價值。從中試試驗(yàn)可以看出：飛灰兩級水洗工藝可以較好地實(shí)現(xiàn)飛灰在水泥窯協(xié)同處置中的預(yù)處理目標(biāo)。該工藝無次生廢物產(chǎn)生，在解決危廢污染的同時做到了環(huán)境友好。