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《浙江大学》 2009年
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利用热等离子体熔融垃圾焚烧飞灰制备微晶玻璃的实验研究

王勤  
【摘要】:城市生活垃圾焚烧飞灰(MSWI)中不仅含有大量的Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn等重金属无机有害物,还富集了高浓度的具有最强毒性的二恶英有机致癌物,我国国家环境保护局将生活垃圾焚烧飞灰定义为国家危险废物(GB18485-2001),故必须对飞灰进行稳定化和无害化处理。 对两种典型炉型的生活垃圾焚烧飞灰进行化学成分和灰熔点分析,并在两种飞灰样品中各添加一定比例的SiO2和CaO,以分析添加剂SiO2和CaO对灰熔点的影响。利用双阳极直流热等离子体熔融技术熔融飞灰,并用扫描电镜(SEM)和晶相衍射分析(XRD)来分析等离子体熔融前后飞灰形态、微观结构和晶相组成。结果表明利用热等离子体熔融处理垃圾焚烧飞灰是完全可行的。SiO2的添加对垃圾焚烧飞灰在助熔上没有帮助,而CaO可在特定条件下实现飞灰的助熔。当原灰的碱度在1.5左右时,其具有最低的灰熔点。熔融使飞灰从灰黑色的粉末转变成墨黑色的均质坚硬的熔渣;微观结构则从原来的布满孔隙转变成致密无孔隙;在晶相组成上,由原来的含有多种晶体转变成无定形的玻璃体。 将两种典型炉型飞灰在不同的烧结温度和烧结时间下进行熔融烧结实验,对两种炉型飞灰在熔融过程中的晶相转变、烧结时间和烧结温度对熔融失重率的影响、碱度变化等方面进行了研究,并着重分析了飞灰中主要化学成分在熔融过程中的迁移特性。研究结果说明,飞灰熔融是一个复杂的晶相转变过程。熔融过程中的晶相转变与飞灰类型有极大的关系。烧结时间对飞灰熔融失重的影响不大,而烧结温度对飞灰熔融失重却具有显著影响。飞灰中Cl和SO3含量越高,其在熔融过程中的失重也就越严重。在熔融过程中,飞灰碱度随熔融的进行而逐渐减小。将常规成分的迁移特性归纳为两种类型,低含氯飞灰:易挥发元素(ClS)较难挥发元素(Na≈KPFeMg)难挥发元素(TAl≈Si≈Ca),和高含氯飞灰:易挥发元素(ClS)较难挥发元素(KNaMgPFe)难挥发元素(TiAl≈SiCa). 对飞灰熔融时重金属的迁移特性进行实验研究。飞灰中重金属的挥发特性可大致归纳为:易挥发重金属(PbCd)挥发性重金属(CuZn)难挥发重金属(CrNi)。飞灰中氯含量越高,其在熔融过程中重金属的挥发也更为严重。 对添加剂SiO2和CaO对熔渣中重金属的固化率、碱度、SiO2+CaO+Al2O3的质量总和等方面的影响进行了研究,并分析了添加剂SiO2和CaO对Na、K、Cl和S等主要成分在熔渣中的固化率的影响。研究结果说明,SiO2和CaO的添加使得熔渣的失重率有所下降,而且在飞灰中添加同比例的CaO要比添加SiO2对熔融失重的影响更为严重。SiO2和CaO的添加对熔渣中Na、K、Cl和S等主要成分的固化率的影响各异。熔渣AG1-AG9和熔渣BG1-BG9中SiO2、CaO和Al2O3质量总和的平均值在85%左右。熔渣的碱度范围较广,且各熔渣碱度均不相同,在0.31-1.18之间变化。SiO2和CaO对不同重金属的影响各不相同,呈现较为复杂的变化趋势。在飞灰中添加大量的SiO2或CaO不仅不能改善重金属的固化效果,反而会加剧重金属的挥发。 利用飞灰及其配灰所得熔渣进行了制备建筑微晶玻璃的研究。利用差热分析(DTA)方法分析基础玻璃的吸热放热特征,利用DTA分析、XRD分析和SEM观测来共同制定各基础玻璃的微晶化热处理工艺。分析微晶玻璃的机械性能和耐酸碱腐蚀性能。研究结果表明,过多的添加SiO2对晶核形成和晶体析出不利。CaO的添加对晶核形成影响不大,对晶体析出却非常有利。CaO对析晶能力的影响远比SiO2显著。微晶玻璃中的晶颗粒尺寸分布在0.05-0.4μm的范围内。微晶玻璃中的晶相为钙长石(CaAl2Si208)和透辉石(CaMgSi2O6)。制得的微晶玻璃颜色丰富,有墨黑色、黑灰色、土黄色、赭石色、褐红色和青色等。经过微晶化处理后,制得的微晶玻璃的机械性能和酸碱耐腐蚀性均优于其基础玻璃,可与花岗岩和大理石等高级天然石材相媲美。 采用美国EPA制定的重金属浸出方法TCLP (Toxicity Characteristic Leaching Procedure)分析飞灰、基础玻璃和微晶玻璃的重金属浸出特性。飞灰经过熔融玻璃化和微晶化后,所得熔渣的重金属浸出特性均得到明显改善,而且都远低于TCLP和我国规定的毒性浸出标准,说明在重金属毒性上熔渣和微晶玻璃都已达到无害化的要求,对周围环境具有极好的稳定性和安全性。SiO2的添加有效的抑制了重金属的浸出,而CaO的添加反而使重金属的浸出加剧。微晶化处理对重金属固化是不利的,微晶玻璃中重金属浸出浓度高于其基础玻璃。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:X701

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