垃圾焚烧电厂脱除重金属污染物技术.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：陈教锐（1994），男，汉族，南昌航空大学，材料化学专业，助理工程师，研究方向为环境与化学工程技术。-38-垃圾焚烧电厂脱除重金属污染物技术 陈教锐 上饶市城投能源环保有限公司，江西 上饶 334000 摘要：摘要：随着城市化进程的加快，城市垃圾产量急剧增加，垃圾焚烧发电作为一种有效的垃圾减量化、无害化和资源化处理方式受到广泛关注。然而，垃圾焚烧过程中二噁英和重金属等有害物质的生成与排放，对环境和人体健康构成了严重威胁。本文以垃圾焚烧电厂为研究对象，系统分析了二噁英和重金属污染物的形成机制及其环境危害，进而详细探讨了垃圾焚烧过程中重金属污染物的控制与去除技术。关键词：关键词：垃圾焚烧电厂；重金属污染物；脱除技术 中图分类号：中图分类号：TU758 0 引言 随着经济的快速发展和人口的持续增长，城市固废的产生量急剧上升，成为全球环境中的一个重大问题。垃圾焚烧技术因其减量效果显著、能量回收潜力巨大而成为处理城市固废的主要方式之一。然而，焚烧过程中二噁英、重金属等有毒有害物质的生成，增加了垃圾焚烧电厂环境风险。因此，如何有效控制和减少这些污染物的排放，已成为环境保护的核心议题。本文从垃圾焚烧过程中污染物的形成机理入手，系统分析了重金属污染物的控制与去除技术，探讨了飞灰后处理技术，并对垃圾焚烧电厂未来的发展趋势进行了展望。1 二噁英和重金属的污染物及形成过程 1.1 二噁英的危害及形成机理 二噁英是一类含氯的有机化合物，具有高度的稳定性和脂溶性，能够在环境中长期存在并通过食物链累积，对人类健康构成严重威胁。据世界卫生组织（WHO）报告指出，二噁英的致癌性已被明确认定。在垃圾焚烧过程中，二噁英的形成受到温度、氧化还原条件、金属催化剂等多种因素影响。研究数据显示，焚烧温度在 300-850C 区间，尤其是在低氧条件下更容易生成二噁英。例如，在氧含量低于 6%的条件下，二噁英的生成量将显著增加。金属催化剂如铜和铁的存在也能促进二噁英的合成。飞灰中含有的金属氯化物在焚烧过程中促进了二噁英前体物质的氯化反应，进而形成二噁英。因此，控制焚烧条件，尤其是温度和氧气浓度，以及有效捕集和处理飞灰，对于减少二噁英的生成至关重要。1.2 重金属的危害及迁移机理 重金属如汞、铅、镉等在垃圾焚烧过程中会从固态转化为气态，随后再次凝结成更细小的颗粒物，这一过程极大地增加了它们在大气中的传播和沉降范围。重金属通过食物链能够在生物体内积累，并对人类健康造成直接的影响，如神经系统损伤、肾脏功能障碍等。例如，根据环境科学与技术杂志报道，汞的大气沉降量约有 33%来源于废物焚烧。在焚烧过程中，重金属的迁移和转化机制复杂多变，受到炉膛内温度、气氛、物料成分等多重因素影响。以铅为例，研究发现，在炉膛内部温度超过 900C 时，铅的挥发率可达到 80%，并且在冷却过程中大部分以颗粒物形式存在于飞灰中。此外，炉膛内部的还原气氛会加剧重金属的挥发，因此控制炉内气氛对于减少重金属挥发具有重要意义。2 垃圾焚烧电厂脱除重金属污染物技术 2.1 入炉前的控制技术 入炉前的重金属控制技术主要包括预处理和废物分类。预处理技术通过物理、化学或生物方法，减少垃圾中重金属的含量。例如，采用磁选技术可以从垃圾中分离出含铁金属，而酸洗或电化学处理能够去除某些非铁金属。根据废物管理杂志的一项研究，使用化学沉淀法预处理可以去除高达 90%的铅和铜。废物分类则是在垃圾焚烧前进行的，通过手动或机械分选，将含有高浓度重金属的电子废弃物、电池等分类回收，以减少重金属的输入。数据表明，通过有效的中国科技期刊数据库 工业 A-39-社区参与和教育程序，垃圾分类可以减少约 30%的重金属进入焚烧炉。2.2 炉膛焚烧中的控制技术 2.2.1 炉膛燃烧参数控制 炉膛燃烧参数控制对于控制重金属的挥发和分布至关重要。高温可以促进重金属的挥发，但同时也会加速有害物质如二噁英的生成。因此，应适当调节炉膛的温度和停留时间，以平衡这两方面的影响。根据有关报告，将炉膛温度控制在 850-1100C 范围内，可以最大化焚烧效率同时抑制重金属的超量挥发。另外，增加炉内废物的停留时间可以增强废物的燃烧完全性，减少未燃烧废物中重金属的排放。2.2.2 炉内添加抑制剂 在炉内添加抑制剂是控制重金属挥发的有效方法。通过向炉膛内投加含钙或硅的物质，可以与重金属形成稳定的化合物，从而降低其在焚烧过程中的挥发。例如，石灰石和粘土的添加被证明能够有效抑制镉和铅的挥发。研究表明，加入石灰石后，镉的挥发率可以降低 50%以上，而铅的挥发率降低了近 40%。这些措施通过改变炉膛内重金属的化学形态，从而减少其在烟气中的含量。2.3 尾部烟道中的控制技术 2.3.1 烟气急冷技术 烟气急冷技术通过降低烟气温度来抑制重金属的再挥发和二噁英的重新合成。实践证明，烟气温度的快速降低可以显著减少二噁英的生成。例如，在焚烧炉尾部采用喷雾冷却器快速将烟气从 850C 冷却至250C 以下，可以使二噁英的浓度降低 90%以上。同时，急冷也能减少重金属如汞等的挥发。研究表明，采用烟气急冷技术后，烟气中汞的含量可降低 60%左右。此外，急冷可以提高烟气净化设备如布袋除尘器的捕集效率，进而减少重金属的排放。2.3.2 换热面清灰 在垃圾焚烧电厂中，换热面清灰是保障热交换效率的重要环节，同时也有利于控制重金属污染。由于重金属在高温下的挥发，它们可能会在换热面上凝结，形成含重金属的硬质结垢。根据相关研究表明，定期清理换热面上的结垢，可以降低重金属的再次挥发。采用高压水枪或者声波清灰技术清理换热面，不仅能提高热交换效率，还能减少含重金属结垢的脱落，从而减少环境风险。2.4 烟气中重金属的去除技术 2.4.1 重金属脱除 烟气中重金属的脱除主要采用物理和化学方法。物理方法如电除尘和布袋除尘能有效捕集重金属颗粒物，而化学方法主要依赖于吸附剂对重金属蒸气的吸附。活性炭吸附是一种常用的化学脱除技术，它对汞等重金属蒸气有很好的去除效果。例如，在活性炭喷射技术中，活性炭的注入能使烟气中汞的去除率达到90%以上。此外，添加硫化物或硒化物等吸附剂可以进一步提高重金属的去除效率1。2.4.2 重金属氧化分解 重金属氧化分解技术主要针对烟气中的挥发性重金属，如汞。通过在烟气处理系统中注入催化剂或氧化剂，如氯化氢或臭氧，可以将汞气转化为易于捕集的汞盐。根据环境卫生工程期刊的研究，使用臭氧作为氧化剂时，烟气中的汞去除率可提高至 95%。氧化剂的选用和配比对于氧化效率至关重要，因此需要根据实际烟气成分和工况进行优化。通过上述技术的应用，可以大幅度提高垃圾焚烧电厂烟气中重金属的去除效率，降低对环境的污染风险。3 焚烧后的飞灰处置技术 3.1 固化稳定化填埋法 3.1.1 水泥固化填埋法 水泥固化技术是通过掺入水泥和水对飞灰进行矿物化处理，将重金属污染物包埋在固化体之中，减少其在环境中的迁移性和生物可利用性。具体而言，水泥固化技术依赖水泥的水化作用，形成一个多孔的固体结构，将重金属离子物理封存。数据分析表明，使用水泥固化技术后，经过 28 天养护的固化体，其重金属浸出浓度通常可降低至国家标准规定的浸出限值以下。例如，研究显示，铅的浸出浓度可以从处理前的5.2 mg/L 降低至 0.05 mg/L，浸出率下降超过 90%。此外，固化体的抗压强度也是衡量固化效果的重要指标，通常要求固化体 28 天龄期的抗压强度应达到 0.5 MPa以上，试验数据表明，适当的水泥掺量和养护制度可使固化体的抗压强度达到 1.5 MPa 以上2。3.1.2 化学药剂稳定填埋法 化学药剂稳定法通过向飞灰中添加特定的化学药剂，如磷酸盐或硫酸盐，与重金属发生化学反应，形中国科技期刊数据库 工业 A-40-成不溶于水的稳定化合物。这种方法能够有效地降低重金属的溶出和迁移性。数据分析显示，在处理过程中，通过加入适量的硫酸钡，镉的稳定效率可以提高至 98%，而加入磷酸盐后，锌的稳定效率可达到 95%以上。此外，稳定化处理不仅降低了重金属的溶出率，还能改善飞灰的物理性质，提高其作为建筑材料使用时的稳定性。3.2 分离提取法 3.2.1 化学试剂 化学提取法利用特定的化学试剂与飞灰中的重金属反应，将其从飞灰基质中转移到溶液中，实现重金属的分离和富集。根据数据分析，采用硝酸作为提取剂时，可以有效地提取飞灰中的铜和锌，提取率可达到 85%以上。同时，使用 EDTA（乙二胺四乙酸）作为络合剂进行处理时，可使铅的提取率达到 90%。这表明化学试剂提取法在飞灰重金属资源化方面具有巨大潜力。然而，这一过程也会产生含有高浓度重金属的废液，需要后续的处理和处置，以免造成二次污染3。3.2.2 生物试剂 生物提取法是一种利用微生物或植物提取飞灰中重金属的技术，微生物通过生物吸附作用或产生的有机酸来溶解重金属，而植物则利用其根系吸收飞灰中的金属离子。数据分析指出，通过某种特定的微生物菌株处理飞灰，可以在 24 小时内将镉的提取率提高到70%以上。对于植物提取技术，研究表明，通过选用能够耐受高重金属浓度的植物种类，如蕨类植物，其根系对飞灰中的锌和铅的提取率分别可达到 60%和 55%。这种生物提取法既环保又具有成本效益，但其提取效率受到生物种类、环境条件和飞灰特性的限制4。3.2.3 超临界流体萃取/电渗析 超临界流体萃取技术利用超临界流体的特性，如超临界二氧化碳，对飞灰中的重金属进行有效提取。在超临界状态下，流体的密度接近液体，而粘度接近气体，这样的物理性质使得它可以渗透到飞灰颗粒中，将重金属有效地萃取出来。据数据分析，使用超临界流体萃取技术，镍和铬的提取效率可分别达到 85%和75%。同时，该技术对环境的影响较小，因为超临界二氧化碳在常温常压下会恢复为气态，不会留下有害残留物。电渗析技术是一种通过施加电场，利用离子在电场力作用下迁移的原理来分离和提取重金属的方法。飞灰中的重金属离子在电场的作用下，会向电极迁移并得到收集。根据数据分析，电渗析技术可以实现镉和铅的去除率高达 90%以上。3.2.4 水洗处理 水洗是一种简单而有效的飞灰重金属去除方法，通过与水接触使得部分溶解性重金属离子从飞灰中洗脱出来。此技术的关键在于水洗液的 pH 值、温度和接触时间的控制。数据表明，酸性水洗液（pH 约为 3）能有效增加重金属的溶解度，例如，经过酸性水洗，飞灰中的铅溶出率可达 60%，而镉的溶出率可达 70%。水洗处理后，飞灰中的重金属含量明显减少，但需注意的是，水洗后产生的洗液含有高浓度重金属，必须进行后续处理以满足排放标准5。3.3 资源化应用法 3.3.1 高温热处理技术 高温热处理技术通过将飞灰加热至一定温度，使得飞灰中的重金属发生相变或化学反应，从而实现固体废物的资源化。例如，在飞灰处理中引入高温熔融技术，可以将重金属锁定在玻璃化的基质中。化学方程式示例：2PbO+SiO2 Pb2SiO4，在这个反应中，铅氧化物与二氧化硅反应，在高温下形成硅酸铅，这是一种稳定的玻璃化物质，能够牢固地封存铅，防止其溶出。据数据分析，此法能将重金属的浸出率降至国家环保标准以下，其中铅的浸出浓度降低了 95%以上。3.3.2 水泥窑协同处置 水泥窑协同处置是将飞灰作为替代燃料或原材料之一投入到水泥生产过程中，不仅处理了飞灰，也减少了水泥生产对自然资源的依赖。由于水泥窑的高温热值可以长时间稳定在 1450C 以上，这个温度足以使飞灰中的有机物质彻底分解，而重金属则被嵌入到水泥熟料中。据数据显示，通过协同处置，可以实现重金属的固化率达到 90%以上，同时也能提高水泥的烧成效率。然而，协同处置的关键在于对飞灰的前期处理和水泥配料的精确控制，以确保水泥产品的品质和环境。3.3.3 水热法 水热法是一种利用高温高压水来处理飞灰中重金属的技术，能够有效地改变重金属的化学形态，从而降低其环境风险。具体操作时，将飞灰与水混合，在封闭的反应器中加热至一定温度和压力，促使化学反中国科技期刊数据库 工业 A-41-应发生。例如，通过水热法处理含铝的飞灰，可以生成沸石类物质，这种物质中的铝成分固定，减少了重金属的流失。根据研究数据，这种方法可有效降低飞灰中铅、镉等重金属的迁移性，浸出率降低 85%以上。此外，水热处理后的飞灰可用于制备各种功能材料，如吸附剂、建筑材料等，实现资源的回收利用。4 结语 随着工业化和城市化的加速，垃圾焚烧产生的飞灰中含有的重金属已成为环境的重点。未来，我们需要继续研究和发展更高效、环保的处理技术，并结合政策引导和市场机制，促进这些技术在实际中的应用。同时，对于飞灰处理过程中产生的二次污染问题，也需给予足够的重视，确保整体处理过程的环境友好性与社会经济效益的最大化。参考文献 1 王晓 娜,高 明,饶怡等.果蔬 垃圾 乳酸 发酵液 对 焚烧 飞灰 中氯 和重金 属 脱除 的影 响 J.环境 工程,2021,39(12):188-192.2 曹 祎 男,罗 津 晶,孙 士 强.垃 圾 焚 烧 飞 灰 浸 出 特 性 及 理 化 性 质 研 究（英 文）J.燃 料 化 学 学报,2021,49(08):1208-1218.3 田 琳,李 媛,杨 玉 飞 等.酸 洗 预 处 理 对 飞 灰 中 氯 和 重 金 属 脱 除 的 影 响 规 律 J.环 境 卫 生 工程,2020,28(03):8-15.4王梦璐,汪群慧,王晓娜等.生活垃圾渗滤液脱除垃圾焚烧飞灰中氯及重金属的实验J.环境工程,2019,37(09):144-148.5毛中建,王中页,罗津晶等.湿法脱除垃圾焚烧飞灰重金属的研究J.环境卫生工程,2013,21(02):6-8.