垃圾焚烧过程中半挥发性重金属排放特性及控制研究

摘要

垃圾焚烧因具有减容化、无害化、资源化等优点，成为很多国家主要的垃圾处理方式。但垃圾焚烧会引起有毒重金属污染，严重制约了垃圾焚烧技术的发展和应用。本文采用理论与实验相结合的方法，深入研究了垃圾焚烧过程中重金属Pb、Cd的排放特性及控制方法。
　　首先，在管式炉上考察了无机氯(NaCl)、有机氯(PVC)、不同形态的硫(S、Na2S、Na2SO4)以及吸附剂对重金属Pb、Cd挥发特性的影响。实验表明，无机氯(NaCl)、有机氯(PVC)均能有效地促进Pb、Cd的挥发;无机氯(NaCl)、有机氯(PVC)中氯释放特性不同导致其对Pb、Cd影响机理不同。不同形态S对重金属Pb、Cd挥发特性影响不同，低温下S、Na2S、Na2SO4对Pb、Cd挥发具有抑制作用;而高温下S、Na2SO4会促进Pb、Cd的挥发，Na2S会促进Pb的挥发，但对Cd表现出相反的作用。高岭土、沸石对重金属Pb、Cd具有一定的吸附作用，并且既存在物理吸附又存在化学吸附，而石灰石无明显吸附作用。
　　其次，在小型流化床焚烧炉上对重金属Pb、Cd在PM10中的分布特性进行了研究，将在管式炉上表现出较好吸附效果的高岭土在小型流化床上进行吸附性能测试，并利用SEM/EDS/XRD等分析方法分析其吸附剂机理。实验结果表明，PM10中亚微米Pb、Cd所占比例分别达到90％、85％;添加高岭土能够有效控制亚微米Pb、Cd排放，对亚微米Pb、Cd的最高捕集效率分别达83％、51％;高温下高岭土与重金属Pb、Cd蒸气反应并产生共晶融化，其产物为PbO·Al2O3·2SiO2、CdO·Al2O3·2SiO2;随温度升高，高岭土与重金属的共晶融化量增加，其共融物可促进高岭土对重金属蒸气的捕集，但温度过高会导致过量共晶融化，使高岭土的孔隙结构坍塌，捕集效率反而降低;Pb、Cd共存时，Pb会促进高岭土与Cd的反应，Cd能够抑制Pb与高岭土的过量共晶融化，1000℃时Pb、Cd产生相互促进作用。
　　最后，基于吉布斯自由能最小法原理，利用热力学平衡计算法考察了温度、氯、硫和吸附剂等对Pb、Cd的挥发特性影响。计算结果表明，焚烧过程中氯易于与重金属Pb、Cd反应生成易挥发的氯化物，促进Pb、Cd的挥发;低温段硫会抑制重金属Pb、Cd的挥发，而高温段影响不大。垃圾中的Na与Cl、S的亲和性远强于Pb，使得Na在一定程度上抑制了S、Cl对Pb作用。CaO对Pb、Cd的吸附效果较差，SiO2能够有效地吸附Pb、Cd，而Al2O3仅对Cd有一定的吸附效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 城市生活垃圾产生及处理现状

1．1．1 城市生活垃圾的产量

1．1．2 城市生活垃圾的处理方式

1．2 城市生活垃圾焚烧技术概况

1．2．1 垃圾焚烧技术在国内外的发展现状

1．2．2 垃圾焚烧炉的发展及应用

1．3 垃圾焚烧过程中重金属的来源及危害

1．4 国内外研究现状

1．4．1 焚烧过程中重金属行为特性研究现状

1．4．2 重金属挥发特性影响因素研究现状

1．4．3 垃圾焚烧中重金属的控制研究现状

1．4．4 热力学计算研究现状

1．5 本文的技术路线与主要研究内容

1．6 本章小结

第二章 垃圾焚烧过程中铅、镉挥发特性研究

2．1 实验部分

2．1．1 实验装置

2．1．2 实验样品制取

2．1．3 实验方法

2．1．4 实验样品的消解与测试

2．1．5 重复性实验与误差分析

2．2 焚烧温度对Pb、Cd挥发特性影响

2．3 氯对Pb、Cd挥发特性的影响

2．3．1 PVC与NaCl中氯释放特性研究

2．3．2 氯对Pb挥发特性影响

2．3．3 氯对Cd挥发特性影响

2．4 硫对Pb、Cd挥发特性影响

2．4．1 硫对Pb挥发特性影响

2．4．2 硫对Cd挥发特性影响

2．5 吸附剂对Pb、Cd挥发特性影响

2．5．1 垃圾焚烧低渣SEM/EDS分析

2．5．2 吸附剂对Pb、Cd挥发特性影响

2．6 本章小结

第三章 高岭土对垃圾焚烧中铅、镉排放的控制研究

3．1 实验部分

3．1．1 实验装置

3．1．2 实验材料

3．1．3 实验方法

3．1．4 实验样品的分级采样原理

3．1．5 试验样品的消解与测试

3．2 Pb、Cd单独添加时控制研究

3．2．1 焚烧中Pb分布特性和控制研究

3．2．2 焚烧中Cd分布特性和控制研究

3．2．3 高岭土对Pb、Cd捕集机理研究

3．3 Pb、Cd同时添加时控制研究

3．3．1 焚烧中Pb、Cd分布特性

3．3．2 焚烧中Pb、Cd排放控制研究

3．3．3 高温下Pb、Cd相互影响

3．3．4高岭土对Pb、Cd捕集机理研究

3．4 本章小节

第四章 垃圾焚烧中铅、镉形态转化热力学研究

4．1 热力学计算方法与原理

4．2 热力学计算模型与条件

4．2．1 热力学计算模型

4．2．2 热力学计算条件

4．3 温度对Pb、Cd转化特性影响

4．4 Cl、S对Pb、Cd转化特性影响

4．4．1 Cl、S对Pb转化特性影响

4．4．2 Cl、S对Cd转化特性影响

4．5 吸附剂对Pb、Cd转化特性影响

4．5．1 CaO对Pb、Cd转化特性影响

4．5．2 SiO2对Pb、Cd转化特性影响

4．5．3 A12O3对Pb、Cd转化特性影响

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间成果