固体废物处理与处置课程设计-日处理20t重金属残渣的水泥固化处理工艺设计

课程设计课程名称固体废物处理与处置题目名称日处理20t重金属残渣的水泥固化处理工艺设计TOC\o"1-4"\h\u重金属残渣水泥固化处理课程设计 重金属残渣水泥固化处理课程设计课题根据某重金属残渣浸出试验的结果分析，其重金属类废物、残渣类废物等浸出浓度均高于GB18598-2001危险废物填埋污染控制标准的限值，需要对其进行采用水泥固化处理，以满足填埋要求。废物种类与成分比例如下表：废物种类污染成分形状特性占比，%焚烧飞灰重金属固T35物化残渣重金属固T25回收残渣铅、酸固T10重金属废物铬、酸固T25废酸残渣酸固T5合计

100本项目按照处理规模20吨/日重金属残渣，本项目对其中几个关键的处理工序进行设计。二、重金属的成分和特性分析重金属有汞、铅、镉、铬、铜、锌、铍、钡、镍、砷等金属及其化合物，一般都具有浸出毒性、急性毒性、生物积累性和遗传变异性。含有重金属的固体废物都是危险废物，其特性会引起对人类健康或环境危害，属于国家严控废物。废酸具有腐蚀性，对接触部位作用时，使细胞组织、皮肤有可见性破坏或不可治愈的变化，是接触物质发生质变，使容器泄露。同时，废酸排放到环境中，会改变土壤、水域的性质，污染环境。也有可能使土壤和水中的有毒物质溶解，增强其毒性。因此，废酸也是国家严控废物。本次设计处理焚烧飞灰占35%，日处理7吨；处理物化残渣占25%，日处理5吨；处理回收残渣（铅、酸）10%，日处理2吨；处理重金属废物（铬、酸）25%，日处理5吨；处理废酸残渣5%，日处理1吨。三、重金属残渣固化工艺的比选及总体设计3.1固化的定义固化/稳定化技术是处理危险废物的重要手段，是危险废物处理和处置中的一项重要技术，在危险废物区域性集中管理系统中占重要地位。经过焚烧、物理和化学等无害化和减量化处理工艺后的危险废物，如飞灰、重金属残渣、物化残渣和废酸残渣等都要全部或部分地经过稳定化/固化处理后.才能进行最终安全处置〕。固化所用的惰性材料称为固化剂。危险废物经过固化处理所形成的固化产物称为固化体。已研究和应用多种固化方法处理不同种类的危险废物，但迄今为止尚无一种适用于处理任何类型危险废物的最佳固化方法。目前采用的固化方法往往只能适用于处理一种或几种类型的废物。根据固化剂及固化过程的不同，目前常用的固化技术主要包括水泥固化、沥青固化、塑料固化、玻璃固化、石灰固化等。3.2固化类型3.2.1水泥固化3.2.1.1水泥固化原理水泥固化是以水泥为固化剂将危险废物进行固化的一种处理方法。固化时，水泥与废物中的水分或另外添加剂的水分发生水化反应生成凝胶，将废物中的有害微粒分别包容起来，并逐步硬化成水泥固化体。用作固化剂的水泥品种有很多，如普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、矾土水泥、沸石水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。其中最常用的是普通硅酸盐水泥，该种材料是用石灰石、黏土以及其它硅酸盐物质混合在水泥窑中的高温煅烧，然后研磨成粉末状。它的主要成分是硅酸二钙和硅酸三钙，固化时发生如下的水合反应：3CaO·SiO2+xH2O→2CaO·SiO2·yH2O+Ca(OH)2→CaO·SiO2·mH2O+2Ca(OH)22（CaO·SiO2）+xH2O→3CaO·SiO2·yH2O+3Ca(OH)2→2（CaO·SiO2·mH2O）+4Ca(OH)22CaO·SiO2+xH2O→2CaO·SiO2·xH2O→CaO·SiO2·mH2O+Ca(OH)22（2CaO·SiO2）+xH2O→3CaO·2SiO2·yH2O+Ca(OH)2→2(CaO·SiO2·mH2O)+2Ca(OH)23.2.1.2水泥固化工艺及其影响因素水泥固化工艺较为简单，通常是将危险废物、水泥和其他添加剂一起与水混合，经过一定的养护时间形成坚硬的固化体。影响水泥固化的因素很多，主要包括：pH值pH值对含重金属污染物的危险废物的固化处理效果有较大影响。大部分金属离子的溶解度与pH值有关。当pH值较高时，许多金属离子将形成氢氧化物沉淀，且水中的碳酸盐浓度也会较高，有利于生成碳酸盐沉淀。但应该注意的是，pH值过高时，会形成带负电荷的羟基络合物，溶解度反而升高，不利于金属离子的固定。水、水泥和废物的质量比水分过少，无法保证水泥实现充分的水合作用；水分过多，则会出现泌水现象，影响固化体的强度。水泥与废物的质量比应用试验方法确定，以便尽可能地消除废物中的水分对水合作用的不利影响。凝固时间为确保水泥废物浆料能够在混合以后有足够的时间进行输送、装桶或者浇筑，必须适当控制初凝和终凝的时间。通常，初凝时间应大于2h，终凝时间在48h以内。添加剂的使用在被处理废物中，往往含有妨碍水合作用的组分，仅用普通水泥进行固化处理时，固化体有时强度不大，物理化学性能也不稳定，固化体中有害组分的浸出率也较高。为了改善固化条件，提高固化图质量，固化过程中需要根据废物的性质渗入适量的添加剂。3.2.1.3水泥固化特点及其应用水泥固化技术应用最早，是在核工业系统处理离子交换再生废液、报废的离子交换树脂，以及废液在蒸发浓缩时产生的污泥等方面，而后发展到其他危险废物尤其是各种重金属污泥的处理上。该技术工业和设备比较简单，运行费用低，水泥原料和添加剂便宜易得，对含水量较高的废物可以直接固化，固化体的强度、耐热性、耐久性均好，有的产品可作路基或建筑物基础材料。但是，水泥固化产品一般都比最终废物原体积增大1.5到2.0倍。3.2.2沥青固化沥青固化是以沥青材料作固化剂，与危险废物在一定的温度、配料比、碱度和搅拌作用下产生皂化反应，使危险废物包容在沥青中并形成稳定固化体的过程。与水泥固化技术相比，沥青固化具有如下特点：固化体的空隙率和固化体中污染物的浸出率均大大降低。另外，由于固化过程中干废物与固化剂之间的质量比通常为1:1-2:1，因而固化体的增容较小。固化剂具有一定的危害性，固化过程中容易造成二次污染，需采取措施加以避免。另外，对于含有大量水分的废物，由于沥青不具备水泥的水化作用和吸水性，所以有时需预先对废物进行脱水或浓缩处理。因此，沥青固化工艺流程和装置往往较为复杂，一次性投资与运行费用均高于水泥固化法。固化操作需在高温下完成，不宜处理在高温下易分解的废物、有机溶剂以及强氧化性废物。3.2.3塑料固化塑料固化是以塑料为固化剂，与危险废物按一定的比例配料，并加入适量催化剂和填料进行搅拌混合，使其发生共聚合反应，将危险废物包容其中并形成稳定固化体的过程。热固性塑料固化的主要优点是引入的物质大多具有较低的密度，所需的添加剂数量也较小，因而终产品的增容比低于其它固化法，固化体密度小；主要缺点是操作过程复杂，固化剂自身价格高昂。3.2.4玻璃固化玻璃固化是以玻璃原料为固化剂，将其与危险废物以一定的配料比混合后，在1000℃-1200℃的高温下熔融，经退火后形成稳定的玻璃固化体。玻璃固化是所有固化方法中效率最好的，固化体中有害组分的浸出率最低，固化体的增容比最小；但由于烧结过程需要在1200℃左右的高温下进行，会有大量的有害气体产生，其中不乏挥发金属元素，因此要求配备尾气处理系统。同时，由于在高温下操作，给工艺带来一系列困难，增加处理成本。3.2.5自胶结固化自胶结固化是利用废物自身的胶结特性来达到固化目的的方法。主要用来处理含有大量硫酸钙和亚硫酸钙的废物。技术的主要特点是工艺简单，对待处理的废物不需要完全脱水；添加剂廉价易得，可以是现场取得的石灰、水泥灰和粉媒灰等废料，添加剂量少，只有总混合物的10%左右；固化体性质稳定，具有高的抗渗透性和抗微生物降解的能力，污染物的浸出率低。本次设计日处理20吨重金属废物，日处理量大，从经济角度来考虑应选用处理费用较低的固化方式。本次处理的固体废物的含水量在60%-70%之间，所以应选用可以在这种含水率下固化的工艺。水泥固化技术工业和设备比较简单，运行费用低，水泥原料和添加剂便宜易得，对含水量较高的废物可以直接固化，固化体的强度、耐热性、耐久性均好，有的产品可作路基或建筑物基础材料。而且，重金属离子的浸出毒性远低于浸出毒性标准。结合固体废物的特点及经济因素，本次设计选用水泥固化方法处理重金属废物。工艺流程图见图：重金属残渣水泥固化的计算4.1重金属废物所需固化刑用量重金属废物主要来源于工业危险废物.含水率为60%-70%，该种废物物料固化工艺配伍为重金属类废物:药剂:水:城固化剂)=1:0.01一0.10:0.1—0.3:0.05一0.15。由于工业废物成分非常复杂，固化剂的添加量为20%、药剂为1%较稳妥。固化剂选用32.5号硅酸盐水泥，药剂选用硫脲。4.2焚烧飞灰及残渣所需固化剂用量根据经验，飞灰固化剂的添加量可为5%—15%，从安全性考虑，固化剂添加量为15%。由于飞灰中含有部分石灰，只用水泥固化比较茹，搅拌困难。因此，飞灰固化剂选用32.5号硅酸盐水泥和粉煤灰，其中水泥用量占75%，粉煤灰占25%，即飞灰:水:固化剂=1:0.3:0.15。综合利用残渣和物化处理残渣主要为中和处理后的废酸、碱渣以及含杂质的废塑料，固化剂量为20%，选用的固化剂为32.5号硅酸盐水泥，该种物料固化工艺配伍为残渣:水:固化剂=1:0.3:0.2。从安全角度考虑，固化剂添加量α=15%，焚烧飞灰需要用固化剂水泥的质量为：M1=α1M总η1=15%×20×35%=1.05t/d物化残渣、回收残渣、废酸残渣固化剂添加量α2=20%，需要用到固化剂水泥的质量为：M2=α2M总η2=20%×20×（25+10+5）%=1.6t/d重金属废物固化剂添加量为α3=20%，需要用到固化剂水泥质量为：M3=α3M总η3=20%×20×25%=1t/d总水泥用量Ms=M1+M2+M3=1.05+1.6+1=3.65t/d药剂硫脲的用量My=βM总η3=1%×20×25%=0.05t/d用水量Mz=θ1M总η3+θ2M总（η1+η2）=10%×20×25%+30%×20×（35+25+10+5）=0.5+4.5=5t/d则日处理固体吨数为28.7t。设备的选型5.1配料机配料机为含重金属废物、残渣等物料的上料、计量设施，主要由贮料斗、机架、计量斗、皮带机、电气控制系统组成。其设备主要参数:储料斗容量3m³x4，皮带机功率4kWx2，配料周期60s，计量斗容积0.8m³;，计量方式为电子秤，其精度士2%;外形尺寸8300mmx2000mmx2650mm，整机质量4000kg。5.2合搅拌机搅拌机是固化工艺的核心设备，选用双轴混合搅拌机，具有处理能力大、启动故障少、搅拌混合均匀、设备寿命长、维修量小、可靠性高等优点。日处理危险废物量为20t，加上固化剂、药剂和水，进入搅拌机的物料总量为28.7t/d。平均密度按1.5t/m;计，则日处理废物约19.2m³;，搅拌机的混合搅拌时间一般为6—8min，同时考虑上料、出料时间，一般整个周期为10—15min。本项目上料、搅拌和出料整个工段周期以12min计，设备工作时间以6h计，每天可上料30次，即单次搅拌容量为0.65m³;考虑25%物料量的变化系数，搅拌容积设计为0.8m³;。因此，选用PDL800混合搅拌机。设备主要参数:整机重量2.3t，搅拌容积0.8m，电机功率N=2.2kWx3，变频，材质C.S。5.3水泥储仓水泥日消耗量为3.65t/d，即日消耗水泥约2.5m³;水泥储存周期以7d计，储仓容积为17.5m³;，储仓利用率按80%计，则需储仓容积22m³;。因此，选用φ2500mm,L5000mm储仓1个，容积为25m³;，布置在室外。5.4飞灰储仓飞灰年处理平均日处理7t，密度按0.7t/m³;计。结合国内外经验，一般固化飞灰的储仓只有1个，储存2—3d的产生量即可，飞灰产生地一般都有暂存仓库，特殊情况应暂存于产生地。因此，本项目只按2d的储存量设置20m³;储仓1个，储仓尺寸φ2500mm,L5000mm，设备布置在室外。5.5螺旋输送机为将储仓中的飞灰、水泥和粉煤灰送至混合搅拌机，配备3台规格为φ300mm,L8500mm螺旋输送机，废物输送量为0一19t/h，电机功率为3kW5.6粉煤灰储仓本工程粉煤灰使用量较少，从考虑降低运行费用和设备制作、安装方便的角度出发，设置1个φ2500mm,L5000mm储仓，作为水泥固化剂备用仓.设备布置在室外。5.7药剂储备罐和输送泵硫脲消耗量分别为18.5t/a，以硫脲的储量作为储罐的设计依据。硫脉日消耗量约为0.O5t，配成浓度为25%的液态，则每天需液态硫脉量为0.2t,考虑到药剂配制后储存时间过长影响药效，因此，储存周期按2d计，设置3个药剂储罐，储罐材质为碳钢内衬聚乙烯，具有防渗和耐腐蚀功能。储罐有效尺寸φ1000mm,L2000mm，有效容积0.8m³;。每个储罐选用2台(1用1备J-1000/1.0-2.5电控计量泵将药剂输送至搅拌机，计量泵流量为1000L/h，最大压力为2.5MPa。5.8砌块成型机砌块成型机主要使混合物料经过成型、养护以达到安全填埋场入场要求，其设备主要由液压系统、成型机主机、供板机和链式输送机组成。主要设备参数:生产能力10—15m³/h，成型周期15s，加压时间20-25s，额定压力15MPa，配套功率23.5kW。5.9皮带输送机带式输送机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械。主要由机架、输送带、托锟、滚筒、张紧装置、传动装置等组成，可以进行成件物品的运输。砌块成型机压块成型之后，