印染污泥焚烧特性及Cl-S-P耦合作用对重金属迁移转化行为的影响研究

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印染污泥(TDS)产量巨大,属于严控废物,对其进行焚烧处理能达到减量化、无害化、资源化和能源化的综合效果。然而,印染污泥焚烧处理过程中的焚烧特性、热力学参数、燃烧性能及动力学过程尚不明晰。同时,在焚烧处理过程中排放的重金属会对环境造成严重污染,严重制约着焚烧处理技术的推广和应用,而影响重金属迁移转化关键因子如 Cl/S/P所起的作用和影响机制尚不清楚。本文深入研究了印染污泥的掺烧特性,同时利用管式炉焚烧模拟实验及热力学平衡计算对重金属的分布、迁移转化受Cl、S、P交互作用影响进行了深入探讨。  利用热重分析仪(TGA)分析了印染污泥与其他类型污泥的混燃特性。实验结果表明,污泥各挥发分的析出制约着污泥的整个燃烧过程,而造纸污泥还受到固定碳燃烧阶段的显著影响。当向印染污泥中加入50%的开发区污泥后,印染污泥的综合燃烧特性指数和可燃性指数分别提高了约2、1.6倍。采用积分法(Coats-Redfern方程)计算得到各燃烧阶段反应的机理方程及相应的活化能参数,发现第一挥发分峰前取反应级数 n=0.5及峰后 n=2,可描述各阶段的燃烧反应机理,而第二挥发分峰没有显著规律。  利用热重分析仪(TGA)分析了印染污泥与煤粉的混燃特性。研究结果表明,煤焚烧效率大大高于印染污泥。当印染污泥比例为30-50%时,两者的掺烧过程中有明显的交互作用,并有利于促进焚烧。从各个焚烧特性参数看,印染污泥比例在20-30%最有利。随着印染污泥混合比的提高,表观活化能 Ea从155.6减小到53.35,并且当混合比小于20%时,活化能急剧减小。  利用热重分析仪(TGA)分析了印染污泥与煤粉在富氧条件下的混燃特性。提高气氛中 O2浓度有利于焚烧效率的提高,在 CO2/O2气氛下印染污泥的焚烧效果要比 N2/O2差,然而印染污泥在 CO2气氛中热解比在 N2气氛中减小了约4.51%的残渣量。当向印染污泥混煤样(80coal+20TDS)焚烧系统中提高氧气浓度达到30%时,混合样的燃烧效率在 N2/O2和 CO2/O2气氛中都得到了提高,从综合燃烧特性参数上看,焚烧效率接近甚至超过了煤在空气中的燃烧效率。当氧气浓度达到60%时,由CO2/O2替代N2/O2焚烧所带来的抑制作用得以消除。  利用热力学平衡分析方法模拟计算了污泥掺烧过程中 Cl-S-P-矿物质交互作用对Cu迁移转化的影响。研究结果表明,污泥掺烧复杂体系中含Cl、S及 P气体以HCl(g)、SO2(g)及(P2O5)2(g)形式逸出。掺烧体系中 Cl的存在可以减弱 Al2O3、CaO、Fe2O3对 Cu吸附作用;S的存在可以延迟 Fe2O3及 Al2O3对 Cu的反应,而P的存在不影响矿物质与 Cu作用。Cl-S-P耦合体系中,Cl+S、Cl+S+P耦合可以抑制 Cu的挥发;Cl+P促进 Cu的挥发释放;S+P共存体系中 Cu的迁移转化仅受S的影响。SiO2+CaO+Al2O3共存体系中,Cl、Cl+P可导致矿物质与 Cu反应作用失效,而 S、S+Cl、S+P、S+Cl+P的存在,导致Cu的分布在低温过程中受 S的控制,在高温过程中受Cl控制,在全过程中不受P的影响。  利用管式炉模拟了污泥焚烧过程中重金属迁移转化受 S、Cl、P交互作用的影响实验。实验结果表明,污泥焚烧过程中 P对重金属的挥发有抑制作用;Cl在低含量时,可影响P对重金属Ni,Cr和 Mn的抑制作用,并且Cl和P对Pb、Cd挥发有竞争作用。在一定含量Cl、P条件下,Cl和 P存在对Ni,Cu,Mn和 Cr挥发有协同作用,并且抑制作用占主导地位,而对 Zn表现是促进挥发。在不同 C l、P比例添加量下,重金属 Pb,Cd,Cu,Zn和 Mn的形态表现出显著的规律性,而Ni和 Cr则变化较小。其中,Ni,Cd,Zn和 Mn主要以弱酸提取态和可还原态为主,而 Pb,Cr,和 Cu则主要以可氧化态为主。在未添加 Cl和 P的污泥焚烧底渣中,除了 P b和C d,其他重金属主要以残渣态存在(超过85%),表明焚烧高温处理有利于重金属在底渣的稳定化。焚烧后,底渣中 Cl和 S的含量大量减少,并且 Cl要比 S的挥发率高。在添加 P后,C a的在底渣颗粒表面大量富集,然而 C l和 S则大量减少。S的排放主要以 SO2,SO3,COS,CS2和 H2SO4的形式,而 Cl则以HCl的形式逸出。S的挥发率与P含量的变化存在显著相关性(R2>0.97),而Cl的挥发与 P含量基本呈正相关关系。随着 P含量的增加,对比未添加 C l(0%)和添加Cl(1%),发现 S的挥发率减少了11.2-17.0%,继续添加 Cl,对 S的挥发没有显著影响。
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