垃圾焚燒時氯對重金屬遷移特性的影響

在燃燒過程中，含有的重金屬經歷了許多過程，如位移和發展。Greenberg等人指出,垃圾組分中氯含量增加(或煙氣中HCl濃度過高(102?mg/m3～103?mg/m3))使重金屬的揮發量有不同程度的增加。金屬氯化態的蒸發壓力高于氧化態,當垃圾內無機氯或有機氯含量較高時,一定條件下氯與重金屬反應生成顆粒小、沸點低的氯化物,加劇了重金屬的揮發。近年來,由于垃圾中氯含量逐漸增加引起了國內外一些學者的重視,垃圾焚燒過程中氯的存在對重金屬分布特性的影響已經成為國際上研究的一個熱點,目前,國內只是針對垃圾焚燒過程中有機物及HCl的排放特性進行了一些初步研究,而氯對重金屬分布特性的影響在國內尚未開展深入研究。1實驗部分1.1樣品的制備實驗所采用的垃圾是根據中國城市生活垃圾的成分構成模擬而成,見表1。實驗中添加的有機氯為PVC小丸,無機氯為NaCl,添加比例為5%。1.2小型管式爐和采用不足的熱風控制儀實驗所用裝置是管式反應爐,實驗裝置如圖1所示。該小型管式反應爐加熱管采用單螺紋硅碳管:80/70mm×300/100mm,有效加熱段為300mm,被加熱石英管直徑與管長分別為48mm,800mm。整個小型管式爐包括供氣部分、管式爐部分及采樣部分。供氣部分以2L/min的速率吹入空氣(作為載氣),以帶出焚燒產生的煙氣。管式爐部分由電加熱供熱,電子溫控儀根據熱電偶來調節和控制工況所需的溫度條件。煙氣吸收裝置參照USEPAmethod5(MM5method)和USEPAmethod29,吸收煙氣中的重金屬,前兩個吸收瓶內為5%HNO3和10%H2O2,后兩個吸收瓶內是4%KMnO4和10%H2SO4。1.3原生垃圾及焚燒殘液中重金屬含量分析吸收液的處理方法參照EPAMETHOD101和EPAMETHOD29,原生垃圾及焚燒殘渣中重金屬含量分析采用HNO3-HF-HClO4消解處理后利用火焰原子吸收儀FAAS(flameatomicadsorptionspectors)測量。Hg采用原子熒光儀測量。2結果和分析2.1垃圾中的重金屬含量模擬垃圾通過直接消解處理后得到其中重金屬的含量,見表2。2.2不同溫度下氯的含量對cu、cr、有機氯、pvc和cd圖2中給出不同溫度下重金屬的揮發重量百分比,其含義如下:重金屬揮發率w=(氣相中重金屬含量/原垃圾中重金屬含量)×100%圖2給出了不同反應溫度下,添加有機氯和無機氯對重金屬揮發特性的影響。從圖中可以看出,對于所研究的金屬元素,無論有機氯還是無機氯對其揮發量都有不同程度的增加,且有機氯的效果高于無機氯,溫度越高揮發量增加越多。對于Cd,有機氯和無機氯對Cd的影響比較明顯,溫度大于450℃時,添加有機氯更易于Cd向煙氣中揮發。對于Pb在溫度低于350℃時,氯對其揮發特性的沒有顯著影響,當溫度大于350℃,由于氯的存在,雖在低溫下煙氣中Pb含量有所增加,但增加的不是很多,當溫度大于750℃時,氯的存在使Pb的揮發量比無氯時明顯增加。而對于Hg因其在無氯的情況下揮發本身很高,因此,氯的加入對其揮發特性的影響并不很強。對于Zn的影響溫度在600℃以上,且有機氯比無機氯更易于重金屬Zn的揮發。而對于Cu、Cr無論是添加有機氯還是無機氯,氯的存在對其的揮發特性影響很小,只有在較高的焚燒溫度下(750℃左右時),有機氯(PVC)的加入使Cu、Cr的揮發量有所增加。可見在低溫下,焚燒垃圾中氯的存在對重金屬分布特性幾乎無影響,只有在較高溫度下氯才會影響金屬的揮發性。焚燒垃圾中氯對不同重金屬的影響溫度不同,這同金屬自身及其化合物的性質有關。2.3焚燒溫度和時間對重金屬揮發性的影響針對同一溫度,研究有機氯和無機氯對重金屬分布特性的影響。由于在低溫下,焚燒垃圾中氯對重金屬分布特性影響很弱,因此以下主要討論在600℃和900℃時,氯對重金屬分布特性的影響如圖3、圖4。從圖3中可以看出,在600℃的焚燒溫度下,無論是添加NaCl還是添加PVC,煙氣中重金屬含量普遍大于未添加氯的焚燒工況。焚燒垃圾中氯的存在使Pb、Zn、Cd在煙氣中含量的增加較為顯著;而Cr、Cu在煙氣中含量的增加比較小,幾乎不變。PVC對重金屬揮發特性的影響大于NaCl。從圖4中也可看出與圖3相似的規律,隨著焚燒溫度的增加,焚燒垃圾中氯的存在使煙氣中重金屬濃度進一步增加,即對重金屬及其化合物的揮發性影響更加顯著。而Cr、Cu在900℃的焚燒溫度下,添加NaCl和PVC使煙氣中重金屬濃度開始發生變化。這些實驗結果與Kuen-ShengWang等人的結論相似。綜上分析,垃圾焚燒過程中氯的存在使重金屬更易向飛灰或煙氣中遷移,其原因可認為是氯的參與延遲了金屬化合物的凝結過程,并且降低了露點溫度。添加PVC比添加NaCl使重金屬揮發量增加較多,因NaCl分子間的結合力大于PVC分子間的結合力,PVC易分解提供出更多的Cl。且焚燒溫度越高,這個規律愈顯著。這是由于高溫焚燒本身就易增加金屬及其化合物的揮發性,加之氯的存在使金屬與其反應生成金屬氯化物,而金屬氯化態的蒸發壓力通常都高于氧化態,因此更進一步增強了金屬的揮發性,使煙氣中重金屬含量比低溫焚燒下明顯高很多。由于垃圾中氯的存在使重金屬更易向煙氣或飛灰顆粒中遷移,如果不采取有效的捕集方法,就會使逸出凈化設備的重金屬增多,因此垃圾中氯含量的逐年增加,也相應的給重金屬捕集技術提出了新的難題。焚燒過程中有機氯和無機氯對各種重金屬排放影響的機理研究還有待于進一步探討。2.4質量平衡分析結果實驗過程中還對氣相中及焚燒殘渣中重金屬進行質量平衡分析,結果表明本次實驗數據基本是滿足質量守衡的,結果是可靠的。由于篇幅所限,圖5僅給出了900℃時重金屬的平衡情況。3重金屬分布的影響因素。《概念》載(1)當反應溫度較低時,垃圾中氯的存在對重金屬分布特性無影響,只有在較高溫度下才會影響金屬的揮發性。焚燒垃圾中氯對不同重金屬的影響溫度不同,這一點是與金屬自身及其化合物的性質有關的。(2)垃圾焚燒過程中氯使重金屬更易向飛灰或煙氣中遷移,使煙氣中重金屬含量增加,其原因是氯的參與延遲了金屬化合物的凝結過程,并且降低了露點溫度。(3)垃圾中有機氯對重金屬分布特性影響要大于無機氯。(4)只有那些分布在飛