垃圾焚烧中镉、铅迁移转化特性研究

论文摘要

本文采用实验研究和热力学平衡计算对中国垃圾焚烧中Cd、Pb的迁移和转化特性进行了研究。在自行设计和搭建的管式焚烧炉中分别就氯、硫、水分、吸附剂和焚烧温度、停留时间对Cd、Pb迁移和转化特性的影响进行了实验研究。使用吉布斯自由能最小法对垃圾焚烧中Cd、Pb的平衡形态分布进行计算,并与实验数据进行对比分析,取得以下研究成果。氯能有效增强Cd、Pb的挥发特性。有机氯（PVC）和无机氯（NaCl）均能使97%以上的Cd和90%的Pb分布于飞灰中。两种氯对Cd、Pb的迁移和转化特性的影响机理不同。NaCl易与Pb形成PbCl2,与Cd除易形成CdCl2外还能直接与其反应生成CdCl2（NaCl）6和Na2CdCl4。PVC除与Cd、Pb形成氯化物外还易形成相应的氯酸盐Na[Cd（ClO4）3]、Pb（ClO4）2、PbCl2O4。不同形态的硫对Cd、Pb迁移和转化特性的影响机理不同。S和Na2S易与Cd形成难挥发性物质CdS,使Cd在底渣中分布分别增加4.2%和20.1%,Na2SO4（Na2SO3）易与Cd生成CdSO4,使Cd更多地分布在飞灰中。所有形态的硫均使Pb在底渣中的分布减少25%以上,飞灰中Pb主要以PbSO4形式存在。烟气中水分对重金属迁移和转化特性的影响主要是对重金属反应化学平衡移动的影响,垃圾中水分的影响则是对燃烧状况的影响。实验表明,吸附剂对Cd吸附能力的大小顺序依次为Al2O3>SiO2>CaO,吸附剂除化学吸附外还具有一定的物理吸附能力。硫、氯能缩短吸附剂对Cd、Pb的有效吸附温度段,但有效吸附温度段内吸附率不受影响,氯能使Al2O3对Cd的化学吸附能力丧失。温度主要影响Cd、Pb化合物的蒸气压和垃圾焚烧状况,温度的升高能显著增强重金属的挥发性。当温度低于850℃时,Cd、Pb均不在烟气中分布,当温度为1000℃时,Cd在烟气中的分布为8.49%,Pb在烟气中始终没有分布。焚烧中,重金属的挥发主要集中在初始阶段。在初始阶段3min～6min,停留时间对Cd、Pb迁移特性影响显著,超过6min影响甚微。本文的研究成果对进一步深入认识我国垃圾焚烧中重金属的迁移和转化特性、焚烧炉的设计改进及发展焚烧中和焚烧后重金属的控制技术提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 我国城市生活垃圾的现状和变化
• 1.1.2 城市生活垃圾的危害和处理方式
• 1.1.3 城市生活垃圾焚烧与重金属污染
• 1.1.4 本文研究的重金属—镉、铅
• 1.2 垃圾焚烧中重金属的行为特性及控制现状
• 1.2.1 垃圾焚烧中重金属的行为特性
• 1.2.2 焚烧中重金属的控制现状
• 1.3 垃圾焚烧中重金属迁移和转化特性影响因素的研究现状
• 1.3.1 垃圾焚烧中重金属迁移和转化研究概述
• 1.3.2 垃圾成分的影响
• 1.3.3 焚烧炉运行条件的影响
• 1.3.4 小结
• 1.4 垃圾焚烧中重金属迁移和转化特性研究实验装置现状
• 1.4.1 流化床反应装置
• 1.4.2 固定床反应装置
• 1.4.3 小结
• 1.5 现有研究总结
• 1.6 本文的研究目标和主要内容
• 第2章 实验系统及方案
• 2.1 垃圾模拟方案的确定
• 2.1.1 垃圾模拟的研究现状
• 2.1.2 垃圾模拟的基本原则
• 2.1.3 本文的垃圾模拟方案
• 2.2 实验系统介绍
• 2.2.1 气体供应
• 2.2.2 流量控制
• 2.2.3 管式焚烧炉
• 2.2.4 管式反应器
• 2.2.5 飞灰捕捉及保温
• 2.2.6 烟气吸收
• 2.3 实验系统调试
• 2.3.1 石英管温度场分布
• 2.3.2 垃圾焚烧停留时间的确定
• 2.3.3 滤筒保温调试
• 2.4 实验程序及样品消解方法
• 2.4.1 实验程序
• 2.4.2 样品消解方法
• 2.4.3 实验中所用化学试剂
• 2.5 实验系统重复性实验及误差分析
• 2.6 全文研究方案
• 2.6.1 本文所研究的影响因素
• 2.6.2 研究手段
• 2.6.3 检测内容
• 第3章 热力学平衡的建模
• 3.1 热力学平衡研究概述
• 3.2 热力学平衡计算的基本原理
• 3.3 热力学平衡计算工具
• 3.3.1 计算工具CHEMKIN
• 3.3.2 热力学数据库
• 3.4 热力学平衡模型与计算参数
• 3.4.1 热力学平衡模型
• 3.4.2 计算输入条件
• 3.4.3 计算工况
• 3.5 热力学平衡模型的局限
• 第4章 氯对镉、铅迁移和转化特性的影响
• 4.1 氯对镉迁移和转化特性的影响
• 4.1.1 氯对Cd 迁移特性的影响
• 4.1.2 氯对Cd 转化特性影响的SEM/EDS 分析
• 4.1.3 氯对Cd 转化特性影响的 XRD 分析
• 4.1.4 氯与镉反应的热力学平衡分析
• 4.1.5 氯对焚烧中Cd 迁移和转化特性机理分析
• 4.2 氯对铅迁移和转化特性的影响
• 4.2.1 氯对Pb 迁移特性的影响
• 4.2.2 氯对Pb 转化特性影响的SEM/EDS 分析
• 4.2.3 氯对Pb 转化特性影响的XRD 分析
• 4.2.4 氯与铅反应的热力学平衡分析
• 4.2.5 氯对焚烧中Pb 迁移和转化特性机理分析
• 4.3 重金属Cd、Pb 质量平衡分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 硫对镉、铅迁移和转化特性的影响
• 5.1 硫对Cd 迁移和转化特性的影响
• 5.1.1 硫对Cd 迁移特性的影响
• 5.1.2 硫对Cd 转化特性影响的SEM/EDS 分析
• 5.1.3 硫对Cd 转化特性影响的 XRD 分析
• 5.1.4 硫与镉反应的热力学平衡分析
• 5.1.5 垃圾焚烧中硫对Cd 迁移和转化机理分析
• 5.2 硫对Pb 迁移和转化特性的影响
• 5.2.1 硫对Pb 迁移特性的影响
• 5.2.2 硫对Pb 转化特性影响的SEM/EDS 分析
• 5.2.3 硫对Pb 转化特性影响的XRD 分析
• 5.2.4 硫与铅反应的热力学平衡分析
• 5.2.5 硫对Pb 迁移和转化影响机理分析
• 5.3 重金属Cd、Pb 质量平衡分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 水分和吸附剂对镉、铅迁移和转化特性的影响
• 6.1 水分对Cd、Pb 迁移和转化特性的影响
• 6.1.1 实验装置
• 6.1.2 水分对Cd、Pb 迁移特性影响的实验研究
• 6.1.3 水分对Cd、Pb 形态影响的热力学平衡研究
• 6.2 吸附剂对Cd、Pb 迁移和转化特性的影响
• 6.2.1 研究方案
• 6.2.2 吸附剂对Cd、Pb 迁移特性影响的实验研究
• 6.2.3 吸附剂物质对Cd、Pb 形态影响的热力学平衡研究
• 6.4 本章小结
• 第7章 焚烧条件对镉、铅迁移和转化特性的影响
• 7.1 温度对Cd、Pb 迁移和转化特性的影响
• 7.1.1 温度对Cd、Pb 迁移特性影响的实验研究
• 7.1.2 温度对Cd、Pb 形态转化特性影响的理论计算
• 7.2 停留时间对Cd、Pb 迁移特性的影响
• 7.3 本章小结
• 第8章 结论
• 8.1 本文研究总结
• 8.2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果