城市污泥流化床焚烧炉飞灰重金属迁移富集特性研究

摘要

污泥焚烧法与其它污泥处理方法相比，能更好地达到污泥处理减量化、资源化和无害化的目标，且具有占地面积小、运行稳定、处理时间短、减量化显著、无害化彻底、可回收热能等优点。但焚烧产生的飞灰含有一定浓度的重金属，部分重金属毒性大，化学稳定性好，通过化学物理作用和食物链而累积，严重危害人体健康和生态环境。飞灰重金属元素在焚烧过程中的迁移富集特性成为飞灰无害化处理研究中的重点之一。
　　飞灰是污泥焚烧后的主要残留物之一，其富集了一定浓度的重金属和二嗯英等污染物。本文以城市污泥流化床焚烧炉飞灰及飞灰重金属为研究对象，介绍了重金属的危害、国内外飞灰处理现状，同时分析了焚烧过程中重金属迁移富集机理及影响因素，对污泥焚烧飞灰中Cu、Cd、Cr、Ni、Pb、Mn、As和Zn典型重金属元素进行研究。
　　研制高温飞灰等温、等速在线取样系统，在国内某热电厂7＃污泥流化床焚烧炉上，对焚烧炉炉膛出口及对流受热面处进行高温飞灰在线取样，并同步定时采集入炉污泥及底渣样，采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)和X射线荧光光谱仪分别测定样品中Cu、Cd、Cr、Ni、Pb、Mn、As和Zn的含量和化学成分。试验结果表明，飞灰、底渣及入炉污泥灰中主要化学成分为SiO2、Fe2O3、CaO、Al2O3和P2O5，占总量的90％以上，而其他氧化物MgO、K2O、TiO2、 ZnO、Cr2O3、Na2O、MnO、CuO、SrO的总含量不到10％。“SiO2-CaO-Al2O3-金属氧化物”体系构成了重金属吸附的载体，也为不同形态重金属的吸附提供了活性空间。炉膛出口飞灰的平均粒径为139.7μm，粒径小于139.7μm的飞灰约占总体积分数的60％，粒径小于256μm的飞灰占99.9％;飞灰的堆积密度和真密度分别为:966 kg/m3和2913 kg/m3。本论文在工业规模城市污泥流化床焚烧炉的热态测试中发现，Cd、As为易挥发性重金属，在炉膛内挥发的Cd、As及其化合物蒸气分别在503℃左右和475℃左右时几乎全部富集于飞灰颗粒;Pb在炉膛内的挥发量很小，在炉膛内挥发的Pb及其化合物蒸气在503℃左右时几乎全部富集于飞灰颗粒;Cr、Mn、Cu、Zn主要通过夹带富集于飞灰颗粒，它们在尾部烟道不同温度区域飞灰颗粒上的富集程度相当。飞灰基体中某些成分对Ni、As存在亲和效应，导致飞灰基体对Ni、As的吸附能力比其他重金属强。飞灰中Cd和As在炉膛出口高温区域（约820℃以上）的含量相对较低，在此温度区间采取适当的方法分离污泥流化床焚烧飞灰，可在一定程度上降低对飞灰中Cd和As的处理成本，提高富含重金属飞灰无害化处理的效率和经济性。
　　为了进一步研究污泥流化床焚烧飞灰中Cu、Cd、Cr、Ni、Pb、Mn、As和Zn在不同温度下的挥发特性，在水平管式炉上对布袋除尘器飞灰在400℃、500℃、600℃、700℃、750℃、800℃、850℃及900℃下煅烧100min，采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定样品中Cu、Cd、Cr、Ni、Pb、Mn、As和Zn的含量。布袋除尘器飞灰的平均粒径为13.46μm，粒径小于13.46μm的飞灰约占总体积分数的62.5％，99％以上的飞灰粒径小于50μm。煅烧试验结果表明，400～900℃范围内，飞灰中Mn、Cu、Cr、Ni、Cd、As和Pb的挥发率随温度的升高而增加，Mn、Cu、Cr、Ni的挥发率小于9％，Cd、Zn、As和Pb的挥发率在10～70％之间。400～900℃范围内，飞灰中Mn、Cu、Cr和Ni主要以金属氯化物形式微量挥发;低温时飞灰中Zn可能主要以ZnCl2(g)形式挥发，高温下会生成硅锌矿(Zn2SiO4)和尖晶石(ZnAl2O4)等稳定物质阻止锌的进一步挥发。飞灰中Cd在500～800℃主要以CdCl2(g)形式快速挥发;As在500～800℃可能主要以气态As4O6、As2S2及少量的AsCl3形式快速挥发;Pb在400～700℃主要以PbCl2(g)和少量PbCl4(g)形式挥发，700～850℃主要以PbCl2(g)和少量PbCl(g)形式挥发。
　　通过在线取样和煅烧试验研究发现，Cr、Mn、Ni、Cu的挥发性相近，为难挥发性重金属;As、Cd为易挥发性重金属;Zn属于半挥发性重金属。
　　污泥流化床焚烧飞灰中Mn、Cu、Cr、Ni、Cd、As和Pb的挥发能力由强到弱依次是As＞Cd＞Pb＞Zn＞Cr、Mn、Ni、Cu。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 城市污泥的处置方法

1．3 飞灰中重金属的危害及国内外处理现状

1．3．1 重金属的危害

1．3．2 国内外飞灰处置现状

1．4 本课题所研究的重金属

1．5 课题的研究背景、主要内容及目的

1．5．1 研究背景

1．5．2 本文主要研究内容及目的

参考文献

第2章 重金属迁移富集机理及影响因素

2．1 引言

2．2 焚烧过程中重金属的挥发及存在形态

2．2．1 重金属的挥发

2．2．2 焚烧过程中重金属的存在形态

2．3 影响重金属挥发的主要因素

2．3．1 焚烧温度

2．3．2 入炉燃料中氯和硫的含量

2．3．3 氧化还原气氛

2．4 焚烧过程中重金属迁移富集机理及影响因素

2．4．1 重金属迁移富集机理

2．4．2 影响重金属迁移富集的主要因素

2．5 本章小结

参考文献

第3章 试验装置及测试仪器

3．1 高温飞灰等温、等速取样系统研发

3．1．1 高温飞灰等温、等速取样系统设计原则

3．1．2 高温飞灰等温、等速取样系统

3．1．3 取样枪

3．1．4 旋风分离器

3．1．5 滤筒

3．2 水平管式炉试验装置

3．2．1 水平管式炉试验系统简介

3．2．2 水平管式炉有效恒温段测定

3．3 测试仪器

3．3．1 激光粒度分析仪

3．3．2 X射线荧光光谱仪

3．3．3 电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)

3．4 本章小结

参考文献

第4章 污泥流化床焚烧炉飞灰重金属迁移富集特性研究

4．1 污泥流化床焚烧炉简介

4．2 飞灰取样方法及取样工况

4．2．1 飞灰取样标准

4．2．2 试验方法

4．2．3 飞灰取样工况

4．3 试验结果及分析

4．3．1 入炉污泥及飞灰特性

4．3．2 入炉污泥重金属含量(干基)

4．3．3 温度对飞灰中重金属元素迁移富集特性的影响

4．3．4 飞灰中重金属在每个取样点的相对富集系数

4．3．5 碱金属对飞灰中重金属迁移富集的影响

4．4 本章小结

参考文献

第5章 污泥流化床焚烧飞灰重金属在不同温度下的挥发特性

5．1 试验方法

5．2 入炉污泥及布袋除尘器飞灰特性

5．2．1 污水处理厂焚烧炉入炉污泥特性

5．2．2 布袋除尘器飞灰特性

5．3 试验结果及分析

5．3．1 煅烧时间的确定

5．3．2 煅烧温度对飞灰中重金属挥发特性的影响

5．3．3 飞灰中重金属在不同煅烧温度下的相对富集系数

5．3．4 飞灰中重金属挥发能力分析

5．4 本章小结

参考文献

第6章 全文总结与建议

6．1 全文总结

6．2 今后工作与建议

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的论文