富氧气氛下生活垃圾及危废焚烧飞灰以及两者耦合体的熔融特性研究.pdf

第 卷总第 期 年 月第 期 节 能 技 术 .富氧气氛下生活垃圾及危废焚烧飞灰以及两者耦合体的熔融特性研究周儒昌吕赛君(.北京航化节能环保技术有限公司北京.绍兴市上虞众联环保有限公司浙江 绍兴)摘 要:本文首先利用 /电感耦合等离子发射光谱/质谱联用仪、傅里叶变换红外光谱仪以及 射线衍射仪等仪器检测了垃圾飞灰、危废飞灰以及两者耦合体的元素及化学物质组成 然后利用富氧高温熔融炉在不同氧浓度下进行了氧浓度对不同飞灰熔融温度以及重金属迁移影响的试验 结果表明富氧气氛下随着氧浓度的升高上述三种飞灰熔融温度先降低随后逐步升高综合考虑采用富氧侧吹炉高温熔融处置飞灰项目最佳氧浓度为 富氧气氛下氧浓度的提高对于大部分重金属而言有利于其被固化其主要原因在于氧化性气氛下有利于大部分重金属转化为高沸点氧化物关键词:富氧气氛飞灰熔融玻璃体重金属中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):/.:收稿日期 修订稿日期 作者简介:周儒昌()男硕士高级工程师研究方向为三废处置及资源化利用 引言随着城市化的快速发展生活垃圾量日益增加常规的填埋已无法满足城市的快速发展所需 同时随着工业化的快速发展产生各种危险废物对大气、水体以及土壤环境造成严重的破坏 国家及时出台相关法律法规以及行业规范针对生活垃圾处置目前主要采用炉排炉焚烧处置的方法针对危废目前国内主要也是采用高温焚烧的方法 对于生活垃圾焚烧可有效减容 减质量约 左右但焚烧后产生大量的飞灰生活垃圾焚烧飞灰含有大量二噁英以及重金属对于大气、水体以及土壤环境存在一定的潜在环境风险危废焚烧后同样产生大量的炉渣及飞灰且被定义为危废需要进一步无害化处置 因此随着垃圾焚烧量的加大焚烧后飞灰及炉渣对环境造成的危害日趋加重需采用更为先进的熔融技术对灰渣进行彻底无害化处置 目前国内外熔融处置技术主要有等立体高温熔融技术、电弧高温熔融技术、燃料型高温熔融技术其中等离子体高温熔融技术由于所产生的高温为局部高温对于炉内物料的加热不均匀不易产生合格的玻璃体同时由于加热的不均匀性物料受热温差极大加热过程存在熔融腐蚀边界对电极以及耐火材料腐蚀极大另外高温等离子体处置能耗较高 综上所述等离子体高温熔融技术目前未能在国内外实现工业化应用 同理电弧高温熔融技术需要炉内物料具备导电性同时电弧插入物料中同样存在熔融物料对金属电极材料的腐蚀以及能耗高等问题而未被工业化应用针对上述等离子体及电弧高温熔融处置的局限性本文从燃料型高温熔融技术出发进行基础研究为降低燃料型高温熔融处置燃料运行成本并降低烟气量本文主要从/气氛下研究富氧浓度对飞灰、炉渣以及飞灰炉渣偶合体熔融温度、酸浸出率及重金属迁移特性的影响 实验方法及条件.试验装置本试验所用到的试验仪器主要有元素分析仪与物质组分定量及半定量分析仪具体为 /电感耦合等离子发射光谱/质谱联用仪、傅里叶变换红外光谱仪、核磁氢谱图、气相色谱质谱联用仪、射线衍射仪、热裂解气相色谱质谱联用仪、离子质谱仪、正负离子谱图、场发射扫描电子显微镜元素分析仪 所用到的试验装置为可调温测温调氧浓度的试验平台 富氧熔融试验平台系统图如图 图 富氧熔融试验平台系统图试验平台主要由带压氧气瓶和氮气瓶、富氧罐、电加热温控炉、浸没洗涤器及高空排放烟囱组成带压氧气与氮气通过流量调节阀控制富氧浓度浓度调节好的富氧通入压力富氧罐缓冲贮存以供电加热温控炉所用.试验工况及试验过程本文主要研究富氧量对生活垃圾焚烧飞灰及危废焚烧飞灰炉渣单样及耦合体熔融特性的影响特别是富氧气氛下对熔融温度、酸浸出率及重金属迁移量的影响 因此试验工况如表 表 熔融加热试验工况表工况样品与 摩尔流量比垃圾飞灰危废飞灰垃圾灰:危废灰 垃圾飞灰危废飞灰垃圾灰 危废灰 垃圾飞灰危废飞灰垃圾灰 危废灰 垃圾飞灰危废飞灰垃圾灰 危废灰 试验工况如上表 试验过程为调节好所需氧浓度的富氧空气将电加热温控炉加热到 左右然后通入富氧空气为保证富氧空气对飞灰块熔融过程的影响富氧空气通过陶瓷管插入到靠近样品处通过料口将样品块送入温控炉内为观察到飞灰块加热熔融过程将加热速率定为 /根据样品基本熔融特性及不同加热工况以确定样品熔融温度及加热时间总体所有样品加热时间不超过 样品加热后熔融玻璃体流入到坩埚中冷却后送检烟气经浸没洗涤后通过高空烟囱排放为便于观察电加热温控炉内熔融状态在炉顶设置冷却保护的高温玻璃视镜炉体高温区侧壁设置温度传感器记录炉内温度.试验样品分析本文试验所用城市垃圾焚烧飞灰为浙江某地区的垃圾焚烧发电厂布袋除尘灰危废焚烧飞灰为浙江某地区的回转窑危废焚烧炉经布袋除尘器捕集的飞灰 飞灰试样的元素分析采用 /测试 为检测出试验样品飞灰的物质组成本文采用了多种测试方法以达到相互辅证的目的主要为、及 检测方法 试验样品飞灰经水洗后的主要物质及微量元素组成如表 表 试验样品化学组成分析表成分垃圾飞灰危废飞灰垃圾灰 危废灰 质量分数/质量分数/质量分数/././././././.结果与讨论./气氛下不同氧浓度对垃圾焚烧飞灰熔融温度的影响 图 为/气氛下不同氧浓度对垃圾焚烧飞灰熔融温度的影响图 从图中可以看出氧浓度为时垃圾焚烧飞灰熔融温度最低比正常空气气氛下燃烧加热温度约低 随着氧浓度的升高在氧化性气氛下飞灰熔融温度逐渐升高 其主要原因为当温控炉温度达到 以上后先后通入富氧后灰样在氧化性气氛下首先进行多晶转变无机物分解成各种氧化物随着温度的升高各种氧化物特别是含量较高的 相对含量会更高从而导致碱度增加另外在惰性气氛下 与、易形成熔点更低的硅铝酸盐 图 垃圾飞灰不同氧浓度下熔融温度图./气氛下不同氧浓度对危废焚烧炉渣熔融温度的影响 图 为/气氛下不同氧浓度对危废焚烧飞灰熔融温度的影响图 从图中看出氧浓度为 时危废焚烧飞灰熔融温度最低比空气气氛下熔融温度低约 随着氧浓度的升高危废飞灰熔融温度也升高其主要原因与.节观点相同图 危废飞灰不同氧浓度下熔融温度图./气氛下不同氧浓度对垃圾焚烧飞灰与危废焚烧飞灰及耦合体飞灰熔融温度的影响 图 为/气氛下不同氧浓度对垃圾飞灰及危废飞灰及耦合体飞灰熔融温度的影响图 耦合体飞灰由垃圾焚烧飞灰与危废焚烧飞灰按照 比例掺混后水洗过滤干燥制砖而形成 从图中可看出三种飞灰熔融温度变化趋势相似都存在最低熔融温度点对应最佳富氧浓度约为 从图中可看出危废焚烧飞灰熔融温度整体相对较低其主要原因为危废焚烧飞灰硅铁钠元素含量相对生活垃圾焚烧飞灰较高根据晶相图及各种金属氧化络合物的熔点可知危废飞灰受热加热过程容易形成熔点较低的金属络合物 同时危废焚烧飞灰熔融温度随氧浓度的提高熔融温度的增加变缓慢主要为危废焚烧飞灰中碱度(氧化钙/氧化硅质量比)降低同时危废焚烧飞灰中低熔点碱金属盐含量较高对氧化性气氛不敏感 同时生活垃圾焚烧飞灰与危废焚烧飞灰的耦合体熔融温度变化趋势与各自飞灰熔融温度变化趋势相似处在两者之间图 垃圾飞灰与危废飞灰及耦合体飞灰在不同氧浓度下熔融温度图./气氛下不同氧浓度对偶合体熔融过程中重金属迁移的影响 图 为耦合体飞灰在不同氧浓度下加热熔融形成玻璃体典型重金属残余率对比图 根据飞灰熔融形成玻璃体所需温度与时间本文试验过程规定耦合体熔融形成玻璃体对应试验温度为 从 加热到 以及后续熔融总体时间为 耦合体在/气氛不同氧浓度下加热形成玻璃体后自然冷却然后对玻璃体进行重金属测量所测残余率如图 从图中可以看出、残余率较高全部在 以上其中 和 达到左右 而 和 在四种氧化性气氛下残余率仅约 左右 从图中可知除 元素外其他重金属基本随氧浓度的增加耦合体飞灰熔融玻璃体固化率逐步略有增加原因在于、及 在氧化性气氛中容易生成高沸点的氧化物而 元素在氧化性气氛中容易生成低沸点的氧化物但氧浓度对 元素固化率整体影响较小 另外氧化性气氛下更有利于重金属元素形成氧化物被固定在熔融玻璃体中而不是在高温下被挥发随气体携带走这点印证了李润东等人研究成果 图 耦合体飞灰在不同氧浓度下典型重金属残余率 结论()在/气氛下氧浓度为 时对于生活垃圾焚烧飞灰、危废焚烧飞灰以及两者的耦合体飞灰熔融温度最低此浓度对于采用富氧侧吹高温熔融处置飞灰也最为经济()/气氛下氧浓度对生活垃圾焚烧飞灰、危废焚烧飞灰以及两者耦合体飞灰熔融温度的影响趋势类似出现最佳氧浓度点关键在于平衡了氧化性气氛下氧化物与惰性气氛下低熔点络合物之间的转化()/气氛下随着氧浓度的增加对耦合体飞灰高温熔融过程绝大部分重金属固化起到促进作用熔融玻璃体中绝大部分重金属在氧化性气氛下形成高沸点氧化物被固定在玻璃体中只有少量重金属由于沸点较低原因被挥发到烟气中了参考文献王学涛金保升仲兆平等.城市生活垃圾焚烧底灰熔融处理实验研究.东南大学学报():.():.():.纪涛陈阳徐岗.新形势下生活垃圾焚烧飞灰处置技术现状及建议.环境卫生工程():.李润东池涌王雷等.城市垃圾焚烧飞灰熔融动力学研究.浙江大学学报():.岑可法樊建人池作和等.锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算.北京:科学出版社.王学涛金保升徐斌等.熔融温度对城市生活垃圾焚烧飞灰旋风熔融试验特性的影响.中国电机工程学报():.李润东.城市垃圾焚烧飞灰熔融过程的机理研究.杭州:浙江大学.():.():.赵光杰龚佰勋曹学义等.垃圾焚烧飞灰的熔融特性研究.环境科学学报():.