技术领域
[0001] 本
发明属于环境保护及资源循环利用领域，具体为一种重金属固废高效处理方法及处理炉。
背景技术
[0002] 来自有色金属
冶炼的废渣、
烟尘、
污泥，以及来自金属
表面处理行业的电
镀污泥、
酸洗污泥等固体废物，其中含有
铜、铅、锌、镍、钴、
锡、锑等重
金属离子或不稳定的化合物，均被认定为危险固废。
[0003] 长期以来这些固废的去向五花八
门，有的就地处置，有的长期堆存，有的填埋，有的跨省转移。一般来说，那些有价金属含量高的数量较大的而且危险性不高的固废都会就地处理，如常规湿法炼锌
浸出渣含锌20％，都会采用
回转窑回收其中的锌、铟。那些没有回收价值的危险固废一般堆存或填埋，如湿法炼锌的黄
钾铁矾渣、针铁矿渣、金属表面处理的酸洗渣等。有回收价值且危险性高的危废跨地区运输转移进行处置，如铜冶炼含砷烟尘、高砷
阳极泥、
电镀污泥、废
水处理污泥等。
[0004] 2018年有几家湿法炼锌由于废渣堆存受到国家环保部督查组勒令停产整顿的处罚。还有一些
钢铁厂、电镀厂由于酸洗污泥和电镀污泥没有及时处理受到同样的处罚。国家环保部督查组要求这些企业拿出整改措施，将问题彻底解决才允许恢复生产。
[0005] 危废跨省转移的目的地主要集中在湖南、江西等地，一般采用制砖或压团，与
焦炭一起加入小型鼓
风炉熔炼，回收其中的有价金属获得经济效益，产出废渣或堆存或填埋。目前环保政策越来越严格，禁止危险固废跨地区转移，必须就地进行无害化处理。由于这种设备和工艺难以达到环保要求，机械化和自动化程度很低，在许多地方这种小型鼓风炉已经列入淘汰设备禁止使用。
[0006] 现在有些企业尝试用富
氧侧吹炉处理固废，主要存在两个问题：
[0007] 一是很难在一座炉内同时实现物料溶化、
硫酸盐分解
脱硫、造渣及全部金属还原全过程，往往还原不彻底，澄清不完全，导致渣含金属很高，金属回收率较低。对于含锌固废处理都是采用两座炉子，一座侧吹炉加一台烟化炉，侧吹炉进行溶化分解、脱硫、造渣，烟化炉进行还原烟化。如果是含其它金属的固废，必须是两台侧吹炉，一台进行溶化分解、脱硫、造渣，另一台进行还原。
[0008] 二是在熔炼过程中需要加入大量熔剂用于造渣，导致处理物料量增加，能耗增加，带走的金属增加，金属回收率降低。
[0009] 对于矩形的熔池熔炼炉，
燃烧器或
喷嘴一般都是固定安装在炉体两侧，而对于圆形的熔炼炉，燃烧器或喷嘴一般都是固定安装在炉体的四周，安装高度位于渣层的中下部，高于金属与渣相界面约200-300mm。富氧空气、
燃料或还原剂一般水平喷入熔体的渣层，在渣层进行燃烧，并形成搅动。
[0010] 然而本
申请人经过实验验证，燃烧器的上述安装方式，存在以下两个方面的问题：
[0011] 一是位于燃烧器下方的熔体相对静止，从而使下方的熔体传质
传热的效率很低，金属相的热量主要靠反应生成的液态金属下移传递和熔体导热传递，金属产生速度和熔体的导热系数直接决定金属相获得热量的多少，从而决定金属相的
温度。
[0012] 二是在相界面的高度
位置容易形成
粘度很高的隔膜层，隔膜层的主要成分为金属氧化物，影响生成的液态金属下移进入金属相，从而导致炉况恶化。
[0013] 在处理重金属固废的过程中，熔体中的金属含量很低，生成的液态金属量很少。而且由于金属含量低，熔体的导热性差，使熔池底部的温度低，从而使使熔池底部的金属相出现结死不流动的现象，本申请人以前为此采取过许多措施，如降低熔池深度；采用高低炉缸；采用高低喷嘴等，但是这些措施都不能从根本上解决此问题。
发明内容
[0014] 本发明的目的在于提供一种使重金属固废的无害化和资源综合回收能够在本处理炉内完成，高效回收有价金属的方法及处理炉。
[0015] 本发明提供的这种重金属固废高效处理方法，采用内有熔炼区、还原区和澄清分离区三个功能区的处理炉，澄清分离区的炉缸深度小于还原区和熔炼区的炉缸深度；熔炼区熔池两侧对称设置有水平插入渣层的潜流喷射燃烧器；还原区设置有多个从炉体顶部垂直插入熔体中的还原
喷枪，且还原喷枪插入熔体中的深度可升降调节；熔炼区和还原区之间设置有隔墙将两个区的反应气氛完全隔开；将物料重金属固废和粒
煤还原剂从加料口连续加入熔炼区；从熔炼区的一次风口喷入富氧空气和燃料，在熔炼区完成物料溶化、
硫酸盐分解脱硫、造渣及部分金属还原过程，熔体从隔墙下方通道流入还原区；通过还原喷枪往熔体中喷入粉煤还原剂，使溶体中的重金属氧化物还原成金属进入金属相，熔体流入澄清分离区；澄清分离区使金属与炉渣得到澄清分离，形成明显的相界面，金属从金属放出口定期放出，无害渣从放渣口排出，使重金属固废的无害化和资源综合回收在所述处理炉内完成。
[0016] 本发明提供的这种利用上述方法高效处理种金属固废的处理炉，为矩形立式结构，炉缸为耐火材料砌筑而成，渣层部位为铜水套；澄清分离区的炉缸深度小于还原区和熔炼区的炉缸深度；熔炼区熔池两侧对称设置有水平插入渣层的潜流喷射燃烧器；还原区设置有多个从炉体顶部垂直插入熔体中的还原喷枪，且还原喷枪插入熔体中的深度可升降调节；熔炼区和还原区之间设置有铜水套隔墙将两个区的反应气氛完全隔开。
[0017] 上述技术方案的一种实施方式中，所述熔炼区和澄清分离区的顶部分别有复燃室，两复燃室的上端均设置有余热
锅炉；熔炼区设置有熔炼事故渣口。
[0018] 上述技术方案的一种实施方式中，所述还原喷枪为内、外
套管式结构，内管的上端伸出于外管外，伸出段
侧壁有粉煤入口接管，外管的顶面有
法兰，顶部有富氧空气入口接管，内管的外壁有与外管顶面法兰相应的法兰，两法兰通过
紧固件连接固定，外管的下端伸出于内管的下端外，内管的出口端段与外管之间设置有旋流片，内管的内壁贴附有陶瓷管。
[0019] 上述技术方案的一种实施方式中，所述还原喷枪通过调整杆固定于升降架的顶部外侧。
[0020] 上述技术方案的一种实施方式中，所述升降架包括平行布置的矩形的顶框和底框及两者之间的连接梁，底框的外侧伸出于顶框之外，两者的内侧平齐，底框和顶框内侧的两端分别对称连接有导向轮装置，导向轮装置包括U型安装架和安装于其上的导向轮。
[0021] 上述技术方案的一种实施方式中，所述还原喷枪外管的外壁对应所述富氧空气入口接管的下方设置有法兰盘式的固定座，底框的外侧连接有
支撑框，固定座通过紧固件固定于支撑框上。
[0022] 上述技术方案的一种实施方式中，所述升降架通过升降驱动装置实现上下升降，升降驱动装置为电动卷扬机，固定于升降轨道的上端，其驱动
电机同时驱动多个卷筒缠绕
钢丝绳提升所述升降架，升降行程为4～6米。
[0023] 上述技术方案的一种实施方式中，所述升降轨道包括沿竖向平行布置的多根型钢及型钢底部和顶部之间的水平连接架，所述导向轮装置的U型架位于型钢的外围，其上的导向轮沿型钢表面滑动。
[0024] 上述技术方案的一种实施方式中，所述升降轨道顶部的水平连接架上对应所述卷筒位置处分别固定有定
滑轮，升降架的顶框上固定有相应的定滑轮，钢丝绳经升降轨道顶部水平连接架上定滑轮的轮槽转向后竖直向下，绕过升降架上定滑轮的轮槽后返回与水平连接架上的钢丝绳铰接头铰接。
[0025] 本发明采用内有熔炼区、还原区和澄清分离区的处理炉，使重金属固废的无害化和资源综合回收能够在一座处理炉(不需要多台炉子)完成。具体来说，设置两种完全不同的喷枪，熔炼区设置潜流喷射燃烧器(ZL201821168025.2)，还原区设置多个从顶部垂直插入溶体的还原喷枪；熔炼区和还原区之间通过隔墙将反映气氛完全隔开；采用两种不同粒度的还原剂，熔炼区采用粒煤作还原剂，还原区采用粉煤喷入溶体内部进行还原，采用两种不同粒度的还原剂，提高还原效率，减少还原剂用量。通过潜流喷射燃烧器往熔炼区熔体中喷入富氧空气和粒煤，在熔炼区完成物料溶化、硫酸盐分解脱硫、造渣及部分金属还原过程，处理过程中不加熔剂，利用固废本身的元素造渣。由此减少渣量，实现重金属固废无害化的同时实现减量化，并且还能降低处理能耗，减少渣带走的金属，提高金属回收率。还原喷枪插入熔体中的深度可调，可根据物料的实际需求设置不同数量和插入深度的还原喷枪，给还原区熔体底部提供热量，从而提高底部熔体温度，不仅可解决金属相的结死问题，还能消除熔体金属相和渣相之间的隔膜层，使金属氧化物还原成金属进入金属相流入熔炼炉的澄清分离区，减少渣带走的金属，高效回收有价金属。炉渣以铁、
硅、
钙为主要成分的化学性质稳定的玻璃体，属于一般固废，即重金属固废进行了无害化处理。
附图说明
[0026] 图1为本发明一个
实施例的主视结构示意图。
[0027] 图2为图1的侧视示意图。
[0028] 图3为图1的俯视示意图。
[0029] 图4为图1中还原喷枪及其安装固定结构及驱动装置的立面放大结构示意图。
[0030] 图5为图4的侧视示意图。
[0031] 图6为图4中的A部放大示意图。
[0032] 图7为图4的轴侧结构示意图。
[0033] 图中序号：
[0034] 1-加料口；2-熔炼复燃室；3-熔炼区二次风口；4-熔炼区一次风口；
[0035] 5-熔炼事故渣口；6-熔炼
余热锅炉；
[0036] 7-隔墙；
[0037] 8-还原喷枪；9-升降架；10-导向轮装置；11-升降驱动装置；12-升降轨道；
[0038] 13-放渣口；14-金属放出口；15-还原复燃室；16-还原余热锅炉。
具体实施方式
[0039] 如图1至图7所示，本实施例公开的这种重金属固废高效处理方法，采用的处理炉为矩形立式结构，炉缸由耐火材料砌筑而成，炉墙对应渣层部位为铜水套。炉内分为熔炼区、还原区和澄清分离区三个不同的功能区。
[0040] 熔炼区炉墙的两侧设置有熔炼一次风口4和熔炼二次风口3，熔炼一次风口的设置高度位于熔体渣层，熔炼一次风口中安装潜流喷射燃烧器RSQ，其
专利号为ZL201821168025.2，顶部设置有加料口1、熔炼复燃室2和熔炼余热锅炉6。熔炼二次风口3中安装喷氧管。
[0041] 还原区设置有从顶部垂直插入熔体中的还原喷枪8，熔炼区和还原区之间设置有由铜水套组成的隔墙7，隔墙下方有熔体流动通道。
[0042] 澄清分离区的炉缸较还原区和熔炼区深，不设风口或喷枪，熔体相对静止有利于金属澄清分离。澄清分离区的上部有还原复燃室15，还原复燃室15的上端为还原余热锅炉16。澄清分离区设有放渣口13和金属放出口14。还原复燃室15的上部设置有二次风口，二次风口中安装喷氧管。
[0043] 结合图1、图4至图7可以看出，还原区设置的还原喷枪8固定于升降架9上，升降架9通过升降驱动装置11实现升降，升降驱动装置11固定于升降轨道12的顶部，升降架9通过导向轮装10置沿升降轨道12稳定的升降。
[0044] 本实施例的升降轨道12包括沿竖向平行布置的两根H型钢及H型钢底部和顶部之间的水平连接架，H型钢作为升降架运行轨道。
[0045] 本实施例的升降架9包括平行布置的矩形的顶框和底框及两者之间的连接梁，底框的外侧伸出于顶框之外，两者的内侧平齐，底框和顶框内侧的两端分别对称连接有导向轮装置10。一个升降架9设置四组导向轮装置10，保证升降架在升降过程中保持垂直升降，无偏移和晃动。
[0046] 导向轮装置10包括U型安装架101和安装于其上的导向轮，U型架位于升降轨道型钢的外围，本实施例采用H型钢作为轨道，导向轮设置有左右夹持导向轮102和前后导向轮103，其中左右夹持导向轮固定于U型架的两内侧，前后夹持轮固定于左右夹持导向轮之间的外侧，沿H型钢翼板的厚度侧导向。
[0047] 本实施例的还原喷枪8为便于升降的内、外套管式结构，内管81的上端伸出于外管82外，伸出段侧壁有燃料/还原剂入口接管83，外管82的顶面有法兰，顶部有富氧空气入口接管84，内管的外壁有与外管顶面法兰相应的法兰，两法兰通过紧固件连接固定，外管82的下端伸出于内管81的下端外，内管的出口端段与外管之间设置有旋流片85，内管的内壁贴附有陶瓷管86。还原喷枪的上端有吊
耳87。
[0048] 旋流片85的设置可使还原喷枪的出口气流对熔体形成旋流搅动，有利于熔体内部传质传热并降低熔体的喷溅高度。
[0049] 为了外管82插入熔体中的部分被烧损后易于更换，将外管下端约长度600mm设置有
单层耐热
不锈钢管。
[0050] 由于陶瓷管86具有良好的的
耐磨性，所以内管31内壁贴附陶瓷管36可延长其使用寿命。
[0051] 本实施例的升降架9上固定有两个还原喷枪8，升降架顶框的外侧两端对称铰接有调整杆TZG，调整杆的两端与还原喷枪8内管81外壁设置的耳板铰接。
[0052] 还原喷枪8外管82的外壁对应富氧空气入口接管84的下方设置有法兰盘式的固定座88，升降架9底框的外侧连接有支撑框ZCK，固定座88通过紧固件固定于支撑框上。
[0053] 升降驱动装置11采用电动卷扬机，其
驱动电机同时驱动两个卷筒缠绕钢丝绳提升升降架9，升降行程为4～6米，以便升降驱动装置不仅可改变还原喷枪在熔体中的插入深度，还能将还原喷枪从熔炼炉的炉顶完全抽出。
[0054] 结合图1、图4、图5和图7可以看出，升降轨道12顶部的水平连接架上对应两卷筒位置处分别固定有定滑轮，升降架9的顶框上固定有相应的定滑轮，钢丝绳经升降轨道12顶部水平连接架上定滑轮的轮槽转向后竖直向下绕过升降架9上定滑轮的轮槽后返回与水平连接架上的钢丝绳铰接头铰接。
[0055] 还原喷枪应用时，粒煤和富氧空气均通过金属软管输送，即还原喷枪的燃料/还原剂及富氧空气入口接管均连接有与相应输送设备连通的金属软管。
[0056] 图4至图7中只画出了两根还原喷枪，这样使图中结构更清晰，当然可以根据实际需要，采用图4至图7所示的多组装配件安装于还原区炉顶，以便更灵活的调节各还原喷枪的插入深度及安装位置，也可按图示结构在升降架上依次排布安装多根还原喷枪，根据实际情况确定。
[0057] 本发明的还原喷枪遵循
冶金热
力学和动力学的原理，具体如以下几个方面：
[0058] 一、通过改变其插入熔体中的深度，从而控制熔体不同高度的物料
熔化及化学反应所需的温度；
[0059] 二、调节富氧空气与燃料/还原剂的比例(即氧
碳比)控制炉内所需的氧化性气氛或还原性气氛的程度；
[0060] 三、调节富氧空气的压力来控制熔体的搅动强度；
[0061] 四、旋流片的设置可使其出口段气流对熔体形成旋流搅动，改善熔体内部传质传热并降低熔体的喷溅高度。
[0062] 利用上述处理炉进行重金属固废处理包括以下步骤：
[0063] 1、将重金属固废和粒煤还原剂从加料口连续加入熔炼区；
[0064] 2、从一次风口喷入富氧空气和粉煤燃料，在熔炼区完成物料溶化、硫酸盐分解脱硫、造渣及部分金属还原等过程，熔炼区烟气含有SO2，经过熔炼区余热锅炉冷却及除尘之后送往制酸或脱硫处理，熔炼区产生的熔体经过隔墙下方通道流入还原区；
[0065] 3、通过还原喷枪喷入粉煤作还原剂，使熔体中的重金属氧化物还原成金属进入金属相，然后澄清分离形成明显的相界面；
[0066] 4、从澄清分离区的虹吸口定期放出金属(金属相可能是某种金属，也可能是多种金属的
合金或固熔体)；
[0067] 5、从放渣口排出炉渣(炉渣为以铁、硅、钙为主要成分的化学性质稳定的玻璃体，属于一般固废)。
[0068] 重金属固废来源广泛，种类繁多，首先必须进行分类。根据来源可以分为三大类：
[0069] (1)火法冶炼的熔炼渣和烟尘
[0070] 含水低，重金属大部分以氧化物形态存在，化学性质比较稳定；
[0071] (2)湿法冶炼渣
[0072] 含水20％-30％，重金属大部分以盐类的离子状态存在，随着雨水渗入地表
水体；
[0073] (3)各种污泥包括电镀污泥、酸洗污泥、
废水处理污泥
[0074] 含水高达60％-70％，其中30％左右为结晶水，重金属大部分以盐类的离子状态存在，随着雨水渗入地表水体。
[0075] 湿法冶炼渣和污泥在加入处理炉之前需要干燥，湿法冶炼渣干燥至含水15％，由于在干燥温度下很难将污泥中的结晶水
蒸发，污泥干燥至含水30％左右即可。
[0076] 往处理炉中加入物料中的粒煤和由潜流喷射燃烧器喷入的粉煤在富氧空气中燃烧，C+O2＝CO2，CO2+C＝CO，放出大量的热量，温度达到1300-1400℃，物料溶化，硫酸盐分解MeSO4＝MeO+SO2，释放出SO2气体进入烟气。也可能有一部分容易还原的金属(如铜、铅)被还原成金属MeO+CO＝Me+CO2。还原出来的金属Me形成金属相，难以还原的氧化物MeO(如ZnO、FeO、SiO2、CaO等)形成炉渣，炉渣成分来自于固废的各种元素，形成以FeO、SiO2、CaO为主要成分的多元渣型，不需要另外加入熔剂造渣。一般来说，在一定程度上三元共晶的熔点比二元共晶低，多元共晶的熔点比三元共晶更低。所以，不加熔剂同样可以得到熔点较低的渣型。
[0077] 熔体包括金属和炉渣一起通过隔墙下方通道进入还原区，通过还原喷枪往熔体渣层喷入粉煤和富氧空气，控制较强的还原性气氛，将其中铜、铅、锌、镍、锡、锑等的有价金属还原出来MeO+CO＝Me+CO2。重金属氧化物被还原成金属，进入金属相，炉渣中的重金属被脱除，而且形成化学性质稳定的没有环境危害玻璃体。
