垃圾焚烧飞灰与玻璃添加剂熔融固化物相转变研究.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:湖北省重点研发计划项目()作者简介:雷洪鸣()男江西上饶人武汉理工大学在读硕士师从徐凯研究员主要从事危险废物玻璃固化研究 电话:.通信作者:徐凯研究员主要从事危险废物玻璃固化研究 :.垃圾焚烧飞灰与玻璃添加剂熔融固化物相转变研究雷洪鸣陈祎贾瑞东陈佩张乾生徐凯(.硅酸盐建筑材料国家重点实验室湖北 武汉.中广核环保产业有限公司广东 深圳)摘 要:高温熔融固化城镇生活垃圾焚烧飞灰是一类极具前景的危险废物处理技术 在熔融固化过程中飞灰和玻璃添加剂反应引起的物相转变一直是该领域关注的重点 以飞灰和配合料(飞灰和玻璃添加剂混合物)为研究对象利用、和 等表征方法确定飞灰化学组成并开展高温熔融过程中的物相转变研究 结果表明焚烧飞灰主要由、组成物相主要包括含水化合物、氯化物、碳酸盐和硫酸盐等 飞灰在热处理过程中主要发生含水化合物脱水分解、碳酸盐分解及硅酸盐中间物相生成引入玻璃添加剂(和)后配合料的脱水和碳酸盐分解反应基本不受影响但硅酸盐中间物相的析出温度降低并在 出现玻璃相最终在 完全转变为非晶态此外延长保温时间在一定程度上可以促进物料间的反应关键词:危险废物焚烧飞灰熔融固化物相转变玻璃中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):().().().:用焚烧代替填埋已成为我国城镇生活垃圾无害化处理的主要方式 飞灰中含有二噁英、呋喃等致癌物和锌、铅、铬、镉等重金属已被列入国家危险废物名录若暴露在自然界中会对生态环境构成严重威胁须对其进行稳定化处理玻璃固化可分解飞灰中的毒害有机物且可将重金属元素稳定固化在玻璃网络中是一类极具前景的危险废物处理技术 飞灰与玻璃添加剂在高温熔融过程中发生的系列物理化学反应与物相转变是解除毒性的关键也是飞灰玻璃固化领域重点关注的问题之一本文以城市生活垃圾焚烧飞灰与玻璃添加剂的第 期雷洪鸣等:垃圾焚烧飞灰与玻璃添加剂熔融固化物相转变研究混合物(配合料)为研究对象探究样品在不同热处理制度下的反应与物相转变规律从而为澄清飞灰高温熔融固化过程发生的物相转变与其在炉内的熔融模型构建提供数据信息 实验部分.样品制备本实验飞灰采自上海某生活垃圾焚烧厂样品经 烘干后备用用于重点研究纯飞灰和配合料在不同热处理制度下的吸放热行为和物相转变规律 将 和 按 的质量百分比经研磨混合制得玻璃添加剂以 的形式引入为分析纯(硼酸)为优级纯按照飞灰与玻璃添加剂质量比为 配制 配合料经混合、研磨均匀后置于 刚玉坩埚与等质量飞灰(参照样)在马弗炉中进行热处理以 /的升温速率加热至目标温度(间隔 间隔 )后取出在液氮中淬冷探究不同热处理温度下纯飞灰和配合料的物相转变规律以 /的升温速率加热至目标温度()分别保温 后取出在液氮中淬冷探究不同保温时间下纯飞灰和配合料的物相转变过程.测试表征利用 电感耦合等离子体发射光谱仪()测定飞灰中的金属离子含量利用 离子色谱仪()测定飞灰萃取液中氯离子含量 采用 差示扫描量热仪()分析样品在 间的吸放热行为升温速率为 /为保护气氛利用 射线衍射仪()分析不同热处理制度下飞灰和配合料的物相转变 扫描范围为 使用 靶材辐射扫描速度为()/扫描步长为.根据衍射峰的积分面积比例对物相组成进行半定量分析 结果与讨论.飞灰化学组成飞灰的主要无机化学组成见表 主要由、及 元素组成其中 元素质量占比超过 (以 形式计)元素占比超过是典型的高钙高氯飞灰 毒害元素包括、及 等含量均在.以下(以氧化物计)表 飞灰和配合料的化学组成 组成焚烧飞灰/玻璃添加剂/配合料/.其它.总和.注:其它包括、和 等重金属氧化物表中数据均为质量分数.飞灰和配合料热处理前的物相及 分析未经热处理的飞灰和配合料物相分析见图 除有机物外飞灰的主要物相包括含水化合物(例如()、氯化物(例如 和)、碳酸盐(例如)和硫酸盐(例如)等与表 中的飞灰化学组分基本一致 除上述物相外配合料中的()主要来自玻璃添加剂图 飞灰和配合料的 图谱.图 为飞灰和配合料在升温速率为 /时的 曲线 二者在 左右表现出吸热行为表明部分初始物相在该温度下开始分解 飞灰在 间出现明显的吸热谷表明该温度段发生分解反应但引入玻璃添加剂后配合料在相同温度下出现放热反应可能是由于飞灰的分解产物与玻 璃 添 加 剂 反 应 生 成 新 物 相 导 致 飞 灰 在 和 以及配合料在 出现的放热峰均表明在以上温度范围内生成中间物相应用化工第 卷图 升温速率为 /时飞灰和配合料的 曲线./.物相转变分析.不同热处理温度下飞灰和配合料的物相转变不同热处理温度下飞灰物相组成见图 其中图 为图 的物相转变分析总结图 飞灰在不同热处理温度下的 图谱()和热处理过程中的物相转变示意图().()().().()().有机物 由图 可知在室温()范围内飞灰的物相组成与图 基本一致且各物相相对含量无明显变化 以后()开始减少至 消失与此同时 在 以后含量开始增加表明()在此温度段除发生分解反应外(引起 曲线 的吸热)还可能与空气中的 反应生成 随温度升高在 开始发生高温热分解(飞灰 曲线 间的吸热谷源于 的分解)时消失全部转换成 当热处理温度在 时飞灰中开始出现中间物相(包括低共熔化合物和硅酸盐例如:()()和 等)与 曲线出现放热峰基本吻合 值得注意的是整个热处理温度范围内()飞灰中氯化物和硫酸盐总含量基本保持不变不同热处理温度下配合料物相组成见图 图 为图 的物相转变分析总结 在 范围内配合料物相组成与图 中未经热处理的配合料类似且相对含量无明显变化 引入玻璃添加剂后()分解温度与其在飞灰中分解温度基本一致(两者 曲线在 均有吸热谷)但由于 的引入(助熔作用)促使分解产物 在 时与玻璃添加剂中的 反应生成少量硅酸盐中间物相(包括 和 等)同时在 时配合料中出现非晶相 在 开始分解至 时消失其分解产物 与 反应生成大量硅酸盐中间物相(例如)导致 含量明显降低 值得注意的是当热处理温度超过 后配合料中的氯化物与硫酸盐开始挥发或分解而硅酸盐中间物相含量降低形成熔融态至 时全部转变成玻璃态图 配合料在不同热处理温度下的 图谱()和热处理过程中的物相转变示意图().()().().第 期雷洪鸣等:垃圾焚烧飞灰与玻璃添加剂熔融固化物相转变研究 结合上述结果飞灰和配合料在不同热处理温度条件下物相转变过程总结见图 随温度的升高飞灰中主要发生三个阶段的反应即含水化合物的脱水分解反应()配合料中主要发生四个阶段的反应脱水与碳酸盐分解反应与飞灰中的反应基本一致但由于玻璃添加剂(和)的引入促使配合料在 出现少量硅酸盐中间物相在 出现非晶相最后在 全部转变为非晶态图 飞灰和配合料的物相转变示意图.不同热处理时间下飞灰和配合料的物相转变 飞灰和配合料在 下随保温时间变化的物相转变见图 图 飞灰()和配合料()在不同热处理温度下随保温时间变化的物相分析结果.()()由图 可知飞灰在 热处理时()开始分解保温 后()完全分解 当温度提高至 时随着热处理时间延长至 完全分解分解生成的 参与反应生成硅酸盐中间物相当温度升高至 时由于不断消耗 中间物相相对含量随热处理时间延长呈逐渐上升趋势 配合料中()的分解过程与飞灰中的基本一致 热处理 后()完全分解 时随保温时间延长分解增多保温 后完全分解同时配合料中出现硅酸盐中间物相(例如和)当温度升高至 时随保温时间延长硅酸盐中间物相与反应熔融导致含量逐渐降低非晶相含量逐渐升高氯化物和硫酸盐含量呈逐渐下降趋势 结论()本实验飞灰主要由、组成属于高钙 高 氯 飞 灰 其 物 相 主 要 包 括 含 水 化 合 物()、氯化物(、等)、碳酸盐()和硫酸盐()()随温度的升高飞灰与玻璃添加剂主要发生四个阶段的反应:含水化合物脱水分解()和非晶态相生成()最后在 完全转变为非晶态()在反应温度范围内延长热处理时间可以促进含水化合物与碳酸盐的分解以及玻璃相的生成但温度仍然是控制物料向玻璃态转变的关键参考文献:.().:.:.刘项李传强许林季.垃圾焚烧飞灰处理技术研究进展.应用化工():.张曼翎张鹤缤谭芷妍等.城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属稳定处理技术研究进展.应用化工():.:.:.(下转第 页)应用化工第 卷参考文献:马瑞婕刘永红梁继东等.短程反硝化()生物脱氮工艺研究进展.应用化工():.胡凯耀王亚娥李杰.浅析氮素循环机制及污水脱氮技术研究进展 .应用化工():.陈仁杰谢禹荆肇乾.污水新型生物脱氮强化技术研究进展.应用化工():.:.:.:.:./(/).:.:./.:.:.():.张肖静李冬周利军等.碱度对常低温处理生活污水亚硝化的影响.哈尔滨工业大学学报():.():.李祥王悦黄勇等.在部分亚硝化中功能及对亚硝化效能影响.中国环境科学():.().():.国家环境保护总局.水和废水监测分析方法.版.北京:中国环境科学出版社:.():.().():.:.:.():.:.:.(上接第 页).:.王昕晔.垃圾焚烧过程中铅和镉的挥发特性及其排放控制研究.南京:东南大学:.刘雪梅罗思梦.固化稳定化技术对垃圾焚烧飞灰中重金属的研究.应用化工():.(/):.:.():.