城市生活垃圾焚燒飛灰熔融特性及重金屬賦存遷移規(guī)律的研究.pdf

1、垃圾焚燒電廠產(chǎn)生的焚燒飛灰中含有大量毒性重金屬及其化合物，且具有高浸出率，屬于危險(xiǎn)廢物，飛灰熔融處理技術(shù)可有效地控制焚燒飛灰中重金屬污染，是焚燒飛灰無(wú)害化處理的主要技術(shù)之一。本文系統(tǒng)地研究了垃圾焚燒飛灰的基本特性、在高溫管式爐和旋風(fēng)熔融爐中的熔融特性及重金屬的行為特性，并分析探討了流化床煤氣化．旋風(fēng)熔融集成處理系統(tǒng)的各種因素對(duì)焚燒飛灰中重金屬行為的影響。 本文選取我國(guó)華東地區(qū)三個(gè)典型城市正在運(yùn)行的垃圾焚燒發(fā)電廠的布袋除塵器飛灰

2、作為研究對(duì)象，系統(tǒng)地分析了它們的化學(xué)組成特性、物理特性、微觀形貌、礦物組成特性、浸出特性等，結(jié)果表明，垃圾焚燒飛灰的成分相當(dāng)復(fù)雜，其主要成分是SiO<,2>、CaO、Al<,2>O<,3>和Fe<,2>O<,3>，其次為Na<,2>O、K<,2>O、MgO、氫氧化物、氯化物，還有少量重金屬，如Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等，其中Pb、Zn等重金屬?lài)?yán)重超出危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)；三種飛灰粒徑呈近似的正態(tài)分布，飛灰粒徑的主要范圍在10-100μm

3、之間；焚燒飛灰熔融處理過(guò)程為吸熱過(guò)程，包括晶體物相轉(zhuǎn)變階段和熔融階段。各階段的溫度范圍、吸收熱量及熔融反應(yīng)的起始溫度與飛灰成分有著密切關(guān)系，其熔點(diǎn)受成分的影響最為顯著，SiO<,2>+Al<,2>O<,3>含量的高低直接影響飛灰的熔點(diǎn)，三種飛灰的熔點(diǎn)由高到低依次為：FA3>FA2>FA1。焚燒飛灰由大量的不規(guī)則狀結(jié)晶相和非晶相組成，外觀上較為松散，呈球狀、橢球狀或片狀層疊在一起，孔隙率較高，比表面積較大。焚燒飛灰是高浸出毒性的危險(xiǎn)廢棄物

4、，其中Cd、Cr、Pb、Cu、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比土壤中高出很多，三種飛灰中Pb、Cr，F(xiàn)Al和FA2中的zn的浸出值均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，須對(duì)焚燒飛灰進(jìn)行穩(wěn)定化、無(wú)害化處理。三種飛灰浸出前后溶液的pH值的變化規(guī)律較接近，浸出液的pH值以5．3為分界點(diǎn)，分界點(diǎn)之前浸出液的pn值上升較快，之后變化明顯減慢。 在掌握了焚燒飛灰基本特性基礎(chǔ)上，采用高溫管式電爐對(duì)焚燒飛灰進(jìn)行靜態(tài)熔融試驗(yàn)，研究了飛灰熔融前后試樣的微觀形貌、礦物特性、重金屬分布、

5、浸出毒性、添加劑對(duì)熔融特性的影響，并探討了熔融溫度、熔融時(shí)間、堿基度、添加劑、氣氛等多種因素變化對(duì)飛灰熔融過(guò)程中重金屬的固溶、揮發(fā)特性的影響。研究表明：1400℃時(shí)試樣已完全熔融，熔融體表觀結(jié)構(gòu)平整光滑，具有較高的硬度，其斷面具有光澤且無(wú)明顯孔隙產(chǎn)生；熔融體呈結(jié)晶狀態(tài)，且結(jié)晶相數(shù)量隨著溫度的升高呈增加趨勢(shì)；熔融產(chǎn)物中Zn、Cr、Pb、Cu、Cd、Hg等重金屬浸出率均非常低；在空氣氣氛下熔融時(shí)，SiO<,2>、CaO、Al<,2>O<,3

6、>三種添加劑對(duì)熔融效果的影響次序：SiO<,2>>CaO>Al<,2>O<,3>。熔融溫度對(duì)重金屬的行為影響顯著；熔融時(shí)間對(duì)各種重金屬的固溶揮發(fā)行為影響差異較大；堿基度變化對(duì)重金屬的固溶率影響顯著。熔融過(guò)程中適當(dāng)?shù)負(fù)饺隨iO<,2>有利于重金屬固溶率提高。氧化氣氛下，Cr、Ni、Cu、As的固溶率隨其熔沸點(diǎn)的升高而依次升高，低沸點(diǎn)金屬Pb、Cd、Hg、Zn在熔融過(guò)程中揮發(fā)性較高；還原氣氛下，Ni、Cr大部分固溶在熔渣中，還原性氣氛有利于

7、Ni、Cr、Cu和As的固溶，而Hg、Cd、zn更容易揮發(fā)，熔融溫度對(duì)它們揮發(fā)率影響較小，但還原性氣氛對(duì)Pb的揮發(fā)有抑制作用。 根據(jù)垃圾焚燒飛灰管式熔融爐熔融特性和重金屬行為特性的試驗(yàn)研究結(jié)果，提出了一種新型工藝-煤氣化．旋風(fēng)熔融集成處理工藝，自行設(shè)計(jì)建造了處理能力為6kg·h<'-1>的試驗(yàn)系統(tǒng)，首先采用燃油作為熱源對(duì)旋風(fēng)熔融爐進(jìn)行了焚燒飛灰動(dòng)態(tài)熔融試驗(yàn)，研究了熔融溫度、CaO、SiO<,2>和MgO添加劑對(duì)焚燒飛灰熔融特性

8、及重金屬賦存遷移規(guī)律的影響，獲得了焚燒飛灰動(dòng)態(tài)熔融處理特性及重金屬賦存遷移規(guī)律。結(jié)果表明，在1400℃條件下，飛灰試樣在旋風(fēng)爐中也可完全轉(zhuǎn)化為玻璃態(tài)；在飛灰中摻A．CaO、SiO<,2>和MgO，同樣可有效地改進(jìn)焚燒飛灰熔融特性：CaO可有效地控制飛灰熔點(diǎn)，CaO對(duì)焚燒飛灰的助熔作用應(yīng)根據(jù)飛灰的成分進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整：添加SiO<,2>有利于降低飛灰的熔點(diǎn)，隨著SiO<,2>添加量的增加，熔渣穩(wěn)定性增強(qiáng)；MgOS對(duì)飛灰中硅酸鹽或硅鋁酸鹽中的

9、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有破壞作用，MgO添加量>5﹪時(shí)，對(duì)試樣達(dá)到較好的熔融效果具有促進(jìn)作用。在1250-1400℃范圍內(nèi)，Ni、Cr、Cu、Co、Mn的固溶率隨熔融溫度的升高而緩慢增長(zhǎng)，熔融溫度變化對(duì)As、Pb、Cd、Zn的固溶率有顯著影響，對(duì)Hg的揮發(fā)影響甚微：CaO的添加對(duì)Cr、Cu、Mn、As、Zn、Pb的固溶有抑制作用；添力ISiO<,2>對(duì)重金屬的固溶率有促進(jìn)作用；MgO的添加有利于重金屬的固溶，尤其是對(duì)于zn、As、Cd、Pb的固溶率提

10、高更為顯著；三種添加劑對(duì)重金屬的固溶作用：MgO最好，SiO<,2>次之，CaO較差。在不同熔融溫度下，煙氣中揮發(fā)性重金屬對(duì)熔融溫度較敏感，隨溫度增加呈先減后增的趨勢(shì)；CaO添加量為5﹪時(shí)可減少熔融過(guò)程中揮發(fā)性重金屬的排放，繼續(xù)增加CaO將對(duì)重金屬固溶產(chǎn)生負(fù)面影響；煙氣揮發(fā)性重金屬含量隨SiO<,2>添加量的增加而減少；MgO的介入對(duì)煙氣中重金屬含量有顯著影響。最后將流化床煤氣化爐和旋風(fēng)熔融爐聯(lián)接起來(lái)進(jìn)行集成試驗(yàn)，研究了空氣-煤質(zhì)量比、

11、蒸汽．煤質(zhì)量比、床層溫度、添加劑種類(lèi)等因素對(duì)焚燒飛灰熔融過(guò)程中重金屬元素賦存遷移規(guī)律的影響。結(jié)果表明：在不同空煤比條件下，Ni、Cr的固溶率最高，Cu、Mn、Co的固溶率隨空煤比增加呈緩慢上升的趨勢(shì)：揮發(fā)性重金屬的固溶率隨空煤比的增加基本呈上升趨勢(shì)。固溶率超過(guò)30﹪的重金屬主要有As和Zn；Hg的固溶率隨空煤比的變化基本維持不變。隨著汽煤比的增加，Co、Cr、Cu、Mn、Ni的固溶率及揮發(fā)性重金屬的固溶率均呈先增后減的趨勢(shì)，且在汽煤比為

12、0.41kg．kgO<'-1>時(shí)，固溶率達(dá)到最高，cr、Ni的固溶率在不同工況下均大于90﹪；當(dāng)床層溫度在860-920℃之間時(shí)，Mn的固溶率隨床溫的升高略有降低，Co、Cr、Cu、Ni的固溶率與床層溫度呈正相關(guān)，固溶率大小依次為：Ni>Cr>Cu>Mn>Co；zn的固溶率與床層溫度呈反比，Pb、Cd的固溶率隨床層溫度的升高而升高；Hg的固溶率隨床溫變化不明顯。添加MgO對(duì)Ni、Cr固溶較為有利；CaO、SiO<,2>、MgO的添加對(duì)于

13、Mn的固溶率均無(wú)明顯提高；對(duì)于Cu，SiO<,2>的固溶效果最好，MgO次之，CaO稍差；添力IMgOt寸Co的固溶率最高，SiO<,2>次之，CaO最差；MgO、SiO<,2>的添加相對(duì)無(wú)添加劑時(shí)重金屬的固溶率提高較為明顯。對(duì)于As、Zn、Cd、Pb，MgO的效果優(yōu)于SiO<,2>、CaO；三種添加劑對(duì)飛灰熔融過(guò)程中重金屬固溶率提高的次序依次為：MgO>SiO<,2>>CaO。 在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，基于重金屬元素在熔融過(guò)程中