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直流热等离子体技术应用于熔融固化处理垃圾焚烧飞灰的试验研究

潘新潮  
【摘要】: 垃圾焚烧处理技术由于具有减量化、无害化和资源化方面的优势,许多国家都大力发展焚烧技术来处理生活垃圾和医疗垃圾。然而随之而来的二次污染问题,如烟气中污染物的排放和焚烧残渣的毒害性,得到越来越多的关注。垃圾焚烧飞灰作为垃圾焚烧残渣之一,因为富集了较高浓度的重金属物质和二恶英类有机污染物而具有很高的毒性,并被国家列入危险废弃物名录需要进行特殊处理。 本文在此背景下利用我们实验室自发研制的直流热等离子体发生器来熔融固化处理垃圾焚烧飞灰,实验研究了飞灰熔融处理过程中的二恶英分解特性和重金属迁移特性,并对熔融处理得到的熔渣的物理化学性质进行实验分析。 利用数字示波器、发射光谱仪、光强探测器对等离子体电弧的工作特性,如伏安特性、脉动特性、射流的激发温度、射流的热焓特性进行实验研究。并分析了等离子体电弧的运行参数,如载气成分、气流量和电弧电流对电弧工作特性的影响。实验结果表明氩氮等离子体电弧的电压明显高于氩等离子体,而且随着氮气的比例增加而增加,等离子体电弧的脉动主要是由两部分构成,等离子体电源固有的特征频率和阳极斑点在阳极壁面上的往复滑动。等离子体电弧具有非常高的温度和非常高的比焓值,电弧中心区的激发温度超过13500K,电弧射流的比焓值在5.0 MJ/kg~8.0 MJ/kg。 实验中选择4种分别取自于生活垃圾焚烧厂和医疗垃圾焚烧厂的垃圾焚烧飞灰进行实验研究,然后利用能谱仪EDS和XRD来分析它们的元素组成特性和晶相结构特性,并利用TCLP方法和美国EPA规定的1613方法实验研究了飞灰的重金属浸出特性和二恶英的分布特性,TCLP实验中各种重金属的浸出浓度各异,Zn的浸出浓度最大,而作为毒性较大的重金属Pb和Cd的浸出值相对毒性浸出标准而言是较大的,其中Cd的浸出浓度超出了标准值。二恶英的实验结果表明医疗垃圾焚烧飞灰的二恶英含量和毒性当量远远超过生活垃圾焚烧飞灰,各种飞灰中对二恶英毒性当量贡献最大的同系物都是2,3,4,7,8-PeCDF。 飞灰的等离子体熔融固化处理实验中,发现飞灰经过熔融处理后,绝大部分的二恶英得到消除分解,二恶英毒性当量TEQ值的分解率超过98%。飞灰中重金属的迁移特性研究结果表明,大部分重金属都被固化在熔渣中,并且与原始飞灰的重金属浸出特性相比较,熔渣中重金属的浸出得到有效地限制,其浸出值远低于国家规定的毒性浸出标准值。 飞灰的熔融固化实验中还研究了添加剂对熔融效果的影响,结果表明添加剂SiO_2比CaO更有利于促进飞灰的熔融,SiO_2的添加不仅有助于飞灰中二恶英的分解,提高了重金属的固化效果,而且还使得到的熔融产品具有更加致密的结构特征。 最后利用扫描电镜法、X-射线衍射法、氮气吸附仪及阿基米德法对熔渣的形貌、晶相结构、孔隙特性和密度进行实验分析。结果表明熔渣的晶相结构主要以无定形的玻璃态结构为特征,熔渣的微观结构非常致密,熔渣的比表面积降低至飞灰的5%左右。熔渣的密度增加到飞灰的3~5倍,由密度的增加带来的飞灰减容率达到60%~80%。


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