重金属铜、镍、锌在生活垃圾焚烧过程中的迁移和转化特性研究

发布时间：2017-10-22 08:05

  本文关键词：重金属铜、镍、锌在生活垃圾焚烧过程中的迁移和转化特性研究

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【摘要】：经济发展以及人口增长使焚烧成为生活垃圾处置的重要手段之一,但是由此产生的环保问题现已成为社会上敏感的热点话题,尤其是重金属和二VA英的排放。我国生活垃圾中的重金属含量较高,如果任意排放会导致环境中的积存,最终产生严重的二次污染。此外,飞灰中的铜还是二VA英生成的重要催化剂,具有较高的环境污染风险。我国生活垃圾组成十分复杂,本文综合考虑了物理组成、化学组成和痕量元素,给出了含重金属生活垃圾的模拟方案。针对层燃炉排焚烧技术,设计了管式炉焚烧实验系统。参考美国环保署的标准Method 5和Method 29,建立了一套实验室焚烧产物的采样标准。借鉴土壤中重金属的消解标准,以回收率为指标分别确定了适用于铜、镍、锌的消解方法。采用电感耦合等离子原子发射光谱(ICP-AES)定量分析了焚烧产物中铜、镍、锌的含量。使用吉布斯自由能最小法建立了多相多组分热力学平衡模型。本文以我国生活垃圾为背景,通过实验研究和理论分析研究了铜、镍、锌在焚烧过程中的迁移和转化特性,并取得了以下研究成果。首先研究了氯的形态、氯的浓度、焚烧温度和停留时间对铜、镍、锌迁移和转化特性的影响规律。无论是有机氯(PVC)还是无机氯(NaCl)对铜、镍、锌都有氯化作用,使其转化为低熔点、低沸点的氯化物(CuCl、NiCl2、ZnCl2),促进重金属向飞灰和烟气中的迁移分布。焚烧温度和氯的热解特性协同作用影响重金属的迁移和转化。随着温度升高,PVC对铜的氯化作用减弱,而对镍和锌的氯化作用增强。当焚烧温度超过NaCl的熔点后,升温有助于增强液相NaCl的传质扩散,从而促进铜、镍、锌的氯化和挥发。焚烧停留时间对PVC的氯化效果没有显著影响,而对NaCl影响显著。然后研究了硫的形态、硫的浓度、焚烧温度及硫与氯协同作用对铜、镍、锌迁移和转化特性的影响规律。单质硫(S)易与铜、镍、锌形成不挥发的硫酸盐,并随着温度降低越容易生成硫酸盐。硫化物(Na2S)和硫酸盐(Na2SO4)对炉渣明显有助熔作用,阻碍了铜、镍、锌的挥发特性。S能有效促进无机氯分解,释放出更多的C1和HC1,增强了铜、镍、锌的挥发性。S与氯协同作用受温度影响显著,800℃时重金属挥发率远高于900℃和1000℃。Na2S和Na2SO4与氯协同作用的影响远低于S,反而因为熔渣作用使得铜、镍、锌的挥发比率降低。再后研究了水分对铜、镍、锌迁移和转化特性的影响规律。烟气中水分对重金属迁移和转化特性的影响主要体现为Cl与HC1、水解与氯化反应的平衡移动。而垃圾中水分更主要体现在对燃烧状况的影响,垃圾中水分的降低可缩短着火、熄火和燃尽时间,同时还可以大幅度提高燃烧温度。最后研究了无机物质Al2O3、SiO2和CaO与氯协同作用对铜、镍、锌迁移和转化特性的影响规律。有机氯PVC作用时,Al2O3可显著减少铜、锌的挥发,SiO2一定程度上减少锌的挥发,Al2O3和SiO2对镍的影响甚微。无机氯NaCl作用时,Al2O3和SiO2能有效促进NaCl氧化分解,从而导致铜、镍、锌的挥发比率显著增加。CaO在脱酸的同时能有效降低重金属铜、镍、锌的挥发。同时,CaO还能与Al2O3和SiO2反应生成稳定的硅铝酸盐,显著降低NaCl的氯化效果。本文的研究成果对进一步认识我国垃圾焚烧中重金属的迁移转化特性、焚烧炉的设计改进及发展焚烧中和焚烧后重金属的控制技术提供参考。
【关键词】：垃圾焚烧 重金属 铜 镍 锌 迁移分布 形态转化
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X799.3
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 引言13-33
• 1.1 课题背景与研究意义13-15
• 1.2 生活垃圾的研究现状15-20
• 1.2.1 生活垃圾的物理组成和重金属分布15-17
• 1.2.2 生活垃圾和重金属模拟的研究现状17-20
• 1.3 生活垃圾焚烧中重金属迁移转化特性的研究现状20-32
• 1.3.1 生活垃圾焚烧中重金属的迁移行为特性20-22
• 1.3.2 典型生活垃圾焚烧厂中重金属的迁移分布22-25
• 1.3.3 生活垃圾焚烧中重金属组分的热力学平衡分布模拟25-26
• 1.3.4 生活垃圾焚烧中重金属迁移转化影响因素研究26-30
• 1.3.5 现有研究总结及分析30-32
• 1.4 研究目标和主要研究内容32-33
• 2 实验系统与研究方法33-55
• 2.1 生活垃圾和重金属的模拟方案33-34
• 2.2 管式炉实验系统34-37
• 2.2.1 气体供应装置34-35
• 2.2.2 气体流量控制系统35
• 2.2.3 管式炉反应器35-36
• 2.2.4 飞灰捕捉系统36-37
• 2.2.5 烟气吸收系统37
• 2.3 实验方法37-48
• 2.3.1 石英管反应器温度标定37-39
• 2.3.2 焚烧时间的确定39-40
• 2.3.3 焚烧实验方法及样品收集40
• 2.3.4 重金属消解方法40-44
• 2.3.5 实验中所用化学试剂44-45
• 2.3.6 实验误差及重金属回收率45-46
• 2.3.7 样品分析选用的仪器46-48
• 2.4 热力学平衡原理及计算方法48-55
• 2.4.1 热力学平衡计算原理48-49
• 2.4.2 CHEMIN软件介绍49-50
• 2.4.3 本文所采用的热力学数据50-53
• 2.4.4 热力学平衡模型与计算参数53-55
• 3 氯对铜、镍、锌迁移和转化特性的影响55-83
• 3.1 有机氯PVC对铜、镍、锌迁移分布特性的影响55-59
• 3.2 无机氯NaCl对铜、镍、锌迁移分布特性的影响59-62
• 3.3 焚烧停留时间对铜、镍、锌迁移分布特性的影响62-66
• 3.4 氯对铜、镍、锌转化特性的SEM/EDS分析66-71
• 3.5 含氯体系中铜、镍、锌形态转化的热力学平衡模拟71-78
• 3.5.1 焚烧温度对铜、镍、锌形态转化的影响71-74
• 3.5.2 氯含量对铜、镍、锌可挥发性组分平衡分布的影响74-78
• 3.6 氯对铜、镍、锌迁移和转化影响的机理分析78-80
• 3.7 本章小结80-83
• 4 硫对铜、镍、锌迁移和转化特性的影响83-99
• 4.1 S、Na_2S和Na_2SO_4对铜、镍、锌迁移分布特性的影响83-87
• 4.2 硫与氯协同作用对铜、镍、锌迁移分布特性的影响87-90
• 4.3 含硫体系中铜、镍、锌形态转化的热力学平衡模拟90-96
• 4.3.1 焚烧温度对铜、镍、锌形态转化的影响90-92
• 4.3.2 硫与氯协同作用对铜、镍、锌形态转化的影响92-94
• 4.3.3 硫、氯、钠协同作用对HCl(g)平衡分布的影响94-96
• 4.4 硫对铜、镍、锌迁移和转化特性影响的机理分析96-97
• 4.5 本章小结97-99
• 5 水分对铜、镍、锌迁移和转化特性的影响99-113
• 5.1 空气加湿装置99-100
• 5.2 烟气中水分对铜、镍、锌迁移分布特性的影响100-103
• 5.3 垃圾中水分对铜、镍、锌迁移分布特性的影响103-107
• 5.4 水分对铜、镍、锌组分转化影响的热力学平衡模拟107-111
• 5.5 本章小结111-113
• 6 无机物质对铜、镍、锌迁移和转化特性的影响113-125
• 6.1 Al_2O_3和SiO_2对铜、镍、锌迁移分布特性的影响113-116
• 6.2 Al_2O_3和SiO_2对铜、镍、锌形态转化的影响116-118
• 6.3 CaO对铜、镍、锌迁移分布特性的影响118-120
• 6.4 CaO对铜、镍、锌形态转化的影响120-123
• 6.5 本章小结123-125
• 7 结论125-129
• 7.1 主要研究工作及相关结论125-127
• 7.2 本文的创新性127-128
• 7.3 进一步研究的建议128-129
• 参考文献129-137
• 作者简历137-141
• 学位论文数据集141

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