城市生活垃圾複雜成分焚燒過程解耦及重金屬定向固化

《城市生活垃圾複雜成分焚燒過程解耦及重金屬定向固化》是依託華中科技大學，由姚洪擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：城市生活垃圾複雜成分焚燒過程解耦及重金屬定向固化
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：姚洪
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

我國城市生活垃圾能源化利用因成分複雜導致熱處置方法的複製性和規模化困難，更為關鍵的是重金屬等污染物的安全處置。本研究針對我國城市生活垃圾多組分特性，從複雜成分中分離出單元成分出發，基於二次反應最小化的實驗手段，研究各單元成分中有機和無機成分的熱解、燃燒等熱化學轉化過程，跟蹤前驅物、中間產物及相變過程，定量描述各單元可燃成分的熱解、燃燒的化學反應動力學過程，對我國城市生活垃圾複雜成分的熱處置過程進行解耦，解析其可燃成分之間的互動影響規律；揭示高溫條件下重金屬在燃燒過程中/後的行為及其化學反應動力學；結合我國城市生活垃圾燃燒特性，定量描述重金屬及其化合物的蒸發、均相/非均相反應過程，同時闡明其它主要氣態污染物參與的化學動力學過程，分析灰渣中重金屬化學形態。合理調整城市生活垃圾熱處置過程，促使重金屬污染物定向富集與固化，尋求適合我國城市生活垃圾焚燒後灰、渣及重金屬的無害化、資源化處置思路和方法。

結題摘要

我國城市生活垃圾能源化利用因成分複雜導致熱利用技術複製性和規模化困難。另外，重金屬等污染物排放及安全處置等問題亟待解決。本研究旨在探索城市生活垃圾多組分在燃燒過程中的互動影響、重金屬轉化及富集機理、灰渣資源化利用方法。項目研究的主要結論如下：城市生活垃圾中典型的可燃組分混合燃燒後，各組分揮發物質釋放影響較小，但混合焦樣的物理結構和化學結構相對於單組分焦樣的改變，使得混合焦樣的燃燒特性顯著提高。垃圾中的殘留水份促進熱解氣的生成，相比於自由水，結合水作用更明顯；低溫下促進熱解焦油中鏈狀、不飽和化合物生成，與高溫下揮發分反應使得焦孔隙率及比表面積增大，促使C-C鍵斷裂，加速焦C向氣態C轉化，增加H2產量。鑒於傳統垃圾物理屬性的分類方法對垃圾焚燒實際運行中燃燒過程的指導意義有限，本研究提出基於重量加權平均表觀活化能的概念，將不同的垃圾分成四類，實現了對垃圾各組成活化能的統計和分類。以易揮發砷和難揮發的鉻為研究對象，探究了垃圾焚燒過程中重金屬形態遷移和轉化機理。焚燒過程中易揮發砷大部分以氣相釋放到煙氣，部分被固化到飛灰基質中，氣相中砷部分與多種無機礦物經化學氧化存在於飛灰中，生成不同形態的砷酸鹽（As(V)）；溫度更低時，部分通過物理吸附於飛灰中；CaO的噴入促進砷的物理吸附（As(III)）。研究發現，垃圾焚燒後游離CaO及鹼金屬促進鉻氧化，生成毒性更高的Cr(VI)，爐內鉻的氧化主要受游離CaO的影響，在局部還原性氣氛下和Ca/Cr比例較小的情形下，Cr將轉化成CaCr2O4；相對於Cr2O3，CaCr2O4在CaO或鹼金屬作用下氧化更容易生成Cr(VI)。城市生活垃圾焚燒飛灰中重金屬的含量較低，不利於直接進行回收。通過熱處理技術，可以實現易揮發重金屬Zn和Pb在二次飛灰中富集，未揮發重金屬被固化在飛灰基質中，從而降低危害。飛灰中游離CaO的存在促進了熱處理過程中的鉻氧化，使得熱處理後飛灰中鉻的浸出量增加，通過合理調節飛灰中Ca與Fe、Al和Si等化合物比例，可有效抑制熱處理過程中鉻的氧化，進而降低熱處理飛灰中鉻對環境中的浸出。依據不同重金屬化合物的溶解特性，發明了二次飛灰中重金屬的濕化學回收方法。經熱處理後的飛灰可作為建築材料的原料使用，製備水泥、陶粒等，實現飛灰無害化和資源化的利用。