垃圾焚烧飞灰中重金属的热分离工艺研究-金晶.docx

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1、西南大学 硕士学位论文 垃圾焚烧飞灰中重金属的热分离工艺研究 姓名：金晶 申请学位级别：硕士 专业：环境工程 指导教师：李航 ;王琪 20070501 垃圾焚烧飞灰中重金属热分离工艺研究 环境工程专业硕士研究生：金晶 指 导 老 师 ： 李 航 教 授 王琪 研 究 员 摘要 生活垃圾焚烧飞灰中含有大量髙浸出浓度的重金属化合物，因此被视为危险 废物。目前国内外对飞灰中重金属的研究主要集中在固化稳定化方面，而对它分 离研究很少。本文在系统的研究了飞灰的基本特性的基础上，探讨了不同试验工 况（温度、时间、样品层厚度、气氛、进气流量）对飞灰中重金属的热分离特性 的影响，为飞灰中重金属的热分离工艺提供

2、了重要的实践和理论依据。 对飞灰的基本特性进行研究，结果表明： （ 1)飞灰的含水率约为 0.125 0.705 %，粒径分布经历了两个升降过程， 50%的飞灰聚集在 38 53叫之间。 CaO、 Si02、 S03、Cl等氧化物质组成，占了所有氧化物总量的 68.49%，此外还含有 Cd、 Pb等重金属兀素 各重金属含量在飞灰中的分布大小规律如下： PbZnCu CrCdNi。（ 3)飞灰颗粒的形貌不规则 ，主要有球形体、块状体、棒状聚合体 等，形貌不同而成分各异，从 XRD分析表明，飞灰的结晶物主要以氯盐、 CaS04 等形式存在。 （ 4)飞灰的热稳定性差，加热升温至 140(TC时经历

3、了四个吸热和一 个放热过程，同时出现了四个较明显的失重阶段，这是因为水分蒸发、熔融、 CaSO: 分解等过程引起的。 在不同工况下研究了飞灰的热分离特性，结果显示： （ 1)在温度 1150*C时，重金属 (Pb、 Cd、 Cu、 Zn)均随着温度升高而增大，而在 1050115 iC 时，都突然呈现出一个下降的趋势；随着时间的延长，重金属 Cu、 Zn、 Pb和 Cd 的挥发率均呈逐渐增加的趋势，除 Zn的最高挥发率仅为 60%左右， Cu、 Pb和 Cd都能接近完全挥发； Pb、 Cd的挥发率受气氛的影响不大，而 Cu和 Zn在氮气 下的挥发率要比在空气下的有不同程度增加，增幅在 39%:

4、随着样品层厚度的 增大，重金属 Pb、 Cd、 Cu和 Zn的挥发率大体都呈下降的趋势：各重金属挥发率 受进气流量的影响很小。 （ 2)重金属 Pb、 Ni、 Zn、 Cu、 Cd的浸出浓度随温度的 升高、时间的加长和样品层厚度的减小呈逐渐减小的 趋势，随进气流量和气氛变 化不明显；而 Cr的浸出浓度，在空气气氛下、随着温度的升高、时间的加长和样 品层厚度的减小而逐渐增加，且易超标。 在氧气气氛下，温度 I00(TC、 时间 300min、 样品层厚度 17_、进气流量 600ml/min时， Pb的挥发率高达 99.6%,基本上完全挥发， Cu、 Cd次之，分别为 97.5%、93.8%,各

5、重金属的挥发率大小为： PbCuCdZn;而回收率方面， Cu的回收率为 72.4%,各重金属的回收率大小为 ： Cu Pb Cd Zn。 关键词：飞灰 ； 灰渣；重金属：热分离；浸出；粒径 Thermal Separation Technology of Heavy Metals in MSWI Fly Ash Environmental Engineering Candidate: Jin Jing Supervisor: Prof. Li Hang Prof Wang Qi Abstract For the high leachable concentration of heavy me

6、tals, the municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash was defined as hazardous waste. Heavy metals in fly ash was studied on solidification/stabiHzation much more than on separation at home and abroad. On the basic of the study on fly ash characteristics, this article had explored how the cond

7、itions (temperature, time, thickness of the sample, flux of the gas, atmosphere) influenced the thermal separation of heavy metals in fly ash. The article gave theoretical reference to the thermal separation of heavy metals in fly ash. The fly ash had such characteristics as follows: (1) The moistur

8、e content of fly ash was 0.1250.705%. There were two rising and falling situation on the distribution of particle size, and the fractions of 3853nra accounted for about 50%. (2) The fly ash is mainly composed of CaO、 Si 2、 SO3、 Cl, accounted for about 68,49%, and also had some heavy metals such as C

9、d? Pb, The heavy metal concentrations in fly ash showed the trends: PbZnCuCrCdNi. (3) The surface appearance of fly ash was various. There were clava, conglobulation, clump and so on. The componente were different with the different surface appearance, and the existent of crystal masses were Chlorin

10、e Salt, CaS 4 and so on. (4) The fly ash has poor heating stability, and it had four endotheimic procedures, one exothennal procedures, and four distinct weight-loss, when the temperature was heating from 100 to 1400C. They were caused by the evaporation of water, the melting reaction, the decomposi

11、tion of CaS 4 and so oa Thermal separation characteristics of fly ash are studied in different condition, the results showed that as follow: (1) the evaporation rate of other heavy metals (Pb、 Cd、 Cu、 Zn) all increased with the rising temperature below 1000C and above 1150, but all decreased rapidly

12、 at 1050 11501. Along with the rise of time, the evaporation rate of heavy metals (Cu, 2n, Pbt Cd) increased, and all almost evaporated totally in top rate except for Zn (only 60%). Pb and Cd were not influenced by the atmosphere while ttie evaporation rate of Cu and Zn in N2 was more than in air,.

13、The evaporation rates of m heavy metals (Cu, Zn, Pb, Cd) decreased as the thickness of the sample increased, but not influenced by the flux of the gas. (2) The reduction rate of volume and weight all increased with the rising temperature, the increasing time or the decreasing thickness of the sample

14、, but only little influenced by the atmosphere or the flux of the gas. (3) The regularity of heavy metals (Pb, Ni, Zn, Cu, Cd) in the leaching concentrations was opposite to the regularity of reduction rate of volume and weight, and the leaching concentrations of Cr was increasing and transnormal ea

15、sily in the air, with the rising time or temperature, or the decreasing thickness of the sample. In the condition (air, 1000*C， 300min， 17mm， 600ml/min)， the evaporation rates of Pb, Cu? Cd were 99.6%, 97.5%, 93.8%, respectively, and the rank of the evaporation rates was Pb Cu Cd Zn; In the recovery

16、 rate, Cu was highest (72.4%), and the rank is Cu Pb Cd Zn. Key words: MSWI fly ash; residues of MSWI fly ash; heavy metal; thermal separation; leaching; particle size 独创性声明 学位论文题目： 垃圾焚烧飞灰中重金属热分离工艺研究 本人声明所呈交的 学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南大学或其他

17、教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者 : 签字曰期： 2* 7 年 （ 月 ， 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口 不保密 , 口保密期限至 年 月止）。 学 位 论 文 作 者 签

18、名 ： 导 师 签 名 ： 签字曰期： 年 4月 曰 签 字 曰 期 ： 年 6 月 曰 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 北京机电研究院 电话： 13520959129 通讯地址： 邮编： 第 1章引言 随着人口的激增，社会的进步，人类社会赖以生存的生态环境己成为 全球瞩目的焦点其中，城市固体废弃物的有效处理是环境保护领域里的 重要环节，由于城市建设的发展和人民生活水平的提高，城市固体废弃物 的污染越来越严重，给人民的身体健康带来了极大危害，并影响到工农业 的发展 .作为世界人 a最多的中国，城市固体废弃物的出路问题已成为当 前环境领域非解决不可的重大问题 城市生活垃圾又称为城市固体废物

19、 .它是指在城市曰常生活中或者为 城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物主要包括居民生活垃 圾、商业垃圾、建筑垃圾等 根据城 市生活垃圾的回收利用价值，又可分 为 “ 厨余 ” 、 “ 灰分 ” 、 “ 可回收物质成分 ” 、 “ 其他 ” 等组分 |31。城市生活垃圾的 产生和处理过程是人类物质文明生产和消费过程中的重要环节，随着国民 经济的发展，城市化进程的加快和人民消费水平的提高 .城市垃圾产量急 剧增加，且增长势头不减。 我国城市生活垃圾产生量大，无害化处理程度低，不少城市陷入生活 垃圾的包围之中，阻碍了城市的发展，对周围环境造成严重污染和破坏， 给人民的身体健康带来极大危害。城市

20、垃圾中的有毒有害物质可通过各种 途径危害生态环境，加剧大气污染、水质污染、土壤 污染和地下水资源污 染。严重影响人民群众日常的生产活动，危害人类健康。因此采取妥善的 垃圾处理方案显得十分必要。 1.1我国城市生活垃圾的产生、危害与处理现状 1.1.1我国城市生活垃圾的产生现状 随着我国城市人口的增长、经济的发展和居民生活水平的提高，生活垃圾的 排放量日益增多 *我国人口众多，是世界上垃圾包揪最重的国家，人均垃圾年产 量约为 440kg据资料统计，近 10年来我国城市生活垃圾年乎均增长率为 8% 10%|4表 1-1列出了我国主要省市城市垃圾的年产量，从表中可以看出，仅 2004 年我国城市生活

21、垃圾 _运量就已经达到了 1.55亿吨 .而城市历年的垃圾堆存量己 累计高达 70多亿吨，侵占了 5亿多平方米的土地，全国己有 2/3的大中城市被垃 圾所包围，如此庞大的垃圾，如处理不善将会对水体、大气、土壤等造成严重的 污染 根据目前我国城市化趋势预测结果表明，到 2010年、 2030年和 2050年， 我国城镇人口比重将分别达 43%、 60%和 76%左右 今后 50年是我国人口和城市 化的高峰期。根据前述城市化水平推算， 2 1年、 2030年和 2050年我国将分别 有6xl 8、 9.3x丨 08和丨丨 .9办 108人口居住在城市 按照目前我国城市人均年产 440kg 生活垃圾

22、的水平推算，将分别产生生活垃圾 2.64亿吨、 4.09亿吨和 5.28亿吨。可 以预见，城市生活垃圾若不得到妥善处理， “ 垃圾围城 的局势将日趋严重 。对 于城市生活垃圾的问题国外早己有所动作，近年來我国对城市生活垃圾问题的重 视程度也在逐渐加强，并采取了相应措施 . 表 1H各省、直辖市城市生活垃圾清运量 (2004) 省份 /直辖市 清运 a (万吨 ） 省份 /直辖市 清运 a (万吨 省份 /直辖市 钫运 A(万吨 ） 北京 491 安歎 466.8 四川 579.9 天津 181.6 福建 290*5 贵州 202.5 河北 741 山西 258.7 云南 200. 1 山西 5

23、92.4 山东 1242,8 西藏 38 内蒙古 329.2 河南 681.5 陕西 350.2 辽宁 778.8 湖北 891.3 甘肃 292.1 吉林 571.8 湖南 488.9 音海 57.7 黑龙江 1059.7 广东 1561,5 宁夏 135.3 上海 609.7 广西 228.7 新疆 345.3 江苏 817.7 海南 82.2 总计 15509 浙江 705.2 重庆 237. 2 城市垃圾在数量增加的同时，构成也发生了很大变化，表现为灰渣成 分减少，有机物増加，可燃物增多，可利用价值增大 随着我国城市居民 家庭电气化和煤气的普及，以及北方城市采用集中供热、区域采暖 .城

24、市 垃圾中有机物和无机物的相对比例发生了很大变化，垃圾中灰土、炉灰含 量下降明显，而可燃成分 (纸类、竹木纤维、橡胶塑料等 )大大增加 各地区 经济发展的不平衡对我国城市垃圾构成也有十分明显的影响。大城市的生 活垃圾有机物成分比中小城市要高，同一城市不同地区的垃圾成分也有所 不同，高级住宅区垃圾中可回收废物 (塑料、纸类、金属、织物和玻璃 的含 量明显高于普通住宅区，与发达国家城市垃圾成分相近 t6丨 .据统计， 1991 年至 1996年，我国近百座城市的生活垃圾中废塑料、废纸、织物及木类等 有机成分平均增加 40%，个别发达城市如北京、上海等的垃圾热值己经超 过了 6400kJ/kg城市垃

25、圾热值的提高及可回收利用成分的增加为选择各种 处理方式提供了更大的自由度 图 1-1为我国城市生活垃圾组分预测 m。 AM YV m r. 图 i-i我国生活垃圾组分預测 1.1.2城市生活垃圾的危害 城市垃圾成分复杂，毒性强 f危害大，严重影响城市生态环境和人体 健康。如果它们得不到充分和有效的收集和处理，便会产生种种恶果 在 某些领域其至超过废水与废气，其危害可归纳为以下几个方面： 第一，侵占大片土地，严重破坏农田 近 10年来，我国每年减少农业 耕地 36万公顷，其中城市垃圾占用耕地的因素不容忽视 随着时间的推 移，城市垃圾的堆存量还将不断增加，这对于人口众多、可耕地面积较少 的我国而言

26、，将是极大的威胁。 第二，污染土壤，危害水体。城市垃圾是多种污染物的集合体，化学 分析表明，垃圾中含有多种有毒有害物质，如重金属汞、镉、铅等和有机 化合物芳香烃类、含氯有机物、多氯联苯等 垃圾在堆放腐烂过程中产生 大量酸性和碱性有机污染物，并溶解出垃圾中的重金属 t形成重金属、有 机物和病原微生物三位一体的污染源，这些有毒物质一方面渗入土壤，改 变土质和土壤结构、影响土壤中微生物的活动，妨碍植物根系生长，还会 在植物体内积蓄通过食物链 进入人的身体，危害人类的健康：另一方面通 过土壤进入水体，造成地表水和地下水的污染，从而通过饮用水危害人体 健康。如广州大田山垃圾填埋场，就发生了严重污染地下水

27、的情况。 第三，污染大气。城市垃圾在堆放过程中，在温度、水分作用下，某 些有机物质发生分解，产生有害气体；一些腐败的垃圾废弃物散发腥臭味 , 造成对空气的污染 如有机挥发性气体就多达一百多种，其中含有多种致 癌、致畸性物质，危害极大 第四，影响环境卫生，易于传播灾害、疾病 垃圾随意弃置，会严重 破坏城市景观，造成人们心理上的不快。废物的堆置亦为蚊、蝇与寄生虫 的滋生提供了有利场所，有导致传染疾病的威胁 第五，垃圾爆炸箏故时有发生 近年来城市垃圾有机物含量不断增高 , 由露天堆放变为集中堆存，简单的覆盖方法造 成产生甲烷气体的厌氧环境， 使垃圾产生的沼气骤增，爆炸事故不断。湖南岳阳市 1994年

28、 I月 8日发生 羊角山垃圾场垃圾大爆炸 北京市昌平县一垃圾场 1995年发生 3次垃圾爆 炸事故，其中在 10月份的爆炸事故中一人全身 95%烧伤，惨不忍睹 第六， “ 白色污染 不断扩大和蔓延。目前，全世界塑料年产量 1.2亿吨， 我国 2005年塑料制品总产量己达到 2000万吨，其中薄膜约 300万吨。农 业生产大量使用薄膜，农副产品市场广泛使用超薄型塑料袋，餐饮业普遍 使用一次性发泡塑料餐具 这种餐具全国每年消费达 100亿只，且以 15% 的速度递增 同时，多数人随用随丢，遂造成白色污染，对景观、河道造 成破坏，还污染农田；塑料餐具遇 60*C以上的温度还会产生二恶英，引发 癌症，

29、严重危害人的健康 t101。 1.1. 3生活垃圾处理技术的概述 我国的基本国情是人多地少，资源相对贫乏 人多产生的垃圾就多， 堆放垃圾占用大量的土地，且对人体及环境有极其不利的影响。我国固体 废物污染控制工作起步较晚，并且由于我国技术力量和经济能力有限，近 期内还不可能在较大的范围内实现 “ 资源化 因此，必须着手于眼前，放 眼于未来，以寻求我国固体废物处理的最佳途径 为此，我国提出了对城 市生活垃圾的处理应实行 “ 减量化、无害化、资源化 ” 的原则，并确定今后 较长一段时间内应以 “ 无害化 ” 为主。 固体废物 “ 无害化 ” 处理的基本任务是将固体废物通过工程处理，达到 不损害人体健

30、康，不污染周围的自然环境，包括原生环境与次生环境 s固 体废物 “ 减量化 ”的基本任务是通过适宜的手段减少和减小固体废物的数量 和容积。固体废物 “ 资源化 ” 的基本任务是采取工艺措施从固体废物中回收 有用的物质和能源。相对于自然资源来说，固体废物属于 “ 二次资源 ” 或前 面提到的 “ 再生资源 ” 范畴，虽然它一般不再具有原始使用价值，但是通过 回收、加工等途径，可以获得新的使用价值 9 “ 资源化 ” 应遵循的原则是： “ 资 源化 技术是可行的， “ 资源化 ” 的经济效益比较好，有较强的生命力；废物 应尽可能在排放源就近使用，以节省废物在储放、运输等过程的投资。 目前城市生活七圾处理较普遍采用的方法有填埋处理法、堆肥化处理 法和焚烧处理法等。 1.1.3.1 土地填埋法 垃圾的土地填埋 (landfill)处置是从传统的垃圾堆填法发展起来的一项最