本发明涉及固体废物无害化处置领域，具体涉及一种多源固废协同处理的等离子体熔融固化重金属方法。

背景技术：

多源固废包括生活垃圾焚烧飞灰、污泥焚烧飞灰、危险废物焚烧飞灰、医疗废物、电镀污泥、废石棉、电子废弃物等危险废物和污泥、赤泥、粉煤灰、钢渣、煤矸石、铁尾矿、金尾矿、铝土尾矿等工业固废。其产生量大、组分复杂、具有污染属性，协同处置技术匮乏。例如，生活垃圾焚烧飞灰属于危险废弃物，年产生量约500万吨，富集重金属、二恶英，无害化处理要求很高；尾矿年产生量约10亿吨，通过回填等措施可以消耗70％的尾矿，但我国尾矿存量仍在150亿吨以上，占用大量土地，且一些尾矿中伴有的重金属会污染地下水资源，带来环境风险。

目前，考虑多源固废协同处理固化重金属的技术较少，而生活垃圾焚烧飞灰的重金属固化技术多样，主要有水泥固化、化学药剂稳定化、湿式提取、熔融固化等。水泥固化法是将飞灰混合到水泥固化剂当中，使飞灰形成固体，其中的重金属难以溶出，其工艺简单，但由于添加了水泥固化剂，使处理后的体积增大，且对hg、pb、cr⁶⁺等难以利用氢氧化物低溶解度特性的重金属无法实现固化稳定化处理，处理效果无法得到保障；化学药剂稳定化是通过添加化学药剂，使重金属与其发生化学反应，生成低溶解性、低迁移性和低毒性的物质，从而实现重金属的稳定化处理，但采用的药剂昂贵，作用较为单一，且固化剂对二噁英和盐类物质没有稳定化作用；湿式提取法有助于回收有价值的资源，但该方法无害化处理飞灰不彻底，且产生的大量废水需进一步处理；熔融固化法是利用电热或燃烧热方法加热飞灰至一定温度使其熔融，之后迅速降温冷却，形成玻璃体熔渣，借助玻璃体熔渣致密的硅氧四面体网络结构，实现重金属的固化稳定化。熔融固化法深度固化重金属于玻璃体内，彻底杜绝二次污染，熔融产物具有利用价值，是目前最为先进的一种飞灰处理方式。

然而，现有的固废熔融固化重金属技术通常只针对飞灰等单一固体废物，一般基于原料中ca和si的比例，将单一固体废物与纯物质添加剂混合熔融，对原料要求高，不具备广泛适应性，且熔融需要较高的温度，通常在1500℃以上，较高的能耗阻碍了熔融固化技术的进一步推广和应用。因此，使固废在较低温度下熔融形成玻璃体，控制系统整体能耗，在熔融固化技术推广中具有显著意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多源固废协同处理的等离子体熔融固化重金属方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种多源固废协同处理的等离子体熔融固化重金属方法，包括以下步骤：

根据热力学平衡计算，确定满足多源固废的熔融温度计算值在1200～1500℃时，cao-al2o3-sio2三相质量百分比范围为：以cao、al2o3、sio2三相总和为100％，cao15％～50％、al2o35％～20％、sio240％～65％；

对多源固废中的每一原料的cao、al2o3、sio2质量百分比进行分析，根据分析结果对多源固废进行原料配伍，以调整多源固废中的cao-al2o3-sio2的质量百分比在所述cao-al2o3-sio2三相质量百分比范围内；

将经配伍的所述多源固废进行等离子体熔融固化处理，然后经水冷或风冷得到玻璃态熔渣，实现重金属的深度固化。

基于上述技术方案，本发明的多源固废协同处理的等离子体熔融固化重金属方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

1.基于特定的cao-al2o3-sio2(cas)三相比例对多源固废进行配伍，从而调节熔融温度，降低系统能耗；并通过热力学平衡计算确保熔融温度在1200-1500℃，提高系统运行稳定性；

2.本发明普适性，可适用于各组分含量差异较大的多源固废，不需要额外添加纯物质化学品添加剂，达到以废治废的效果；

3.采用等离子体熔融技术，能量密度高，熔融时间短，在20min之内即可完成熔融；

4.经过熔融固化处理后多源固废中的重金属等有害物质被深度固化于玻璃体中，无环境风险，且玻璃体可作为建筑材料或路基材料进行高值化利用，具有环境效益和经济价值。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本发明旨在提供一种多源固废协同处理的等离子体熔融固化重金属方法，该方法对原料具有广泛适应性，可处理生活垃圾焚烧飞灰、污泥焚烧飞灰、危险废物焚烧飞灰、医疗废物、电镀污泥、废石棉、电子废弃物、污泥、赤泥、粉煤灰、钢渣、煤矸石、铁尾矿、金尾矿、铝土尾矿等多源固废，不添加任何纯物质化学品添加剂，通过调节输入原料的化学组分，降低熔融温度，深度固化重金属于玻璃体内，达到以废治废的效果。同时缩短熔融处理时间，控制系统整体能耗。

为了实现上述目的，本发明提供一种多源固废协同处理的等离子体熔融固化重金属方法，提出基于调整cao-al2o3-sio2(cas)三相比例的原料配伍方法，将经过配伍的多源固废在等离子体熔融炉中熔融固化处理，经水冷或风冷得到玻璃态熔渣，实现重金属的深度固化。

具体而言，根据本发明的一些实施例，提供了一种多源固废协同处理的等离子体熔融固化重金属方法，包括以下步骤：

步骤1：根据热力学平衡计算，确定满足多源固废的熔融温度计算值在1200～1500℃时，cao-al2o3-sio2三相质量百分比范围为：以cao、al2o3、sio2三相总和为100％，cao15％～50％、al2o35％～20％、sio240％～65％。其中，较优选为cao18～33％、al2o37％～15％、sio250％～65％或者cao33～45％、al2o315％～20％、sio242％～50％，最佳为cao25％、al2o315％、sio260％。

其中，具体是基于吉布斯自由能最小原理，计算不同温度下cas三相体系的相平衡分布，从而得到熔融温度在1200～1500℃时的cas三相百分比范围，该计算过程可以利用已知的factsage软件完成。

步骤2：对多源固废中的每一原料的cao、al2o3、sio2质量百分比进行分析，根据分析结果对多源固废进行原料配伍，以调整多源固废中的cao-al2o3-sio2的质量百分比在所述cao-al2o3-sio2三相质量百分比范围内；

步骤3：将经配伍的所述多源固废进行等离子体熔融固化处理，然后经水冷或风冷得到玻璃态熔渣，实现重金属的深度固化。其中，多源固废混合原料在等离子体熔融炉中熔融固化处理，熔融温度为1200-1300℃，熔融时间小于等于20min。

本发明考虑多源固废处理需求，基于cao-al2o3-sio2(cas)三相比例，结合热力学平衡计算，通过多源固废协同处理的方式，降低混合原料的熔融温度，同时采用等离子体熔融技术，利用其高能量密度优势，大幅缩短熔融时间。通过控制熔融温度和缩短熔融时间两方面措施达到控制系统整体能耗的目的，从而降低多源固废处理的成本。多源固废经等离子体熔融后，其重金属深度固化于玻璃体内，无环境风险，且玻璃体可作为建筑材料或路基材料进行高值化利用，具有环境效益和经济价值。

以下列举多个具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。

实施例1

(1)现有一种生活垃圾焚烧飞灰与一种污泥焚烧飞灰需要处置，分析他们的化学组成及各组分所占比例，生活垃圾焚烧飞灰na2o含量5.33％、mgo含量3.1％、al2o3含量2.06％、sio2含量4.21％、so3含量6.1％、cl含量16％、k2o含量4.08％、cao含量54％、fe2o3含量1.77％，折算成cao、al2o3、sio2三相总和为100％，则cao含量89.5％、al2o3含量3.5％、sio2含量7.0％；污泥焚烧飞灰na2o含量1.22％、mgo含量1.86％、al2o3含量15.8％、sio2含量35.9％、so3含量13.8％、cl含量0.27％、k2o含量1.24％、cao含量13.8％、fe2o3含量11.7％，折算成cao、al2o3、sio2三相总和为100％，则cao含量21.1％、al2o3含量24.1％、sio2含量54.8％。

(2)基于cao-al2o3-sio2(cas)三相比例将生活垃圾焚烧飞灰与污泥焚烧飞灰按质量比2∶8进行原料配伍，混合后样品化学组成折算成cao、al2o3、sio2三相总和为100％，则cao含量34.8％、al2o3含量20.0％、sio2含量45.2％。

(3)将生活垃圾焚烧飞灰与污泥焚烧飞灰化学组成按质量比2∶8进行热力学计算，计算经原料配伍后混合原料熔融温度为1268.46℃，符合1200～1500℃的标准。

(4)将混合原料送入等离子体熔融炉进行等离子体熔融固化，熔融温度为1300℃，熔融时间10min。所得熔渣在空气中自然冷却，经破碎研磨后分析。

(5)结果发现，混合原料完全熔融，形成很好的玻璃体，对熔渣的浸出毒性进行检测，可知熔渣中各重金属的浸出浓度为：cd＜0.013mg/l、cr＜0.262mg/l、ni＜0.263mg/l、cu＜0.018mg/l、pb＜0.025mg/l、zn＜8.313mg/l。

实施例2

(1)现有一种生活垃圾焚烧飞灰与一种污泥焚烧飞灰需要处置，分析他们的化学组成及各组分所占比例，生活垃圾焚烧飞灰na2o含量5.33％、mgo含量3.1％、al2o3含量2.06％、sio2含量4.21％、so3含量6.1％、cl含量16％、k2o含量4.08％、cao含量54％、fe2o3含量1.77％，折算成cao、al2o3、sio2三相总和为100％，则cao含量89.5％、al2o3含量3.5％、sio2含量7.0％；污泥焚烧飞灰na2o含量1.22％、mgo含量1.86％、al2o3含量15.8％、sio2含量35.9％、so3含量13.8％、cl含量0.27％、k2o含量1.24％、cao含量13.8％、fe2o3含量11.7％，折算成cao、al2o3、sio2三相总和为100％，则cao含量21.1％、al2o3含量24.1％、sio2含量54.8％。

(2)基于cao-al2o3-sio2(cas)三相比例将生活垃圾焚烧飞灰与污泥焚烧飞灰按质量比3∶7进行原料配伍，混合后样品化学组成折算成cao、al2o3、sio2三相总和为100％，则cao含量41.6％、al2o3含量17.9％、sio2含量40.5％。

(3)将生活垃圾焚烧飞灰与污泥焚烧飞灰化学组成按质量比3∶7进行热力学计算，计算经原料配伍后混合原料熔融温度为1349.54℃，符合1200～1500℃的标准。

(4)将混合原料送入等离子体熔融炉进行等离子体熔融固化，熔融温度为1300℃，熔融时间10min。未能形成玻璃体。

(5)将混合原料送入等离子体熔融炉进行等离子体熔融固化，熔融温度为1500℃，熔融时间10min。混合原料完全熔融，形成很好的玻璃体，对熔渣的浸出毒性进行检测，可知熔渣中各重金属的浸出浓度均极低。

对比例1

(1)现有一种生活垃圾焚烧飞灰需要处置，分析其化学组成及各组分所占比例，生活垃圾焚烧飞灰na2o含量5.33％、mgo含量3.1％、al2o3含量2.06％、sio2含量4.21％、so3含量6.1％、cl含量16％、k2o含量4.08％、cao含量54％、fe2o3含量1.77％，折算成cao、al2o3、sio2三相总和为100％，则cao含量89.5％、al2o3含量3.4％、sio2含量6.9％。

(2)由于未经过合理配伍，其cas三相比例不满足熔融温度较低的区间。

(3)对生活垃圾焚烧飞灰化学组成进行热力学平衡计算，经计算其熔融温度为2414.84℃，在1200～1500℃以下不能熔融。

(4)将原料送入等离子体熔融炉进行等离子体熔融固化，熔融温度为1500℃，熔融时间20min。结果发现，未经过合理配伍的原料在1500℃时不能熔融形成玻璃体，无法起到固化重金属的效果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。