垃圾焚燒過程中鉛和鎘的揮發(fā)特性及其排放控制研究.pdf

1、垃圾焚燒因為具有占地面積小、垃圾處理量大和減容率高的優(yōu)點，所以在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，中國城市垃圾圍城現(xiàn)象日益嚴(yán)重，垃圾焚燒電廠建設(shè)進入了高速發(fā)展期。生活垃圾內(nèi)含有半揮發(fā)性有毒重金屬，如Pb和Cd等，容易在焚燒爐內(nèi)揮發(fā)，在煙氣中冷凝，生成亞微米顆粒物，穿透除塵設(shè)備，直接排向大氣，從而對人體產(chǎn)生危害。本文以Pb和Cd為研究對象，探索二者在焚燒過程中的揮發(fā)特性及其排放控制。
　　首先，基于最小Gibbs自由能方法和熱重分

2、析，對Pb和Cd的多種純凈物進行了熱力學(xué)和熱分析研究，得到了對應(yīng)的熱穩(wěn)定性和揮發(fā)動力學(xué)。在空氣氣氛下、焚燒溫度區(qū)間內(nèi)，氧化物和氯化物較為穩(wěn)定，其他考察的物質(zhì)均會轉(zhuǎn)化為氧化物。氯化物以及氧化物的初始揮發(fā)溫度高低順序為CdO(～1040℃)＞PbO(～860℃)＞CdCl2(～500℃)≈PbCl2(～500℃)，揮發(fā)速率大小順序為CdCl2＞PbCl2＞＞PbO＞CdO。氯化物的揮發(fā)性遠高于氧化物。
　　接著，基于最小Gibbs自由

3、能方法，研究了焚燒爐內(nèi)Pb和Cd的物理化學(xué)狀態(tài)分布，得到了焚燒工況和輸入元素產(chǎn)生的影響及其作用機制。氧化性氣氛下提高溫度導(dǎo)致H2O促進Pb和Cd從氯化物向氧化物轉(zhuǎn)變;還原性氣氛下提高溫度導(dǎo)致二者從硫化物向單質(zhì)轉(zhuǎn)變。CaO可以作為脫硫劑阻止NaCl通過SO2釋放Cl，也可以作為脫氯劑吸收Cl，但在800℃以上無效。試驗中發(fā)現(xiàn)，模擬垃圾表面和內(nèi)部的還原性氣氛將重金屬還原為單質(zhì)氣體從而降低初始揮發(fā)溫度。添加PVC和NaCl對重金屬的揮發(fā)促進作

4、用相近，但過程和機理不同。PVC在300℃的Cl釋放導(dǎo)致重金屬低溫氯化，NaCl則在800℃左右通過Si和Al直接氯化重金屬。CaO在700℃之前可以阻礙PVC產(chǎn)生的低溫氯化，但對NaCl產(chǎn)生的高溫氯化無效。
　　然后，基于對焚燒爐內(nèi)重金屬揮發(fā)特性的深入理解，對焚燒爐內(nèi)高嶺土控制重金屬排放進行了理論研究?；诘谝恍栽?，通過量子化學(xué)計算，研究了高嶺土吸附Pb和Cd蒸汽的機理。高嶺土依靠Al表面的不飽和Al原子和O原子進行吸附，吸附

5、產(chǎn)物穩(wěn)定性順序為:氧化物＞氯化物＞單原子。氧化物蒸汽吸附由于O-Al鍵而穩(wěn)定不易脫附，試驗中CdO捕集效率低于PbO由物理擴散導(dǎo)致而與分子層面的化學(xué)吸附無關(guān)。氯化物分子吸附通過高活化能的HCl釋放步驟轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定氧化物吸附，試驗中CdCl2捕集效率低于PbCl2由中間產(chǎn)物脫附能力差異導(dǎo)致。
　　最后，使用小型流化床焚燒爐試驗臺焚燒模擬垃圾，研究高嶺土捕集亞微米Pb和Cd的過程和性能。捕集過程分為:(1)蒸汽化學(xué)吸附;(2)顆粒間粘附