垃圾焚烧过程中铅和镉的挥发特性及其排放控制研究

发布时间：2020-05-21 20:40

【摘要】：垃圾焚烧因为具有占地面积小、垃圾处理量大和减容率高的优点,所以在全球范围内得到了广泛的应用。近年来,中国城市垃圾围城现象日益严重,垃圾焚烧电厂建设进入了高速发展期。生活垃圾内含有半挥发性有毒重金属,如Pb和Cd等,容易在焚烧炉内挥发,在烟气中冷凝,生成亚微米颗粒物,穿透除尘设备,直接排向大气,从而对人体产生危害。本文以Pb和Cd为研究对象,探索二者在焚烧过程中的挥发特性及其排放控制。首先,基于最小Gibbs自由能方法和热重分析,对Pb和Cd的多种纯净物进行了热力学和热分析研究,得到了对应的热稳定性和挥发动力学。在空气气氛下、焚烧温度区间内,氧化物和氯化物较为稳定,其他考察的物质均会转化为氧化物。氯化物以及氧化物的初始挥发温度高低顺序为Cdo(～1040℃)PbO(～860℃)CdCl2(～500℃)≈PbCl2(～500℃),挥发速率大小顺序为CdCl2PbCl2PbOCdO。氯化物的挥发性远高于氧化物。接着,基于最小Gibbs自由能方法,研究了焚烧炉内Pb和Cd的物理化学状态分布,得到了焚烧工况和输入元素产生的影响及其作用机制。氧化性气氛下提高温度导致H20促进Pb和Cd从氯化物向氧化物转变；还原性气氛下提高温度导致二者从硫化物向单质转变。CaO可以作为脱硫剂阻止NaCl通过S02释放C1,也可以作为脱氯剂吸收Cl,但在800℃以上无效。试验中发现,模拟垃圾表面和内部的还原性气氛将重金属还原为单质气体从而降低初始挥发温度。添加PVC和NaCl对重金属的挥发促进作用相近,但过程和机理不同。PVC在300℃的C1释放导致重金属低温氯化,NaCl则在800℃左右通过Si和A1直接氯化重金属。CaO在700℃之前可以阻碍PVC产生的低温氯化,但对NaCl产生的高温氯化无效。然后,基于对焚烧炉内重金属挥发特性的深入理解,对焚烧炉内高岭土控制重金属排放进行了理论研究。基于第一性原理,通过量子化学计算,研究了高岭土吸附Pb和Cd蒸汽的机理。高岭土依靠A1表面的不饱和A1原子和O原子进行吸附,吸附产物稳定性顺序为：氧化物氯化物单原子。氧化物蒸汽吸附由于(O-.Al键而稳定不易脱附,试验中CdO捕集效率低于PbO由物理扩散导致而与分子层面的化学吸附无关。氯化物分子吸附通过高活化能的HCl释放步骤转变为稳定氧化物吸附,试验中CdCl2捕集效率低于PbCl2由中间产物脱附能力差异导致。最后,使用小型流化床焚烧炉试验台焚烧模拟垃圾,研究高岭土捕集亚微米Pb和Cd的过程和性能。捕集过程分为：(1)蒸汽化学吸附；(2)颗粒间粘附团簇；(3)表面粘附重金属纳米颗粒物；(4)被除尘设备捕集。Pb的化学吸附和促进粘附能力均强于Cd。从捕集效率角度评价,提高温度有利于提升捕集性能,但添加量存在性能极限。从毒性排放控制角度评价,提高温度无法提升性能,但增加添加量未出现极限。基于量子化学研究结果的酸改性方法可以有效提升高岭土性能。
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及有关法律法规规定为城市生活垃圾的固体废物，通常由市政姐织清理清运和处理处置，逡逑长期无人管理将对生活环境Ｗ及城市居民身体健康产生危害。随着城市化率的提高、城镇人逡逑口的增长，全国城市生活垃圾清运量稳步上升，，如图１－１所示Ｐ１。逡逑２．０］邋—0＿城镇化率逦—城镇人口逦Ｉ逦［垃圾清运量逦］６０逦－．８逡逑逦逦＇．…＇邋．逡逑逦逡逑孒邋１邋６－．逦逦．．．逦…逦—５０逦＾邋－邋６邋：逡逑尝逦逦Ｉ＿Ｉ逦逦．菱．公逡逑ｉ．邋逦Ｉ邋Ｉ￣￣Ｉ逦逦逦逦黎－文逡逑冀逦蓄邋慧逡逑贷１．２＾－

本文编号：2674873