一种生活垃圾焚烧飞灰基地聚物复合免烧颗粒材料及其制备方法与流程

本发明涉及危险固体废弃物资源化，特别是涉及一种生活垃圾焚烧飞灰基地聚物复合免烧颗粒材料及其制备方法。

背景技术：

1、生活垃圾焚烧飞灰主要来源为反应塔底部收集的脱酸反应生成物、烟气中粗烟尘的混合物，以及由布袋除尘器捕集的烟气中的灰尘，占焚烧垃圾总量的3％-5％，生活垃圾焚烧飞灰以其中包含的多种重金属元素及二噁英等有机危害物而被列为危废类别为hw18的危险废物。若对其不加妥善处理而随意堆积填埋，其中的有害物质会渗漏到自然环境中并造成极大危害。

2、垃圾飞灰安全处置技术有安全填埋、水泥固化、熔融固化、化学药剂稳定化等技术。其中，经重金属螯合处理后填埋，是目前生活垃圾焚烧飞灰主流处置方式。飞灰中重金属填埋前的螯合稳定，虽可相对稳定地防止重金属离子的流失，但其费用十分昂贵，且占用很多土地资源而且填埋费用巨大。由于气候和人为因素，即使深埋地下，仍有造成二次污染的可能。在特定的条件下，飞灰中的这些重金属和二噁英等会渗滤出来，污染水体和土壤，对环境和人们的生活造成严重影响。随着土地资源日益溃乏和填埋可能导致的二次污染，垃圾填埋选址越来越困难。随着垃圾产量与日俱增，以及焚烧方式处理垃圾作为主流垃圾处置方式，生活垃圾焚烧飞灰产量也迅速攀升，大量产生的生活垃圾焚烧飞灰是城市危险废弃物管理面临的一个重大棘手难题。

3、目前飞灰主要以填埋方式进行处置，资源化利用发展滞后；有些地方飞灰填埋存在不达标、不规范等问题，环境隐患较突出。生活垃圾焚烧飞灰进行无害化处置与资源化利用也成为了飞灰处置主流途径之一，是今后发展大趋势。例如，飞灰也用于水泥与混凝土行业，在高温烧结、熔融预处理后，将其与石膏、其他硅铝质材料复合制备水泥混合材料、混凝土掺合料，一方面实现了废物的无害化处理，另一方面实现了资源化利用。

4、飞灰资源化利用方式一般是进行建材使用，或者利用预处理工艺提取金属成分。目前主要的资源化利用工艺有水泥窑协同、低温热分解、高温烧结、高温熔融、酸洗利用、飞灰机械化学处置工艺等。但各工艺处理方式均存在相应的问题。如水泥窑协同处置飞灰的水泥产品，重金属含量远高于普通水泥，应用在外界建筑材料时，有重金属析出的风险。低温热分解中热脱附可能引起二噁英再合成，且仅能作为飞灰处置的预处理。飞灰熔融处置的熔融能耗大、成本高。熔融时，低熔点盐和重金属会挥发进入烟气形成盐雾，最终对烟气进行冷凝净化捕集生成二次飞灰，对环境造成二次污染风险。

5、且飞灰资源化利用存在着以下问题，飞灰资源化利用工程主要存在于经济发达的城市，除水泥窑协同处置外，其他工艺实际应用案例较少。其主要原因有：资源化利用成本高，以资源化利用为处理工艺的飞灰处置价格普遍在2000元/吨上下；终端产品销路问题，飞灰中的重金属都将转移到产品中，影响下游企业应用的积极性；污染处置难题，垃圾焚烧飞灰中富集了焚烧烟气中的重金属、二噁英等污染物，且具有高氯的特点，成为其处理处置的难题。建材利用存在重金属与二噁英造成环境污染的风险；高氯易导致设备易腐蚀；且氯回收难度大，处理成本高。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种生活垃圾焚烧飞灰基地聚物复合免烧颗粒材料及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现飞灰的无害化、资源化利用。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种飞灰基地聚物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、将飞灰、矿粉、粉煤灰和偏高岭土混合进行碱激发，得到地聚物材料；将所述地聚物材料经水洗后养护，得到所述飞灰基地聚物复合材料；

5、所述飞灰经裂解处理。

6、作为本发明的进一步优选，所述飞灰为生活垃圾焚烧飞灰；所述矿粉为粒化高炉矿渣。

7、作为本发明的进一步优选，所述裂解处理包括如下步骤：将所述飞灰在350～400℃裂解20～40min，之后在5～12min内冷却至50～60℃(更优选10min)。本发明的裂解处理可防止二噁英的再合成。

8、在裂解处理过程中，利用氮气维持缺氧或还原环境，对飞灰进行脱毒。

9、作为本发明的进一步优选，所述飞灰、矿粉、粉煤灰和偏高岭土的质量比为30-60:20-40:20-30:2-5。

10、作为本发明的进一步优选，所述碱激发所用的碱性激发剂由氢氧化钠溶液和水玻璃配制得到。

11、作为本发明的进一步优选，所述氢氧化钠溶液的浓度为12～15mol/l；所述碱性激发剂的模数为1.0～1.6。

12、作为本发明的进一步优选，所述碱性激发剂的添加量为所述飞灰、矿粉、粉煤灰和偏高岭土总质量的5～10％。

13、作为本发明的进一步优选，所述地聚物材料在水洗前经造粒成型处理；所述水洗包括一级水洗和二级水洗。

14、本发明中水洗发挥水洗脱氯和地聚物材料养护增强的双重功效。

15、更优选的，所述造粒成型方式为造粒盘和飞刀式中的一种，转速为300～500r/min，造粒时间3～10min，颗粒粒径控制在3～5mm。

16、作为本发明的进一步优选，所述一级水洗和二级水洗的时间独立的选自6～12h；所述一级水洗和二级水洗的水固质量比独立的选自(1～3)：1。

17、本发明中，一级水洗使用低液固比，去除钠、钾等氯盐，二级飞灰水洗所得滤水可回收利用。

18、更优选的，将经造粒得到的飞灰基地聚物复合颗粒进行第一次水洗脱氯及第二次水洗养护；

19、更具体的：将制备得到的飞灰基地聚物复合颗粒进入一级水洗搅拌罐，洗涤水使用颗粒二级水洗后机械脱出的回流滤液并补充部分工艺水，一级水洗后的颗粒进入二级水洗搅拌罐反应器中，洗涤水使用新鲜工艺水。

20、本发明还提供上述制备方法制备得到的飞灰基地聚物复合材料。

21、本发明进一步提供上述飞灰基地聚物复合材料作为建筑材料的应用。

22、本发明通过碱激发法制备以飞灰为基体原料的地质聚合物，以飞灰、粉煤灰、矿粉和偏高岭土为原料，利用硅氧键和铝氧键在碱性激发液环境下发生断键重组形成一种由alo4和sio4四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物，具有由环状分子链构成的“类晶体”结构，环状分子之间结合形成密闭的空腔(笼状)，可以把金属离子固定在空腔内，同时骨架中的铝离子也能吸附金属离子，因此可以更有效地固定体系中的金属离子。

23、本发明制备得到的飞灰基地聚物复合材料具有优良的机械性能，且重金属固化效果和稳定化佳。研究表明，地聚合物基质对hg、as、fe、mn、ar、co、pb的固定率大于或等于90％。因此也可用在生活垃圾焚烧飞灰无害化处置和资源化领域。

24、本发明制备得到的飞灰基地聚物复合材料满足《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范(试行)》(hj 1134-2020)的要求，可进行后续资源化利用。

25、本发明制备得到的飞灰基地聚物复合材料中二噁英类残留总量为2.6～5.5ng-teq/kg，分解率＞99.5％，各类重金属的浸出浓度远低于gb8978《污水综合排放标准》中规定的最高允许排放浓度限值，可溶性氯含量为0.83％～1.14％，满足《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范(试行)》(hj1134-2020)要求的定量控制标准。飞灰基地聚物复合材料的7d强度可达4～8mpa，28d强度可达24～30mpa，可作为建筑骨料、建筑陶粒使用。

26、本发明公开了以下技术效果：

27、本发明采用“低温裂解+地聚物固化+水洗脱氯养护”工艺模式，将低温裂解后的生活垃圾焚烧飞灰与矿粉、粉煤灰和偏高岭土经碱激发后得到地聚物颗粒，然后经水洗养护及脱氯，得生活垃圾焚烧飞灰无害化处置产物地聚物免烧颗粒，实现生活垃圾焚烧飞灰无害化处置及资源化利用。

28、本发明可以使得生活垃圾焚烧产生的污染物飞灰得到无害化处置后资源化利用，为飞灰资源化提供了一种技术可行、金属固化及稳定化佳、水洗成本更优的处置路径，对飞灰实现了脱除重金属、脱除二噁英的完整脱毒，使其摆脱危废性质。

29、本发明制备得到的生活垃圾焚烧飞灰基地聚物复合免烧颗粒材料性能佳，可满足建筑材料的使用性能要求。