垃圾焚烧飞灰的熔融处理及浸取实验研究.pdf

固 废 处 理 垃圾焚烧飞灰的熔融处理及浸取实验研究 ＊ 仲兆平 金保升 辛美静 王学涛 东南大学动力系 热能所, 东南大学洁净煤发电与燃烧技术教育部重点实验室, 南京 210096 摘要 本研究进行了垃圾焚烧飞灰的高温熔融及其熔渣的浸取性能实验。 熔融实验在马弗炉中进行, 浸取实验使用 了蒸馏水、pH 值为 4 . 5的醋酸溶液和 pH 值为 3 的硫酸溶液 3 种浸印剂。 实验结果如下 重金属 Cd、Cr、Zn、Fe 随熔融 时间的增加, 溶出量明显减小。 延长熔融时间可减少这一类重金属的二次污染。 重金属 Hg 由于其极易挥发, 熔融时 间对其溶出量几乎没有影响。Zn、Cd 等重金属随熔融温度的升高, 溶出量明显减小, 升高熔融温度可减少这一类重金 属的二次污染。 重金属 Cr 的溶出量随溶剂 pH 值的升高而增加, 而 Cd、Pb、Zn 在醋酸溶液中的溶出量最大, 硫酸次之, 水中最小。 这是因为这些重金属和醋酸发生了络合反应, 因而溶出量增大。 关键词 垃圾焚烧 灰渣 熔融 浸取 ＊江苏省建设系统科技计划项目 JS200311 和教育部博士点基金 20030286005 资助。 1 前言 我国城市生活垃圾处理及污染防治技术政策 中推荐的城市生活垃圾处理方法有 4 种 卫生填埋、 堆肥 、 回收利用和焚烧 [ 1] 。 垃圾焚烧具有显著减少垃圾容积、彻底消除病菌 毒素和回收能量等优点。1876 年, 世界上第1 台城市 生活垃圾焚烧炉在英国曼彻斯特建成并投运 [ 1～ 3] 。 近30 年来 ,垃圾焚烧技术在国际上得到迅速发展和 广泛应用 。新加坡、瑞士 、 卢森堡、日本 、 丹麦 、 瑞典和 比利时等国的生活垃圾焚烧处理的比例都超过了 50 [ 2,4,5] 。我国经济发达城市已经或正在建设垃圾 焚烧厂 [ 1,6～ 8] 。 垃圾经焚烧后, 焚烧炉中的底渣和除尘器收集的 飞灰中含有大量的重金属如 Cd,Pb,Zn 等 ,若采用直 接填埋或作为建筑用材, 由于重金属的渗滤特性, 会 重新进入环境造成二次污染 [ 9] 。焚烧后控制就是对 其加以中间处理 ,使其无害化而达到填埋或做他用的 标准 。目前处理垃圾焚烧灰渣的方法主要有 熔融固 化处理法、水泥固化处理法 、 药剂处理法以及酸提出 处理法等 [ 9] 。其中熔融固化处理法在日本 、 德国和美 国等国受到特别的重视 。在此叙述了垃圾焚烧飞灰 熔融处理及熔渣浸取的实验研究结果。 2 试验方法 试验所用的垃圾焚烧灰样取自某厂流化床垃圾焚 烧炉布袋除尘器下的灰斗。熔融试验在马弗炉中进 行,试验中采用了900、 1 200、 1 400 ℃ 3个熔融温度。 在上述3 个熔融温度下将飞灰焙烧 0. 5、 1和2 h, 然后将焙烧后的熔渣磨碎后放入蒸馏水 、 pH 值为 4. 5 的醋酸溶液和 pH 值为 3 的硫酸溶液中 模拟土壤环 境 , 在磁力搅拌器的作用下连续搅拌10 h后过滤 ,分 析滤液中的重金属含量。熔渣浸取实验步骤如下 1 准确称量若干份灰样。 2 分别配取 pH 值为 3 的H2SO4溶液、 pH 为 4. 5 的醋酸溶液和蒸馏水各50 mL 。 3 将灰样 3 份 分别放入第 2 步中的 3 种溶液 中,用磁力搅拌器搅拌浸泡10 h, 静置0. 5 h后, 用漏斗 过滤 ,分析滤液中的重金属成分。 4将另外 5 份灰样 放入 马弗炉 内加 热至 900 ℃,恒温0. 5 h后 ,取出其中的 3 个, 其它灰样继续 灼烧 。 5 准确称量取出灰样的质量,重复上述步骤 3。 6 恒温1 h后再取出一个试样, 恒温2 h后, 取出 剩下的一份灰样 。 7 将第 6 步中的两份灰样放入 pH 为 4. 5 的醋 酸溶液中, 重复步骤 3。 8 在1 200 ℃和1 400 ℃的温度下, 重复上述试 验步骤1～ 7。 滤液中重金属含量的测定在原子吸收光谱仪上 进行,Fe 、 Zn、 Cr 采用火焰原子化法,Hg 、 Pb 、 Cd 采用石 墨炉原子化法。 3 试验结果分析 3. 1 熔融时间对重金属溶出率的影响 图1、 2、 3 、 4分别为在1 200 ℃ 下分别灼烧了 0. 5、 1、 2 h后经 pH 值为 4. 5 的醋酸溶液浸泡10 h后, 滤液 43 环 境 工 程 2005年 2 月第23 卷第1 期 中重金属 Cd、 Cr 、 Zn、 Fe 的含量与熔融时间的关系图。 从图中我们可以看出随着熔融时间的增加,溶出来的 4 种重金属明显变少。可见适当延长熔融时间能减 少Cd等这一类重金属的二次污染。 图5 为重金属 Hg 在1 200 ℃下分别熔融了 0. 5、 1、 2 h后经 pH 值为 4. 5 的醋酸溶液浸泡10 h后在滤液 中的含量随熔融时间的变化关系 , 从图中可以看出, Hg 的溶出量几乎不随熔融时间而变化 ,这是由于 Hg 是高度挥发物质 , 在1 200 ℃的高温下 ,Hg 几乎挥发 完全 ,因而滤液中含量极少。 3. 2 熔融温度对重金属溶出性能的影响 图6 为飞灰在不同的温度下熔融不同的时间后, 熔渣在pH 为4. 5的HAc 溶液中浸泡10 h后滤液中Zn 的含量 。从图中可见, 在不同的熔融时间下 ,随着熔 融温度的升高, 滤液中 Zn 的含量逐渐减小 。同时还 可以看出 ,在不同的熔融温度下,随熔融时间的增加, 滤液中 Zn 的含量都在降低 。从图 7 中可以看出, 在 同一温度下随熔融时间的增加滤液中重金属 Cd 的含 量在逐渐降低 相同熔融时间下, 随着熔融温度的增 加,滤液中 Cd 的含量逐渐下降。上述结果说明在试 验温度范围内, 熔融温度高时熔融效果好 ,重金属被 有效熔固 ,难于浸出 。 3. 3 pH 值对重金属溶出性能的影响 取1 200 ℃,恒温熔融0. 5 h的样品进行 pH 值对 重金属溶出性能的影响试验。 图8 表明重金属 Cr 随着浸取液酸性的增强, 溶 出量也在明显增加。在水溶液中它们几乎不溶。可 见熔融固化对这两种重金属能起到很好的作用。 从图 9～ 11 中可以看出重金属 Cd、 Pb、 Zn 属相同 类型, 随着溶剂酸性的增强 ,他们的溶出量并不是在 一直增加。在水溶液中他们几乎不会发生渗滤,在醋 酸中的渗滤量明显大于在硫酸中的 ,这是由于这些重 金属的一些化合物和醋酸发生了络合反应,因而易溶 解于醋酸溶液中 。 4 结论 在实验的基础上, 分析了熔融时间 、 熔融温度及 溶剂的 pH 值对重金属溶出的影响。 1 熔融时间 重金属 Cd、 Cr、 Zn、 Fe 随熔融时间 的增加,溶出量明显减小 。延长熔融时间可减少这一 类重金属的二次污染。重金属 Hg 由于其极易挥发, 熔融时间对其溶出量几乎没有影响 。 2 熔融温度 Zn 、 Cd 等重金属随熔融温度的升 高,溶出量明显减小 , 升高熔融温度可减少这一类重 金属的二次污染 。 3 溶剂的 pH 重金属 Cr 的溶出量随溶剂 pH 值的升高而增加 ,而 Cd 、 Pb 、 Zn 在醋酸溶液中的溶出 量最大,硫酸次之 ,水中最小。这是因为这些重金属 和醋酸发生了络合反应, 因而溶出量增大 。 下转第 79 页 44 环 境 工 程 2005年 2 月第23 卷第1 期 场试用表明,能够良好地应用于塑料制鞋行业 。 因此 ,粗苯酐与杂醇油直接酯化再减压蒸馏制备 邻苯二甲酸C4～ C5混合酯,技术上是可行的 。 3. 2. 2 搅拌对酯化反应的影响 中试 生 产 结 果 表 明, 搅 拌 时 的 出 水 速 度 0. 54 kg h 是接近不搅拌时 0. 29 kg h 的 2 倍。这 是因为 ,在酯化反应过程中 ,前期搅拌促进苯酐的溶 解,后期搅拌有利于增加羟基与醇的碰撞几率而提高 反应速度 。 3. 2. 3 减压蒸馏系统蒸馏压力进一步降低 如上所述, 减压蒸馏脱除低沸物后 ,系统蒸馏压 力对苯酐及C4～ C5醇的回收利用率和产品质量等均 产生重要影响。进一步降低系统蒸馏压力,具有重要 意义 。 对于中试装置减压蒸馏系统, 除配置合适的真空 泵、 进行合理配管外 , 还预先模拟工业化生产装置进 行了管道系统试验 。在强度试验、气密性试验合格 后,还进行了严格的真空度检验 [ 8] 。结果, 系统蒸馏 压力可稳定在 1. 0～ 2. 0 kPa 以下 。 4 结论 粗苯酐与杂醇油 ,在固体酸催化下直接酯化并减 压蒸馏制备邻苯二甲酸 C4～ C5混合酯 ,中试生产表 明技术上是可行的。该工艺“以废治废” ,不但使粗苯 酐中苯酐及杂醇油中 C4～ C5醇回收率均可达到90 以上 、 废水排放量少 ,而且 ,在满足塑料制鞋等行业用 户使用要求的同时, 相应增塑剂产品的生产成本大大 降低 。 参考文献 1 CN1065859A . 粗苯酐回收利用的方法. 2 张嫦. 杂醇油的利用及其深加工. 西南民族学院学报, 2001. 27 4 440～ 442. 3 朱宪, 周忠华, 许斌. 用杂醇油制备邻苯二甲酸C4～ C5混合酯增塑 剂的研究. 精细化工,1994. 11 3 52～ 55. 4 孙学军, 田君濂, 王善田. 邻苯二甲酸混合酯的制备杂醇油的开 发利用. 山东化工,1994. 2 7～ 9. 5 张慧玲, 覃元秋, 陆彬凯. 强酸树酯催化合成邻苯二甲酸混合酯增 塑剂. 广西大学学报,1996. 21 4 377～ 382. 6 汪多仁. 邻苯二甲酸 C4～ C5混合酯. 现代涂料与涂装. 1999. 2 36～ 37. 7 汪多仁. 增塑剂化学品生产配方和合成工艺. 北京 科学技术文献 出版社, 1999. 55～ 59. 8 GBJ5023597. 工业金属管道工程施工及验收规范. 作者通讯处 石顺存 411201 湖南湘潭市 湖南科技大学化学化 工学院 2004- 04-26 收稿 上接第 44页 参考文献 1 张益, 陶华主编. 垃圾处理处置技术及工程实例. 北京 化学工业出 版, 2002, 217～ 218. 2 高亮, 周立, 吴树桐等. 赴欧洲垃圾焚烧厂考察报告. 环境卫生工 程, 2001. 9 2 84～ 88. 3 张盛, 高亮. 考察日本垃圾焚烧发电设备的报告. 环境卫生工程, 2002. 10 4 204～ 206. 4 Renbi Bai. Mardina Sutanto . The practice and challenges of solid waste management in Singapore[ J] . Waste Management, 2002. 22 557～ 567. 5 He Dewen, Chai Liyuan. Progress on Energy and Pollution Control of Municipal Solid Waste by Incineration Technology[ C] . In Proceedings of International Symposium on Solid Waste Incineration and Flue Gas Cleaning Technologies. The Chinese Society of Environmental Sciences, Fuzhou, China , 2002. 39～ 43. 6 王建勇, 施耀新, 郝福民. 上海城市生活垃圾和发电技术分析. 锅炉 技术, 2002. 33 11 29～ 32. 7 金鑫, 张少盾. 太原垃圾焚烧发电工程设计路线. 中国环保产业, 2002. 9 32～ 33. 8 林福成. 南海环保电厂垃圾焚烧系统特点及调试. 四川电力技术, 2002. 3 48～ 49. 9 安丽. 稳定化 固化废物中重金属的渗漏行为, 环境污染与防治, 1994. 18～ 22. 作者通讯处 仲兆平 210096 东南大学动力系 热能所 2004- 05-24 收稿 79 环 境 工 程 2005年 2 月第23 卷第1 期 ferrosilicon electric furnace. The investment analysis of recovering microsilicon fume was also conducted. Keywords ferrosilicon electric furnace, dedusting, recovery of microsilicon fume and benefit TECHNICALREOFDEVICEFORTREATINGPELLETINGTAILGASFROM PRODUCTIONOF COMPOSITE FERTILIZERYang Zhongmiao et al 41 Abstract It was analyzed that the problems of phosphoric acid -washing for primary treatment of pelleting tailgas from production of composite fertilizer, and that the causes of large amount of ammonia in the tailgas when water -washing is used for primary and secondary treatments. A technical scheme of using phosphoric acid -washing for secondary treatment is also proposed, whose operations show that the re is successful and using phosphoric acid-washing for secondary treatment is feasible. Keywords pelleting tailgas, ammonia, phosphoric acid and re EXPERIMENTAL STUDY ON FUSION AND PICK-UP BY SOAKING FOR FLY ASH IN MUNICIPAL SOLID WASTE MSWINCINERATIONZhong Zhaoping et al 43 Abstract It isdescribedthat the process of experimental study on the fusion at high temperature for fly ash in municipal solidwaste MSW incineration and the perance of the pick -up by soaking for the fusing dregs. The experiment of fusion is operating in Marver stove, and the experiment of pick -up by soaking is operating in distilledwater, acetic acid,whose pH is4. 5, and sulphuric acid, whose pH is 3. The resultsof the experiments are as follows. The amount of the heavy metal Cd, Cr, Zn, Fe increases asthe time of fusion goeson, the amount separted out decreases obviously. By prolonging the time of fusion, the pollution of these metals can be reduced. Because the heavy metal Hg volatilizes easily, the time of fusion has little effects on its amount separated out. The amount separatedout of heavy metalZn, Cd etc. decreases obviously with its temperature of fusion increasing, so the pollution of these can be reduced by raising its temperature of fusion. The amount separated out of the heavy metal Cr increases with the rising of the solvent s pH,while the amount separated out of Cd, Pb, Zn in acetic acidis the greatest, and water is the smallest. For these heavy metals and acetic acid having complex reactions, so its amount separated out is the greatest. Keywords fusion, pick-up by soaking, MSW incineration and cinder STUDY ONTECHNOLOGY OF PLASTIC SEPARATING AND RECYCLING FROM MSW Lǜ Chuanyi et al 45 Abstract The component of MSW was analyzed, and the necessity of separating plastic and recycling plastic from the MSW wasexpatiated. The new processof separating plastic and recycling plastic from the MSW was brought forward. The motion parameters of separating plastic and the perance parameter of plastic boardwere given. The key techniques, such as crushing, enlacing, changing density and so onwere also solved. The technical inds of the fabricated boards can meet the requirements of building materials. Keywords MSW, plastic separating , changing density , recycling resource and plastic board TREATMENT OF NITROGEN OXIDE WITH SOIL FILTRATIONDu Jijun et al 48 Abstract The biological treatment of nitrogen oxide in waste gas by soil filtration was investigated. The study focused on the effect of soil, concentration, temperature and air velocity through reactor. The experiment result demonstrated that pollution caused by nitrogen oxide canbe controlled by soil filtration. The removal efficiency of nitrogen dioxide was above 90. Enrichment soil was better than poor soil as filtration medium. The removal efficiency was increasedwith increasing of concentration, when concentration higher than 2 mg m3, the removal efficiency was around 95. The increasing of temperature was of benefit to the removal efficiency. On the other hand, it also prolonged the operation time of soil filter. In the range of the experiment, the increasing of gas velocity in the reactor didn t decrease the removal efficiency of NOX. Keywords nitrogen oxide, soil filtration and biopurification DESIGNOFTHEINCINERATIONPLANTFORSOLIDWASTEFROMPUDONG INTERNATIONAL AIRPORTWang Yanming et al 51 Abstract It is introduced systematically that the incineration processfor the treatment of solidwaste from Pudong International Airport. And the process flow and design parameters including material balance and safety control theory have been detailed. Keywords solid waste from airport, incineration technique, material balance and process control PRIORITY LEACHING OF CAMIUM FROM SPENT CADMIUM -NICKEL BATTERIES Wang Min 56 Abstract Thermodynamics analysis and kinetics analysis of priority leaching of cadmium from spent Cd -Ni batteries have been carried out. The leaching conditions differ greatly between CdO andNiO, which was experimentally investigated. The results show that at 50 ℃ and pH2 of H2SO4solution in 50 min leaching, the leaching ratio of cadmium and nickel is 100 and 2. 5 respectively. Keywords spent cadmium -nickel batteries, thermodynamics, kinetics, cadmium and priority leaching RESEARCH ON RECOVERY OF ALLOYS FROM SOLID WASTE OF HIGH SPEED STEEL Xia Wentang et al 58 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23, No. 1,Feb. , 2005