垃圾焚烧飞灰与赤泥共还原焙烧协同利用的基础研究

Municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash and red mud are hazardous waste and industrial solid waste that need to be treated urgently in China. High temperature disposal is one of the resource utilization technologies for solid waste in China and other countries. By applying multidisciplinary theories and methods from metallurgical engineering, mineral processing and environmental engineering, this research proposes a technique of co-reduction roasting process for the collaborative utilization of MSWI fly ash and red mud based on the complementarity of fly ash and red mud in their chemical and mineral compositions during high temperature roasting. The synergistic effects of carbon, calcium and heavy metals in fly ash and iron, silicon and aluminum minerals in red mud on the co-reduction process will be systematically studied to achieve a high-efficient transformation of fly ash and red mud to iron alloy and amorphous material The distribution and migration mechanism of heavy metals in alloy phase, slag phase and vapor phase during the co-reduction process will be studied to promote the separation and recovery of heavy metals. The evolution rule and regulatory mechanism of the microstructure of the roasting products will also be studied to make sure the microstructure favoring the separation of iron alloy and amorphous material. Based on this technique, valuable metals and other valuable substances in red mud and fly ash will be recovered via iron alloy and amorphous material, respectively, and thus fly ash and red mud can be utilized simultaneously as resources with high value.

垃圾焚烧飞灰和赤泥是我国亟待处理的危险废物和工业固废。高温处置是国内外固废资源化利用技术的重点发展方向之一。基于高温焙烧过程中飞灰和赤泥在化学组分和矿物组分上的互补性，本项目综合运用环境工程、冶金工程和矿物加工工程多学科交叉融合的理论及方法，提出飞灰和赤泥共还原焙烧协同利用工艺，系统研究飞灰中的碳、钙、重金属组分和赤泥中的铁、硅、铝组分对共还原体系的协同增效效应，实现飞灰和赤泥向铁合金和非晶态材料的高效转化；研究飞灰与赤泥共还原焙烧体系内重金属在合金相、渣相和气相中的分布规律及迁移转化特性，促进重金属的定向分离回收；研究焙烧过程中焙烧产物的微观形貌演变规律和调控机制，构建易于铁合金和非晶态材料分离的微观结构。基于该工艺，赤泥和飞灰中的有价金属和其它物质分别以铁合金和非晶态材料的形式得到回收，实现飞灰和赤泥的同步高值资源化利用。

基于高温焙烧过程中飞灰和赤泥在化学组分和矿物组分上的互补性，本论文提出飞灰和赤泥共还原协同利用工艺，为我国飞灰和赤泥的安全、高值资源化利用提供了一条可供选择的全新技术途径。.通过对飞灰和赤泥的物理化学性质研究发现，在SiO2-Al2O3-CaO的矿物体系中，飞灰为高钙低硅铝体系，赤泥为低钙高硅铝体系，两者呈现较好的互补性，为高温造渣提供条件。此外，飞灰C含量在7.53~12.53%，赤泥的Fe2O3含量42.51~45.60%，为还原和金属铁的形成提供条件；飞灰中Cl含量在17.63~28.29%，为挥发性重金属挥发提供条件。研究发现，飞灰的高CaO含量是导致高温熔融玻璃化难以实现的主要原因，若要实现飞灰熔融玻璃化，则需要均衡飞灰体系内的SiO2和Al2O3的含量。.通过飞灰用量、还原时间和还原温度实验，确定垃圾焚烧飞灰共还原的最佳条件如下：飞灰和赤泥用量配比为3:7，共还原时间为90min，共还原温度为1250℃。在最佳还原条件下，挥发性重金属Cd、Pb和Zn挥发率为98.95%、98.74%和85.75%，亲铁重金属Cu、Ni和Cr在铁相分布率分别为72.36%、82.41%和55.22%，获得Fe品位94.82%，Cu品位0.80%，Ni品位0.63%，Cr品位0.38%的铁合金产品。通过对共还原产品分析，最佳条件下得到的铁合金产品，可以用作耐候钢的原材料。得到的玻璃材料玻璃含量达到95.73%，酸溶失率为1.38%，毒性浸出结果均满足相关标准要求。玻璃材料具有粒化高炉矿渣相似的性质，可作为胶凝材料和微晶玻璃的原料。二次飞灰产品主要由Cl、K、Na、Zn、Pb和Cd组成，Pb和Zn的含量超过4%，达到了工业应用级品位。.与飞灰直接熔融相比，共同还原可促进系统熔融，飞灰中的碳、钙、重金属组分和赤泥中的铁、硅、铝组分对共还原体系的协同增效效应：赤泥引入了大量的SiO2和Al2O3，促进玻璃结构形成，强化了挥发性重金属的氯化反应，从而促进了Cd、Pb和Zn的挥发；同时，低温促进氯化物挥发，降低了氯化物的高温腐蚀性。飞灰中的碳促进赤泥和飞灰中金属氧化物的还原反应，抑制重金属Fe、Cu、Ni、Cr挥发，形成合金。通过该工艺，实现飞灰和赤泥中重金属的定向回收和玻璃材料的高效转化。