医疗垃圾焚烧飞灰中重金属的蒸发特性

2009年10月 The Chinese Journal of Process Engineering Oct. 2009

收稿日期：2008−09−23，修回日期：2008−11−26

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目(编号：20806051)；国家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目(编号：2005CB724206) 作者简介：刘汉桥(1973−)，男，湖北省鄂州市人，博士后，讲师，热能工程专业，E-mail: lhqlkx@.

医疗垃圾焚烧飞灰中重金属的蒸发特性

刘汉桥

1,2

， 魏国侠1， 张曙光2， 蔡九菊3

(1. 天津城市建设学院能源与机械工程系，天津 300384；2. 天津泰达环保有限公司，天津 300350；3. 东北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110004)

摘 要：利用管式高温炉研究了医疗垃圾焚烧飞灰中重金属的蒸发特性，以确定飞灰中重金属的有效热分离参数. 结果表明，停留时间20与60 min 时的重金属蒸发率差别不大，其影响程度取决于温度；布袋飞灰中高含量Cl 的存在对重金属的蒸发有促进作用；在1000℃时，飞灰中Pb 和Cd 的蒸发率已达90%以上；气氛对Zn 的蒸发效果影响显著，Zn 在1000℃空气气氛下蒸发率仅为67%，但在N 2气氛下蒸发率高达92%；若考虑Cd, Pb, Zn 等挥发性重金属有效分离和二噁英分解两方面的需求，医疗垃圾焚烧飞灰的最低热处理温度宜控制在1000℃左右. 关键词：医疗垃圾；飞灰；重金属；蒸发

中图分类号：X799.5 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2009)05−0892−05

1 前 言

医疗垃圾焚烧飞灰中Pb, Zn, Cd 等挥发性重金属含量较高且渗沥浓度超过危险废物填埋标准

[1,2]

，在填埋最

终处置前需进行固定或分离预处理. 这3种重金属在医疗垃圾焚烧飞灰中主要以可交换态(氯盐等)和碳酸盐结合态(碳酸盐、氢氧化物等)形式存在[3]

，后一种形式热稳定性差，加热过程中极易分解而转化为重金属氧化物，其在灰中或添加剂中Cl 的作用下又易转变成沸点低的重金属氯化物，从而容易蒸发. 高温热处理还能有效分解飞灰中的二噁英(Polychlorinated Dibenzo- p-dioxins and Dibenzofurans, PCDD/Fs)，即使在温度1000℃、停留时间很短的工况下，PCDD/Fs 的分解效率也可达95%以上，且温度越高分解率越高[4]

，这为采用热处理(烧结、熔融等)方法实现飞灰中挥发性重金属的有效分离及飞灰的无害化处理提供了可能.

目前，国内外对生活垃圾焚烧飞灰热处理进行了大量研究[5−11]，表明热处理温度、气氛、时间及含氯介质量和类型均对重金属的蒸发率有影响. Samuel 等[8]

认为低于飞灰熔点100℃的温度是重金属分离的最有效温度；李润东等[9]发现烧结时间对灰中Cu 残留率影响较显著；Haugsten 等[10]的实验结果表明，气氛主要对Zn 和Pb 的蒸发率有影响；Chanchris 等[11]以CaCl 2为氯化介质对飞灰进行氯化焙烧，发现重金属的有效分离与氯化反应的自由能之间存在线性关系. 与生活垃圾焚烧飞灰相比，医疗垃圾焚烧飞灰中的Cl 含量较高[12]，更适合用热处理方法消除重金属的危害. 另外，医疗垃圾焚烧飞灰的热灼减率[1](活性炭含量)较生活垃圾焚烧飞灰高出很多，也可能对重金属热处理过程产生影响. 但目

前国内外对医疗垃圾飞灰热处理鲜有报道.

本工作主要利用管式高温炉研究3种医疗垃圾焚烧飞灰中重金属的蒸发特性，着重研究停留时间、温度、气氛对飞灰中Cu, Zn, Pb, Cd, Cr, Ni 等重金属蒸发率的影响，以便为焚烧飞灰热处理过程中确定重金属热分离参数提供参考.

2 实 验

2.1 原料

焚烧飞灰样品取自沈阳危险废物焚烧中心的2台医疗垃圾焚烧炉，一台为15 t /d 回转窑焚烧炉，另一台为5 t /d 固定床焚烧炉. 收集了来自2台焚烧炉的3种飞灰样：2种布袋飞灰(FA1, FA2)分别取自回转窑炉、固定床炉的布袋除尘器，烟道飞灰(FA3)取自回转窑焚烧炉二燃室出口. 为使样品具有代表性，FA1, FA2在连续稳定运行的一周内采集，FA3在该炉大修期间采集. 3种飞灰的化学成分如表 [1]所示.

表1 焚烧飞灰的主要化学成分与热灼减率[1]

Table 1 Chemical composition and loss on ignition (LOI)

of incinerator ash (%, ω)[1]

Sample SiO 2CaO Na 2O Al 2O 3 SO 3 Cl F LOI FA1 20.6015.311.0054 12.10 12.31 1.3131.2FA2 18.8518.6810.3026 12.76 14.600.4034.6FA3 17.50

23.3

8.85

8.73 24.90 4.07－0.69

2.2 实验装置

实验装置如图1所示. 实验系统由进气、加热、尾气吸收3部分组成，主体设备为硅碳棒加热炉，炉管长600 mm 、内径60 mm ，最大加热功率为6 kW ，最高温度可达1500℃，炉温通过炉中央的热电偶测量. 采用氧气瓶、氮气瓶供气，并用转子流量计计量进气流量，其

中空气气氛由O 2/N 2按1:4配制，还原气氛仅通入N 2. 炉内挥发性化学物被载气带出，通过两级100 mL 5% HNO 3吸收液吸收后，剩余气体经硅胶管除去水分后由真空泵抽出.

1. Gas cylinder

2. Flowmeter

3. High temperature furnace

4. Al 2O 3 pallet

5. Al 2O 3 crucible

6. 5% HNO 3 absorption liquid

7. Silica gel

8. Vacuum pump

图1 实验装置流程图

Fig.1 Flow chart of the experimental apparatus

2.3 实验方法

实验过程中先将炉子加热到预定温度并设好进气速率，然后称量3 g 飞灰样品装入Al 2O 3坩埚，将其放

在Al 2O 3托盘上送入炉内加热，达到设定时间后取出坩埚，冷却后测量焚烧灰的质量及重金属含量. 加热过程中飞灰中挥发性重金属大部分被吸收液吸收，少部分冷凝在炉壁或管道. 为减小误差，每次实验结束后用5% HNO 3进行清洗，并测量清洗液中重金属含量.

原灰、残余灰、清洗液、吸收液中重金属含量用SOLAAR S4型原子吸收光谱仪测定. 重金属蒸发率定义为热处理后从灰中蒸发的重金属占原灰中重金属的质量百分比.

3 结果与讨论

3.1 停留时间对重金属蒸发率影响

以FA1为原料，在空气氛下研究停留时间对重金属蒸发率的影响，结果见图 2. 总体来讲，重金属蒸发率随着停留时间的延长有所提高，却又存在个体差异.

图2 停留时间对FA1中重金属蒸发率的影响

Fig.2 Effect of residence time on evaporation rate of heavy metals in FA1

从图2(a)可以看出，在1000℃时停留20 min, Cu 蒸发率为52%，停留60 min 仅提高到57.1%，其他温度下停留时间为20和60 min 时FA1中Cu 蒸发率相差不大. 由图2(b)可知，在FA1的熔点(1243℃)以上，停留时间对Pb 的蒸发率影响不大，在1300℃停留10 min 时与停留20 min 时Pb 蒸发率相同，在1400℃停留10

min, Pb 蒸发率即可达100%. 从图2(c)可以看出，停留时间对Zn 的蒸发率影响显著，800℃下停留10 min, Zn 蒸发率仅为停留时间为20和60 min 时的1/2左右，在1000和1100℃下达到2/3，在1000℃以上，停留时间为20和60 min 时，Zn 蒸发率基本相同，且基本不随温度变化. 停留时间对Cd 蒸发率的影响与Pb 类似，且在

7

6008001000120014000

204060

80

100E v a p o r a t i o n r a t e (%)

Temperture (℃)

6008001000120014000

2040

6080100Temperature (℃)

6008001000120014000

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