垃圾焚烧过程中重金属迁移特性的研究

1. 实验目的：

考察垃圾焚烧过程中氯化物，硫化物和氧化物在不同焚烧温度条件下对重金属Cu和Pb的迁移分布特性的影响。

2. 实验装置：

本研究采用管式炉作为反应器，装置如下图1所示，其主要由供气装置、燃烧装置、飞灰收集装置和尾气吸收装置组成。其中供气装置包括压缩机、储气罐和流量控制器；燃烧装置包括管式炉、石英管反应器、刚玉舟和温控仪。飞灰收集装置采用玻璃纤维滤筒，尾气吸收装置采用酸、碱和硅胶组合的装置。

1--压缩机 2--储气罐 3--流量控制器 4--玻璃转子流量计5--温控仪 6--石英管反应器 7--刚玉舟 8--管式炉9--玻璃纤维滤筒 10--5%HNO₃+10%H₂O₂混合溶液  11--4%KMnO₄+10%H₂O₂混合溶液 12--NaOH溶液 13-硅胶

图1 实验装置图

3. 实验试剂：

表1  实验试剂

4. 实验步骤：

每次实验分别称取3g垃圾样品置于三个刚玉舟中，添加相应质量分数的添加剂，均匀混合后在每个舟加入5ml配制好的重金属溶液。实验温度设为600℃、700℃、800℃和900℃。实验开始前控制空气流量为6.0L/min，并打开温控仪开始加热，当管式炉温度达到实验温度时将三个刚玉舟推入管式炉中央，恒温反应15min后取出刚玉舟。实验结束后，刚玉舟中的残留物作为底渣，滤筒中被吸附的物质作为飞灰，吸收瓶中的Cu和Pb的含量作为其在烟气中的分布。具体实验操作步骤如下：

（1）打开德斯兰空气压缩机，关闭储气罐出气阀门，按启动按钮，向储气罐内压缩空气，当气压达到0.4MPA时，按停止按钮，并关闭空气压缩机；

（2）将制备的垃圾样品分别平铺在石英舟上，保持石英舟中垃圾的均匀性；

（3）先将石英管置于管式炉中，打开储气罐出口阀门，通入载气4L/min，并加热到实验所需温度；

（4）当炉温升到所需温度时，用硅胶管将石英管的气体出口和第一个吸收瓶的气体进口相连；

（5）将装有垃圾的瓷舟从石英管口用推杆缓慢推入炉内，注意使石英舟的中部位于热电偶的测点处以保证实验的准确温度；

（6）为保证垃圾在管式炉中充分燃烧，每一个温度下的燃烧时间为10分钟；当达到规定时间时，停止送气，取下和吸收瓶相连的硅胶管；

（7）将温控仪的温度调至200℃，待降至该温度时，用推杆缓慢将石英舟从石英管中取出冷却；

（8）将吸收瓶内的吸收液倒入烧杯中加入消解液，并在加热板（或水浴加热）加热消解至溶液澄清，之后再滴入消解液定容；底灰与飞灰同样处理；

（9）将石英舟放入800℃的马弗炉内20分钟，拿出来冷却后置于干燥皿内，10分钟拿出来称重，并重复上述操作，两次称重差不超过0.001g视为恒重，即无样品残留。

5. 产物测定：

刚玉舟完全冷却后，收集舟内的产物作为底渣。玻璃纤维滤筒中捕捉的产物作为飞灰，附着在石英管管壁上的产物也视为飞灰的一部分，用 0.1mol/L 的稀硝酸充分润洗石英管管壁，并用烧杯收集。烟气吸收瓶中的重金属含量则作为重金属在焚烧烟气中的分布。在测定焚烧产物中重金属的含量之前需对底渣和飞灰进行消解，本研究采用美国EPA 3050酸消解法进行消解，消解液选用 HNO₃ 、HF、HClO₄和HCl 的组合溶液。消解后采用电感耦合等离子发射光谱法测定消解液中的重金属浓度，并采用扫描电子显微镜（SEM）观察部分底渣的微观表面形貌，X射线衍射仪（XRD）用于分析焚烧底渣中的物质成分。

6. 结果分析：

本研究用重金属在底渣中的质量占比来表征其迁移分布特性，其计算公式如下式所示。                         

M=                           （式1）                                             

式中：M 为重金属在底渣中的质量占比；m₁为底渣中重金属的质量；m₂为底渣、飞灰和烟气中重金属的总质量。

然而在对烟气吸收瓶中的重金属含量进行测定时，发现其中的重金属浓度低于等离子体发射光谱仪的检测下限值。因此认为重金属 Cd 和 Zn 只分布于底渣和飞灰当中，故式1中的m2实际上是重金属在底渣和飞灰中的总质量。