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《浙江大学》 2002年
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城市垃圾焚烧飞灰熔融过程的机理研究

李润东  
【摘要】: 热化学技术在城市固体废物处理领域日趋重要,然而焚烧等热化学处理产生的无机灰渣却带来新的环境问题。尤其是垃圾焚烧飞灰由于富含重金属和二恶英被认为是危险废物,必须进行特殊处理。因此垃圾焚烧飞灰的熔融处理已成为废物处理领域新的研究热点。 本文系统地开展了垃圾焚烧飞灰熔融处理技术基础研究,同时为气化熔融技术的可行性论证提供参考。本文在自行设计的飞灰熔融试验台上进行了垃圾焚烧飞灰熔融处理基础研究,考察飞灰熔融机理、能耗以及污染控制效果特性,为飞灰无害化处理以及垃圾气化熔融处理技术进行有益的探索。 首先,对国内外垃圾焚烧飞灰进行收集和统计,并结合能谱分析、压汞仪、原子吸收光谱、GC-MS等分析手段进行了飞灰成分、熔点、孔隙率、重金属含量、二恶英含量等理化特性分析。 其次,在微型尺度的高温DSC-DTA热分析仪上进行飞灰熔融的机理研究。根据实验测定熔融吸热量,并据此提出飞灰熔融吸热量的热力学预测模型,从而对适合气化熔融处理工艺城市垃圾的临界热值进行了理论分析。依据DTA-DSC曲线建立了飞灰熔融的动力学模型,求出飞灰熔融过程的表观活化能。上述模型的建立为熔融工艺设计提供了理论依据。结合了我国国情从经济性角度对垃圾焚烧飞灰熔融和垃圾气化熔融工艺进行了分折并提出工程设想。 最后,在自行设计的飞灰熔融实验台上进行小型批量试验。系统研究了熔融处理减容性、熔渣的孔隙率、晶相结构、玻璃转变温度和热力稳定性研究,并详尽探讨了温度、气氛、冷却方式、添加剂等对上述性质的影响。 通过上述批量实验,还对垃圾焚烧飞灰熔融过程中二恶英分解特性进行了深入研究。研究表明:熔融过程可以有效地分解二恶英。二恶英在熔融过程中绝大部分(高于99.9%)都被分解,只有很少一部分留在熔渣中,而熔融后排气中没检测出二恶英。二恶英分解率随熔融温度升高而升高,1460℃时分解率达到100%。氧化性气氛比惰性气氛更利于二恶英的分解。加入10%的液体陶瓷,可以将二恶英的完全分解温度由1460℃降至1100℃。 飞灰熔融过程中六种重金属(Ni、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn)的迁移特性也在小型批量装置上得到了开展。具体研究了几种飞灰在温度、气氛、时间、冷却方式、添加剂等因素对重金属固化率的影响。研究表性,飞灰熔融过程中重金属的迁移特性因元素不同呈现较大差异。Ni、Cr和Zn通常属于不挥发金属,而Cd、Pb容易挥发。研究表明飞灰的碱度对重金属固化影响显著,存在一个达到最佳固化 摘要(Abstract) 效果的临界K值,偏离该临界值,固化效果变差。 通过飞灰或熔渣中重金属浸出特性(尤其是熔渣中的重金属稳定性)的试验研 究,建立了飞灰熔融处理工艺中重金属控制效果评估理论模型,模型综合考虑了 四个方面因素:重金属含量、种类、毒性和浸出特性对二次污染的贡献。该模型 新颖性在于首次将各种重金属的综合危害进行定量评价,其与二恶英的毒性当量 计量互为补充,完善了城市垃圾飞灰这类危险废物对环境污染的评价方法。
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