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城市生活垃圾化学链燃烧/气化污染元素镉、铅迁移机理研究

【摘要】:垃圾化学链燃烧、气化过程均可实现城市生活垃圾(MSW)资源化、减量化、无害化利用。然而,城市生活垃圾中的重金属浓度相对较高,重金属的排放控制是城市生活垃圾化学链燃烧、气化的挑战之一。本文通过模拟与实验相结合的方法,深入研究了城市生活垃圾化学链燃烧、气化过程中镉、铅迁移转化规律。本文主要研究内容如下:(1)运用HSC chemistry 6.0软件模拟了三种载氧体活性组分(氧化铜、氧化铁、硫酸钙)对元素态镉、铅价态分布的影响。三种载氧体的活性组分均可使得镉的价态发生转化。在氧化铜的影响下,铅元素主要以氧化态存在体系中,而在氧化铁和硫酸钙的影响下,铅依然主要以元素态存在。三种载氧体中,只有铜基载氧体可同时促使镉、铅元素向其氧化态转变。(2)在管式炉上研究了不同温度(750/850/950℃)、不同氧碳比(0.5/1/2/3/4)以及不同停留时间(2/5/15 min)对垃圾化学链燃烧/气化过程中镉在床料、飞灰和烟气中的分布的影响,并分析了其迁移过程。在化学链燃烧过程中,超过94%的镉分布在底料中,载氧体对镉的挥发有显著的抑制效应。氧碳比、温度、停留时间对镉的分布影响均不明显。在化学链气化过程中,镉分布与传统气化过程相似,均主要分布在飞灰中。在化学链气化过程中,温度对镉在飞灰中的分布比较明显,750℃时镉在飞灰中分布为63.8%,而在850℃后时镉在飞灰中分布超过95%,镉在飞灰中的分布随停留时间延长而明显上升,由44%增加到87.7%,但氧碳比对镉的分布影响并不明显。化学链燃烧过程中镉的两步转换和迁移过程可能如下:Step1:模拟物的热解和气化产物通过还原作用将镉转化为Cd(g),使其从固体燃料颗粒中释放;Step2:载氧体颗粒通过氧化反应将Cd(g)氧化,生成CdO(s),并且CdO(s)可以粘附到载氧体颗粒的表面。(3)分析了温度、氧碳比以及停留时间对垃圾化学链燃烧/气化过程中铅在床料、飞灰和烟气中的分布的影响。无论在化学链气化过程中还是在化学链燃烧过程中,铅均主要分布在底料中的垃圾残渣中,且温度、氧碳比、停留时间并没有对铅的分布产生明显影响,铅未通过挥发的方式从垃圾颗粒中释放。铅在底料中的大量存在是由载氧体颗粒对铅元素扩散产生的阻碍作用造成的。(4)通过耦合镉在化学链燃烧和气化中迁移转化特性,提出了一种高效新颖的镉回收控制方法。通过5次循环化学链燃烧试验发现,随着化学链燃烧循环次数的增加,载氧体中的镉浓度由7.1 mg/kg线性上升至33.3 mg/kg,平均效率为85%左右,镉的捕集效率较高,且较为稳定。单次化学链气化,3%的垃圾添加比,载氧体中镉的脱除效率为78%,脱除效率较高。通过多次化学链燃烧过程可以实现镉在载氧体中的富集,单次化学链气化即可实现载氧体中高浓度镉的高效脱除。

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