基于平衡法计算最优液固比的焚烧飞灰多级逆流水洗方法

本发明涉及飞灰水洗，尤其涉及一种基于平衡法计算最优液固比的焚烧飞灰多级逆流水洗方法。

背景技术：

1、垃圾焚烧技术不断发展，带来了大量焚烧飞灰的处置问题。飞灰中的氯盐含量占比通常达到50％以上，会造成设备腐蚀、形成二次飞灰或结皮结圈、影响产品质量并促进二噁英生成，对飞灰处置工艺造成严重不利影响，需要预先脱除。现有通常做法是以水洗方式进行飞灰脱盐，且为多级逆流水洗。

2、目前水洗工艺的液固比参数的确定方法，不够精确且缺少设计计算方法。例如中国专利申请“垃圾焚烧飞灰水洗脱氯和水洗液蒸发分质结晶的处理方法及系统”(cn113105138)给出三级逆流水洗的优选配比为1:2-1:4l/kg，最优选为1:3l/kg；该文献虽然给出了优选范围和取值，但并未给出调整液固比值的计算方法，如要推广应用则无法根据实际生产状况进行调整。此外，由于飞灰原料成分波动大，不精确的液固比参数易引起脱氯效果不足或水量偏高问题，难以满足预期效果。

3、飞灰水洗工艺主要包括固液混合过程以及固液分离过程，前者用于使可溶性盐溶解，后者用于使盐溶液分离。研究表明，飞灰可溶性盐溶解迅速，若保证单次固液混合时间达到10min以上，脱盐效率受混合时间、水温等其他因素的影响可以忽略，而仅考虑液固比的影响。通常，提高液固比有利于提高脱氯效率。但另一方面，水洗产生高盐水洗液通常采用蒸发结晶处置，能耗巨大，且产生的体积越大能耗越高。因此应在满足残氯含量要求的前提下尽量降低液固比。

4、《生活垃圾焚烧飞灰污染技术规范(试行)》(hj 1134)规定，水洗飞灰可溶性氯含量应低于2％，建议低于1％，对水洗效果的稳定性提出了要求。由于飞灰原料成分不稳定，氯含量波动巨大，因此需要经常调节水洗液固比。目前，技术人员通常忽视水洗过程中固相颗粒的氯离子吸附作用。但由于飞灰颗粒粒径小，且含有高比表面积的活性炭，会形成固相吸附作用，增加氯离子在固液分离残渣中的残留量，影响不可忽略。此外，多级逆流水洗是通常采用的水洗流程，将水洗分成多级进行，低浓度液体用于洗低盐灰，高浓度盐水用于洗高盐灰，从而降低液固比。复杂的水洗过程进一步增大了依据脱氯效率设定液固比参数的复杂性，造成设计困难。

5、综上，由于缺乏飞灰原始特性、液固比参数及预期脱氯效率之间的定量关系计算方法，技术人员无法精确设定液固比参数，从而造成水洗飞灰氯离子含量不达标或水洗液产生量过大的不利影响。因此，因此，亟需提出一种新的水洗最佳液固比的计算方法，以实现液固比工艺参数设计计算。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于平衡法计算最佳液固比的焚烧飞灰多级逆流水洗方法。

2、为解决技术问题，本发明的解决方案是：

3、提供一种基于平衡法计算最优液固比的焚烧飞灰多级逆流水洗方法，该方法是利用多级水洗装置以逆流水洗工艺对原始飞灰进行水洗处理，在水洗过程中向水洗装置中添加协同处置的含盐废液，在最后一级中补充添加纯水；所述基于平衡法是指，当水洗装置的每一级完成固液混合后氯盐的迁移能够近似达到平衡状态，水洗工艺最佳液固比的计算以实现该平衡状态为目标；

4、该多级逆流水洗方法具体包括以下步骤：

5、(1)将待水洗的垃圾焚烧飞灰分批储存，根据飞灰来源焚烧炉在产灰时间段内的运行状况监测数据，获得产灰时间段内的活性炭喷射质量mac和飞灰产生质量mfa，单位kg；据此计算飞灰中所含活性炭的质量分数mac，以及飞灰中所含活性炭平均比表面积数据aac，单位m2/g；随后记录并建立档案；

6、(2)对各批次飞灰提前采样，测定飞灰中cl、na、k的含量；计算飞灰中所含cl、na、k的质量分数，分别记为mcl、mna、mk；

7、(3)建立浓度关系方程、体积关系方程、吸附关系方程以及脱盐效率方程，根据水洗装置的级数将方程组展开联立，具体如下：

8、所述浓度关系方程为：

9、

10、其中，cn为第n级固液分离后液相总盐浓度，kg/m3；mn为进入第n级水洗的飞灰或残渣干重，kg；mn+1为水洗飞灰干重；m1为初始添加的干灰质量，kg，为便于计算将取值设为1kg；cadd,n为第n级添加的协同处置的盐溶液总盐浓度，kg/m3；vadd,n为第n级添加的协同处置的盐溶液体积，m3；vn为第n级固液分离后液相体积，m3；以vn+1为初始添加的水的体积；以cn+1表示初始添加的水的浓度，取值为零；

11、所述体积关系方程为：

12、

13、

14、vn+1＝rm1

15、其中，rwc为固液分离装置所能达到的固液分离残渣含水率，kg(水)/kg(总质量)；r为水洗工艺采取的液固比，m3/kg；

16、所述吸附关系方程为：

17、

18、

19、

20、ka＝6×10-5a*ac+0.91

21、mad,n＝ka(-4.82x1,nx2,n2+120.92x1,nx2,n-88.36x1,n+1.78x2,n-1.97)×10-3,n＝1,2,......,n

22、kn＝mad,n/[mcl,stcnrwc/(1-rwc)]+1,n＝1,2,......,n

23、

24、其中，mcl,st为氯元素在可溶性盐中的占比；x1,n和x2,n为计算过程的中间变量；ka为比表面积修正系数；mad,n为第n级水洗分离残渣固相吸附盐量；kn为第n级固液分离残渣的含盐系数；mrcl为水洗飞灰可溶性氯含量目标值，该目标值应低于下游处置单位要求的产品可溶性氯含量的90％，并且小于等于2％；带*的物理量表示取该物理量的数值作为无量纲参数；

25、所述脱盐效率方程为：

26、

27、

28、其中，mst为原始飞灰的氯盐质量分数；

29、求解上述方程组后，得到液固比r的数值即为该水洗工艺的最佳液固比；

30、(4)根据水洗装置设计容量决定的原始飞灰的单次进料量ms(kg)和步骤(3)获得的液固比r(m3/kg)，计算得到水洗工艺的纯水添加量vn+1(m3)：

31、vn+1＝r×ms

32、根据计算结果在水洗装置最后一级添加纯水，然后按照逆流水洗工艺的操作流程，对原始飞灰进行水洗处理。

33、作为本发明的优选方案，所述含盐废液用于降低水洗液固比和减少总能耗，其主要成分包括cl-，以及na+、k+、ca2+中的一种或几种。

34、作为本发明的优选方案，所述含盐废液属于危险废物，含有重金属、无机氟化物或其它能在飞灰水洗及后续处置方式中实现无害化的有害物质。

35、作为本发明的优选方案，所述步骤(1)中，通过下述公式计算飞灰中的活性炭质量分数mac：

36、

37、其中，mac和mfa分别为监测期间活性炭喷射质量和飞灰产生质量(kg)。

38、作为本发明的优选方案，所述步骤(1)中，通过下述公式计算飞灰中所含活性炭平均比表面积数据aac(m2/g)：

39、

40、其中，mac,j表示第j种活性炭质量，kg；aac,j为第j种活性炭的比表面积，m2/g；z为飞灰中所含活性炭种类数。

41、作为本发明的优选方案，所述步骤(2)中，通过x射线荧光光谱分析法(xrf)测定垃圾焚烧飞灰中cl、na、k的含量。

42、作为本发明的优选方案，所述步骤(3)中，按以下方式确定在第n级添加的协同处置的含盐废液的浓度和体积：

43、(1)检测待处置的含盐废液的浓度，按照cadd,n＝0，vadd,n＝0，n＝1～n的情况，计算得到纯水条件下的cn和vn，n＝1～n；

44、(2)根据cadd,n<0.5cn和vadd,n<vn的判断原则，确定协同处置的含盐废液添加时机和添加量。

45、作为本发明的优选方案，在添加协同处置的含盐废液时，是在多级逆流水洗装置中的任意一级或多级中进行添加；如果不添加含盐废液，则在计算水洗工艺的液固比r时，将相应方程式中的盐溶液总盐浓度cadd,n和盐溶液体积vadd,n两个参数均设置为0即可。

46、发明原理描述：

47、每一次固液混合完成后，氯盐的迁移均近似达到平衡状态，若能进行氯盐的质量平衡计算，即可实现液固比的设计计算。本发明通过对飞灰多级逆流水洗工艺流程及过程中氯盐的迁移规律进行分析，获取主要参数，构建多组平衡方程，并通过数学方法进行求解，根据最优液固比计算结果，实现采用最优化工艺参数进行的水洗方法。其中，涉及的技术原理如下：

48、(1)多级逆流水洗过程中的氯盐迁移特性：现有飞灰水洗生产线几乎均采用多级逆流水洗工艺，工艺流程如图1所示。飞灰中的氯元素几乎均以可溶性氯离子的形式存在，在固液混合时能够迅速溶解至液相。同时，飞灰颗粒粒径小，且含有高吸附性的活性炭，会形成固相吸附。水洗工艺的固液混合过程需持续充足时间以使液相氯离子浓度稳定，在此过程中溶解与吸附达到了平衡或接近平衡的状态。总而言之，多级逆流水洗过程中，各级之间存在质量平衡、体积平衡及吸附平衡过程，可通过平衡方程组的建立实现工艺参数设计计算。

49、(2)浓度关系及体积关系方程组：如图1所示，某一级固液分离所得液体浓度为进入该级的固体与水洗飞灰的干质量差，再累加该级之后所有级添加的协同处置的液体带入的盐的质量后的和与该级液体体积的比值；某一级固液分离所得液体体积为初始添加的液体体积、该级之前所有级添加的协同处置的液体体积与进入该级的固液分离残渣带入的液体之和与最后一级固液分离残渣带出的液体体积之差。

50、(3)吸附关系方程组：研究表明，某一级固液分离所得残渣中的表观液体浓度，即残渣含盐总量与含水体积之比，远高于固液分离所得液体的浓度；将其比值定义为含盐系数kn，n为当前计算的级数。研究认为，氯离子固相吸附的主要原因是，在活性炭高比表面积强化下碳酸钙表面形成了吸附作用，吸附量主要受液体浓度、活性炭含量和活性炭比表面积的影响。通过拟合实验数据，进一步计算可以得到kn与上述变量之间的关系式，从而根据kn的定义建立吸附关系方程组。

51、本发明基于上述原理，对飞灰水洗过程构建平衡方程组，完整描述了飞灰水洗过程中氯盐的迁移规律，从而实现液固比参数定量计算。在该过程中，首先需进行计算准备，获取垃圾焚烧飞灰中cl、na、k的质量分数、活性炭质量分数、活性炭平均比表面积以及水洗飞灰可溶性氯含量目标值；随后，建立浓度关系、体积关系以及吸附关系方程组；最后，通过数学手段求解方程组，从而获得液固比参数数值。

52、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

53、1、本发明能够实现根据预期脱氯效果和飞灰原料性质定量计算所需液固比的值，填补了现有垃圾焚烧飞灰水洗工艺参数设计的空白；

54、2、本发明能够在协同处置盐溶液以及采取多种级数的复杂条件下，实现液固比参数设计计算；将计算获得的参数用于焚烧飞灰多级逆流水洗工艺的具体执行。