一種由垃圾焚燒飛灰和生物質(zhì)熱解氣化殘渣制備的多孔生物陶粒及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明提供了一種利用垃圾焚燒飛灰和生物質(zhì)熱解殘渣制備的重金屬廢水處理用多孔生物陶粒，目的是對垃圾焚燒飛灰和生物質(zhì)熱解殘渣進行資源化利用，不僅有效地降低環(huán)境負荷，還可以提高廢棄資源的附加值。
【背景技術】
[0002]隨著我國城市人口的增長、經(jīng)濟的發(fā)展和居民生活水平的提高，生活垃圾的排放量日益增多。生活垃圾焚燒法由于具有占地面積小、減容化和無害化效果顯著以及熱能利用等優(yōu)點，正成為許多土地和能源資源緊張的國家處理城市垃圾、開發(fā)新能源的重要手段。飛灰是垃圾焚燒二次污染的主要載體，因含有高浸出毒性的重金屬以及高毒性當量的二噁英等污染成分被普遍認為是一種危險廢物，因此垃圾焚燒飛灰的無害化和資源化受到越來越廣泛的關注。
[0003]目前飛灰處置的常用方法主要有:水泥固化、瀝青固化、熔融固化技術、化學藥劑固化穩(wěn)定化等，經(jīng)過固化穩(wěn)定化處理后的產(chǎn)物，如滿足浸出毒性標準或者資源化利用標準，可以進入普通填埋場進行填埋處置。隨著填埋場地的減少，處置成本的增加，如何采取適當?shù)募夹g處理焚燒飛灰，并達到穩(wěn)定化、資源化和無害化的目標，已成為當前一項重要的科研項目。生活垃圾焚燒飛灰和天然沸石、粉煤灰一樣，具有高比表面積，還含有Si02和A1203等礦物質(zhì)，因此可用于制備陶粒。但是目前用垃圾焚燒飛灰燒制的陶粒多用于建筑材料方面，而在廢水處理領域的應用還處于空白。另外，飛灰中含有很高的鹽分(主要是氯鹽)和豐富的重金屬資源等，而現(xiàn)有的飛灰燒制陶粒的方法并未對這些重金屬資源進行回收利用，相反這些重金屬物質(zhì)在氯元素的存在下還存在著很大的浸出風險，會對周邊環(huán)境造成潛在的危害。
[0004]另一方面，重金屬廢水已經(jīng)成為對環(huán)境污染最嚴重和對人類危害最大的工業(yè)廢水之一，廢水中重金屬種類、含量及其存在形態(tài)隨不同生產(chǎn)種類而異，變化很大，如不經(jīng)處理直接排放，必然對環(huán)境造成嚴重污染，而不經(jīng)回收就排放，則必然造成資源的極大浪費。我國水體重金屬污染問題十分突出，江河湖庫底質(zhì)的污染率高達80.1%。太湖底泥中總銅、總鉛、總鎘含量均低于輕度污染水平；黃浦江干流表層沉積物中鎘超背景值2倍、鉛超I倍、汞含量明顯增加；蘇州河中，鉛全部超標、鎘為75%超標、汞為62.5%超標。城市河流有35.11%的河段出現(xiàn)總汞超過地表水III類水體標準，18.46%的河段面總鎘超過III類水體標準，25%的河段有總鉛的超標樣本出現(xiàn)。全國近岸海域海水采樣品中鉛的超標率達62.9%，最大值超一類海水標準49.0倍；銅的超標率為25.9%，汞和鎘的含量也有超標的現(xiàn)象，可見，水體重金屬污染已成為我國重要的環(huán)境污染問題，研究開發(fā)重金屬污染廢水處理的水處理材料成為當務之急。有研究表明生物質(zhì)熱解殘渣制得的吸附劑對于鎘、鉛、六價鉻廢水都有一定的吸附效果，對于重金屬污染廢水具有一定的凈化作用，用于重金屬廢水處理材料的制備是可行的。而生物質(zhì)熱解-氣化殘渣含有一些殘?zhí)?，如果能將生物質(zhì)熱解殘渣通過一定的化學手段制備用于重金屬廢水處理的化學材料，將為生物質(zhì)氣化殘渣綜合利用提供一種新的途徑，也是生物質(zhì)熱解殘渣綜合利用途徑的一個新的突破。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有垃圾焚燒飛灰制備陶粒的不足與缺陷，提供一種垃圾焚燒飛灰和生物質(zhì)熱解殘渣協(xié)同制備的多孔生物陶粒，本發(fā)明制備所得的多孔生物陶粒產(chǎn)品整體形態(tài)完好，外表粗糙且孔隙發(fā)達，不僅能實現(xiàn)垃圾焚燒飛灰和生物質(zhì)熱解-氣化殘渣的綜合利用，還能為重金屬廢水處理帶來新的材料，節(jié)省廢水處理材料的成本，且易于大規(guī)模工業(yè)化應用。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明通過以下技術方案予以實現(xiàn):
[0007]—種由垃圾焚燒飛灰和生物質(zhì)熱解氣化殘渣制備的多孔生物陶粒，由質(zhì)量百分比為25?45%的經(jīng)過含氯氣化劑熱處理后的垃圾焚燒飛灰、5?15%的生物質(zhì)熱解氣化殘渣、10?30%的粉煤灰、5?15%的電氣石和15?35%的粘土制備而成；制備方法為:將生活垃圾焚燒飛灰在含氯氣化劑存在的條件下經(jīng)過高溫800?1000°C處理后得到的殘余灰渣、生物質(zhì)經(jīng)過低溫熱解-高溫水蒸汽氣化后得到熱解殘渣，與粉煤灰、粘土、成孔劑混合，經(jīng)過造粒、干燥及850?1050°C的高溫焙燒得到多孔生物陶粒。
[0008]該多孔生物陶粒的具體制備方法包括以下步驟:
[0009](I)垃圾焚燒飛灰的氣化處理:把垃圾焚燒飛灰與含氯氣化劑混合，在800?1000°C下焙燒0.5?3h，所述含氯氣化劑質(zhì)量分數(shù)為2?20wt% ;焙燒產(chǎn)生的二次飛灰通過布袋除塵器收集以回收利用，焙燒后的殘余飛灰收集作為后續(xù)步驟的原材料之一；
[0010]氣化處理的原理為:重金屬通過與含氯氣化劑中的氯離子結(jié)合成重金屬氯化物，重金屬氯化物在高溫焙燒下?lián)]發(fā)。根據(jù)垃圾焚燒飛灰中重金屬種類和含量，調(diào)整含氯氣化劑的種類與用量、氣化溫度和時間，來達到最佳的重金屬分離效果。另外，在高溫中，飛灰中的二噁英分解。
[0011](2)生物質(zhì)熱解氣化:將生物質(zhì)原料置于兩段式熱解氣化反應爐中，先在反應爐內(nèi)的上段熱解爐膛中，在常壓、絕氧或缺氧的條件下控制熱解爐膛反應溫度在300?600°C進行低溫熱解5?30s ;然后熱解后的焦炭下行至反應爐的氣化爐膛，在底部進來的水蒸汽或水蒸汽/空氣的混合氣體的作用下，在700?900°C條件下進行高溫水蒸汽氣化2?10s，得到生物質(zhì)熱解-氣化殘渣。
[0012](3)原材料的預處理:將原材料干燥后，進行破碎，并過40?100目篩。
[0013](4)將步驟(3)預處理的原材料按以下重量份配比混合并攪拌均勻:氣化劑熱處理后的垃圾焚燒飛灰25?45%、生物質(zhì)熱解-氣化殘渣5?15%、電氣石5?15%、粉煤灰 10 ?30%、粘土 15 ?35% ；
[0014](5)造粒:將水加入到步驟(4)混合均勻的原材料中，水的加入量為原材料總重量的30?50%，攪拌、造粒成粒徑為2?15mm的顆粒。
[0015](6)干燥:將步驟(5)獲得的顆粒放入干燥箱中105°C條件下干燥至含水量小于10%。
[0016](7)焙燒:將經(jīng)過步驟(6)干燥的顆粒，按10?30°C /min的升溫速率升溫至300?500°C的預熱溫度后，預熱15?35min ;按5?15°C /min的升溫速率升溫至850?1050°C的焙燒溫度后，焙燒30?90min ;在3?5h內(nèi)勻速降溫至150°C，后緩慢降溫至室溫，即制得所要的多孔生物陶粒。
[0017]優(yōu)選地，在氣化處理步驟中，含氯氣化劑為氯化鉀、氯化鈣、氯化鈉、氯化鎂、氯化鋁、氯化鐵中的一種或兩種以上的混合。
[0018]本發(fā)明所選用的生物質(zhì)原料為作物秸桿、稻殼、木肩或其他可燃燒的有機廢棄物。
[0019]本發(fā)明所選用的粘土為高嶺土、膨潤土或凹凸棒粘土。
[0020]本發(fā)明是考慮到對殘余飛灰和生物質(zhì)熱解殘渣綜合利用，結(jié)合多孔物質(zhì)對重金屬廢水處理系統(tǒng)的強化作用，利用垃圾焚燒飛灰和生物質(zhì)熱解殘渣來燒制多孔生物陶粒，與此同時，將二噁英類物質(zhì)在高溫進行分解，降低飛灰燒制的陶粒產(chǎn)品的毒性，不僅制備成本低，經(jīng)濟效益好，還能實現(xiàn)垃圾焚燒飛灰和生物質(zhì)熱解殘渣的無害化、資源化處理，并為重金屬廢水處理領域帶來一種新型的功能材料，具有環(huán)保和經(jīng)濟價值。
[0021]與已有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0022]1.本發(fā)明中作為主要原料的垃圾焚燒飛灰是經(jīng)過含氯氣化劑熱處理過的，因此飛灰中的二噁英在高溫下得到了分解，而重金屬得到了氣化脫除，一方面降低了飛灰中二噁英和重金屬的污染毒性，另外一方面氣化得到的重金屬氯化物還可以進行進一步的回收利用，既實現(xiàn)了廢棄物的無害化處理，又實現(xiàn)了資源的再回收利用，具有一定的經(jīng)濟效益。
[0023]2.本發(fā)明制備的磁性生物陶粒由于含有一定的磁性物質(zhì)，對廢水處理中微生物的降解速率具有一定的促進作用，可以強化磁性生物陶粒對廢水的處理效果，能為廢水處理提供一種新的功能陶粒生產(chǎn)方法，具有很好的環(huán)保價值。
[0024]3.本發(fā)明制備方法簡單，易于大規(guī)模工業(yè)化應用，而且磁性生物陶粒的制備拓展了垃圾焚燒飛灰制備高附加值產(chǎn)品的利用途徑，同時也為相關磁性生物陶粒的生產(chǎn)提供了新的原料和工藝，具有較好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。
【具體實施方式】
[0025]實施例1:垃圾焚燒飛灰氣化處理和生物質(zhì)熱解氣化
[0026]垃圾焚燒飛灰的氣化處理:把垃圾焚燒飛灰與含氯氣化劑混合，在800?1000°C下焙燒0.5?3h，所述含氯氣化劑質(zhì)量分數(shù)為2?20wt% ;焙燒產(chǎn)生的二次飛灰通過布袋除塵器收集以回收利用，焙燒后的殘余飛灰收集作為后續(xù)步驟的原材料之一；
[0027]根據(jù)垃圾焚燒飛灰中重金屬種類和含量，調(diào)整含氯氣化劑的種類與用量、氣化溫度和時間，來達到最佳的重金屬分離效果。本發(fā)明中，含氯氣化劑為氯化鉀、氯化鈣、氯化鈉、氯化鎂、氯化鋁、氯化鐵中的一種或兩種以上的混合。
[0028]生物質(zhì)熱解氣化:將生物質(zhì)原料置于兩段式熱解氣化反應爐中，先在反應爐內(nèi)的上段熱解爐膛中，在常壓、絕氧或缺氧的條件下控制熱解爐膛反應溫度在300?600°C進行低溫熱解5?30s ;然后熱解后的焦炭下行至反應爐的氣化爐膛，在底部進來的水蒸汽或水蒸汽/空氣的混合氣體的作用下，在700?900°C條件下進行高溫水蒸汽氣化2?10s，得到生物質(zhì)熱解-氣化殘渣。
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