本文關(guān)鍵詞：重金屬銅、鎳、鋅在生活垃圾焚燒過程中的遷移和轉(zhuǎn)化特性研究

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【摘要】：經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人口增長(zhǎng)使焚燒成為生活垃圾處置的重要手段之一,但是由此產(chǎn)生的環(huán)保問題現(xiàn)已成為社會(huì)上敏感的熱點(diǎn)話題,尤其是重金屬和二VA英的排放。我國(guó)生活垃圾中的重金屬含量較高,如果任意排放會(huì)導(dǎo)致環(huán)境中的積存,最終產(chǎn)生嚴(yán)重的二次污染。此外,飛灰中的銅還是二VA英生成的重要催化劑,具有較高的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。我國(guó)生活垃圾組成十分復(fù)雜,本文綜合考慮了物理組成、化學(xué)組成和痕量元素,給出了含重金屬生活垃圾的模擬方案。針對(duì)層燃爐排焚燒技術(shù),設(shè)計(jì)了管式爐焚燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。參考美國(guó)環(huán)保署的標(biāo)準(zhǔn)Method 5和Method 29,建立了一套實(shí)驗(yàn)室焚燒產(chǎn)物的采樣標(biāo)準(zhǔn)。借鑒土壤中重金屬的消解標(biāo)準(zhǔn),以回收率為指標(biāo)分別確定了適用于銅、鎳、鋅的消解方法。采用電感耦合等離子原子發(fā)射光譜(ICP-AES)定量分析了焚燒產(chǎn)物中銅、鎳、鋅的含量。使用吉布斯自由能最小法建立了多相多組分熱力學(xué)平衡模型。本文以我國(guó)生活垃圾為背景,通過實(shí)驗(yàn)研究和理論分析研究了銅、鎳、鋅在焚燒過程中的遷移和轉(zhuǎn)化特性,并取得了以下研究成果。首先研究了氯的形態(tài)、氯的濃度、焚燒溫度和停留時(shí)間對(duì)銅、鎳、鋅遷移和轉(zhuǎn)化特性的影響規(guī)律。無論是有機(jī)氯(PVC)還是無機(jī)氯(NaCl)對(duì)銅、鎳、鋅都有氯化作用,使其轉(zhuǎn)化為低熔點(diǎn)、低沸點(diǎn)的氯化物(CuCl、NiCl2、ZnCl2),促進(jìn)重金屬向飛灰和煙氣中的遷移分布。焚燒溫度和氯的熱解特性協(xié)同作用影響重金屬的遷移和轉(zhuǎn)化。隨著溫度升高,PVC對(duì)銅的氯化作用減弱,而對(duì)鎳和鋅的氯化作用增強(qiáng)。當(dāng)焚燒溫度超過NaCl的熔點(diǎn)后,升溫有助于增強(qiáng)液相NaCl的傳質(zhì)擴(kuò)散,從而促進(jìn)銅、鎳、鋅的氯化和揮發(fā)。焚燒停留時(shí)間對(duì)PVC的氯化效果沒有顯著影響,而對(duì)NaCl影響顯著。然后研究了硫的形態(tài)、硫的濃度、焚燒溫度及硫與氯協(xié)同作用對(duì)銅、鎳、鋅遷移和轉(zhuǎn)化特性的影響規(guī)律。單質(zhì)硫(S)易與銅、鎳、鋅形成不揮發(fā)的硫酸鹽,并隨著溫度降低越容易生成硫酸鹽。硫化物(Na2S)和硫酸鹽(Na2SO4)對(duì)爐渣明顯有助熔作用,阻礙了銅、鎳、鋅的揮發(fā)特性。S能有效促進(jìn)無機(jī)氯分解,釋放出更多的C1和HC1,增強(qiáng)了銅、鎳、鋅的揮發(fā)性。S與氯協(xié)同作用受溫度影響顯著,800℃時(shí)重金屬揮發(fā)率遠(yuǎn)高于900℃和1000℃。Na2S和Na2SO4與氯協(xié)同作用的影響遠(yuǎn)低于S,反而因?yàn)槿墼饔檬沟勉~、鎳、鋅的揮發(fā)比率降低。再后研究了水分對(duì)銅、鎳、鋅遷移和轉(zhuǎn)化特性的影響規(guī)律。煙氣中水分對(duì)重金屬遷移和轉(zhuǎn)化特性的影響主要體現(xiàn)為Cl與HC1、水解與氯化反應(yīng)的平衡移動(dòng)。而垃圾中水分更主要體現(xiàn)在對(duì)燃燒狀況的影響,垃圾中水分的降低可縮短著火、熄火和燃盡時(shí)間,同時(shí)還可以大幅度提高燃燒溫度。最后研究了無機(jī)物質(zhì)Al2O3、SiO2和CaO與氯協(xié)同作用對(duì)銅、鎳、鋅遷移和轉(zhuǎn)化特性的影響規(guī)律。有機(jī)氯PVC作用時(shí),Al2O3可顯著減少銅、鋅的揮發(fā),SiO2一定程度上減少鋅的揮發(fā),Al2O3和SiO2對(duì)鎳的影響甚微。無機(jī)氯NaCl作用時(shí),Al2O3和SiO2能有效促進(jìn)NaCl氧化分解,從而導(dǎo)致銅、鎳、鋅的揮發(fā)比率顯著增加。CaO在脫酸的同時(shí)能有效降低重金屬銅、鎳、鋅的揮發(fā)。同時(shí),CaO還能與Al2O3和SiO2反應(yīng)生成穩(wěn)定的硅鋁酸鹽,顯著降低NaCl的氯化效果。本文的研究成果對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)我國(guó)垃圾焚燒中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化特性、焚燒爐的設(shè)計(jì)改進(jìn)及發(fā)展焚燒中和焚燒后重金屬的控制技術(shù)提供參考。
【關(guān)鍵詞】：垃圾焚燒 重金屬 銅 鎳 鋅 遷移分布 形態(tài)轉(zhuǎn)化
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X799.3
【目錄】：

• 致謝5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 引言13-33
• 1.1 課題背景與研究意義13-15
• 1.2 生活垃圾的研究現(xiàn)狀15-20
• 1.2.1 生活垃圾的物理組成和重金屬分布15-17
• 1.2.2 生活垃圾和重金屬模擬的研究現(xiàn)狀17-20
• 1.3 生活垃圾焚燒中重金屬遷移轉(zhuǎn)化特性的研究現(xiàn)狀20-32
• 1.3.1 生活垃圾焚燒中重金屬的遷移行為特性20-22
• 1.3.2 典型生活垃圾焚燒廠中重金屬的遷移分布22-25
• 1.3.3 生活垃圾焚燒中重金屬組分的熱力學(xué)平衡分布模擬25-26
• 1.3.4 生活垃圾焚燒中重金屬遷移轉(zhuǎn)化影響因素研究26-30
• 1.3.5 現(xiàn)有研究總結(jié)及分析30-32
• 1.4 研究目標(biāo)和主要研究?jī)?nèi)容32-33
• 2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與研究方法33-55
• 2.1 生活垃圾和重金屬的模擬方案33-34
• 2.2 管式爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)34-37
• 2.2.1 氣體供應(yīng)裝置34-35
• 2.2.2 氣體流量控制系統(tǒng)35
• 2.2.3 管式爐反應(yīng)器35-36
• 2.2.4 飛灰捕捉系統(tǒng)36-37
• 2.2.5 煙氣吸收系統(tǒng)37
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方法37-48
• 2.3.1 石英管反應(yīng)器溫度標(biāo)定37-39
• 2.3.2 焚燒時(shí)間的確定39-40
• 2.3.3 焚燒實(shí)驗(yàn)方法及樣品收集40
• 2.3.4 重金屬消解方法40-44
• 2.3.5 實(shí)驗(yàn)中所用化學(xué)試劑44-45
• 2.3.6 實(shí)驗(yàn)誤差及重金屬回收率45-46
• 2.3.7 樣品分析選用的儀器46-48
• 2.4 熱力學(xué)平衡原理及計(jì)算方法48-55
• 2.4.1 熱力學(xué)平衡計(jì)算原理48-49
• 2.4.2 CHEMIN軟件介紹49-50
• 2.4.3 本文所采用的熱力學(xué)數(shù)據(jù)50-53
• 2.4.4 熱力學(xué)平衡模型與計(jì)算參數(shù)53-55
• 3 氯對(duì)銅、鎳、鋅遷移和轉(zhuǎn)化特性的影響55-83
• 3.1 有機(jī)氯PVC對(duì)銅、鎳、鋅遷移分布特性的影響55-59
• 3.2 無機(jī)氯NaCl對(duì)銅、鎳、鋅遷移分布特性的影響59-62
• 3.3 焚燒停留時(shí)間對(duì)銅、鎳、鋅遷移分布特性的影響62-66
• 3.4 氯對(duì)銅、鎳、鋅轉(zhuǎn)化特性的SEM/EDS分析66-71
• 3.5 含氯體系中銅、鎳、鋅形態(tài)轉(zhuǎn)化的熱力學(xué)平衡模擬71-78
• 3.5.1 焚燒溫度對(duì)銅、鎳、鋅形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響71-74
• 3.5.2 氯含量對(duì)銅、鎳、鋅可揮發(fā)性組分平衡分布的影響74-78
• 3.6 氯對(duì)銅、鎳、鋅遷移和轉(zhuǎn)化影響的機(jī)理分析78-80
• 3.7 本章小結(jié)80-83
• 4 硫?qū)︺~、鎳、鋅遷移和轉(zhuǎn)化特性的影響83-99
• 4.1 S、Na_2S和Na_2SO_4對(duì)銅、鎳、鋅遷移分布特性的影響83-87
• 4.2 硫與氯協(xié)同作用對(duì)銅、鎳、鋅遷移分布特性的影響87-90
• 4.3 含硫體系中銅、鎳、鋅形態(tài)轉(zhuǎn)化的熱力學(xué)平衡模擬90-96
• 4.3.1 焚燒溫度對(duì)銅、鎳、鋅形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響90-92
• 4.3.2 硫與氯協(xié)同作用對(duì)銅、鎳、鋅形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響92-94
• 4.3.3 硫、氯、鈉協(xié)同作用對(duì)HCl(g)平衡分布的影響94-96
• 4.4 硫?qū)︺~、鎳、鋅遷移和轉(zhuǎn)化特性影響的機(jī)理分析96-97
• 4.5 本章小結(jié)97-99
• 5 水分對(duì)銅、鎳、鋅遷移和轉(zhuǎn)化特性的影響99-113
• 5.1 空氣加濕裝置99-100
• 5.2 煙氣中水分對(duì)銅、鎳、鋅遷移分布特性的影響100-103
• 5.3 垃圾中水分對(duì)銅、鎳、鋅遷移分布特性的影響103-107
• 5.4 水分對(duì)銅、鎳、鋅組分轉(zhuǎn)化影響的熱力學(xué)平衡模擬107-111
• 5.5 本章小結(jié)111-113
• 6 無機(jī)物質(zhì)對(duì)銅、鎳、鋅遷移和轉(zhuǎn)化特性的影響113-125
• 6.1 Al_2O_3和SiO_2對(duì)銅、鎳、鋅遷移分布特性的影響113-116
• 6.2 Al_2O_3和SiO_2對(duì)銅、鎳、鋅形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響116-118
• 6.3 CaO對(duì)銅、鎳、鋅遷移分布特性的影響118-120
• 6.4 CaO對(duì)銅、鎳、鋅形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響120-123
• 6.5 本章小結(jié)123-125
• 7 結(jié)論125-129
• 7.1 主要研究工作及相關(guān)結(jié)論125-127
• 7.2 本文的創(chuàng)新性127-128
• 7.3 進(jìn)一步研究的建議128-129
• 參考文獻(xiàn)129-137
• 作者簡(jiǎn)歷137-141
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集141

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