垃圾焚烧飞灰熔融过程中Pb\Zn迁移的热力学分析

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摘要垃圾焚烧飞灰富含高浓度的重金属和二恶英，是公认的危险固体废弃物，给环境带来二次污染，必须对其进行有效处置。飞灰高温熔融处理工艺具有二恶英去除率高、高效减容、有效固化重金属、熔渣可资源化利用等优点。研究熔融过程中重金属的迁移分布规律，对灰熔融处理工艺研究具有重要指导作用。本文利用FACT 软件对飞灰高温熔融处理过程中pb、zn的迁移和分布进行模拟分析和研究，获得了飞灰熔融过程中Pb、Zn的迁移和分布规律。

关键词飞灰；熔融； Pb；Zn；迁移；

中图分类号 X799.5文献标识码：A 文章编号：

一.前言

焚烧法己成为发达国家处理城市生活垃圾、工业有害废弃物、医院废弃物以及市政废水处理后污泥的主要技术途径之一。

焚烧技术因可对垃圾进行有效减容及资源利用而获青睐，目前在国内得以积极推广。但垃圾焚烧炉渣和烟气富含有机氯、重金属等有毒有害物质，给环境带来二次污染，必须对其进行有效处理。处理焚烧炉渣及飞灰的方法主要有固化、酸提取、熔融等。由于熔融过程中二恶英去除率可达到99%以上；飞灰经熔融后可减容2/3；高沸点重金属被稳固的包裹在SiO2所形成的Si-O网状结构中，熔渣浸出毒性大大降低，可作为建筑材料得以资源利用等优点，熔融处理技术逐渐成为当今研究热点。为了掌握重金属在熔融过程中的迁移分布规律，以指导熔融工艺条件优化，以Pb、Zn元素为例，利用FACT 软件对其进行热力学模拟计算分析。

二.分析方法

以重庆市同兴垃圾焚烧厂为例，其焚烧炉温为950℃左右，其焚烧飞灰中铅、锌、硫、氯元素含量组成如表1所示：

表1 飞灰中铅、锌、硫、氯元素含量（%）

Table1the contents of Pb、Zn、S、Cl in fly ash（%）

采用FACT 软件[6]进行化学热力学平衡分析。该软件的理论计算模型如下：

（1）

（2）

（3）

FACT软件数据库存储了比容随温度变化的系数（a、b、c），

（4）

通过（4）可计算出

（5）

中的系数，从而获得单一物质在不同温度下的吉布斯自由能；以最小吉布斯自由能为理论基础，认为体系达到热力学平衡的充要条件为：

or （6）

从而预测出体系平衡时可能出现的产物。

文章计算分析了200-2000℃温度范围内 ，0.1MPa 压力条件下不同系统中铅、锌的迁移分布。

三. 模拟计算结果与讨论

2.1 直接熔融飞灰体系

模拟飞灰熔融过程， 以同兴垃圾焚烧厂飞灰的主要化学组成（见表2）作为输入数据，分析其中Zn、Pb的迁移分布规律，结果见图1、图2。

表2飞灰主要化学组成（除Zn、Pb、S、Cl外%）

Table 2 the main components of fly ash (beside Zn、Pb、S、Cl% )

由图1-图2可以看出，在模拟实际的飞灰熔融体系中，在900℃以下Zn、Pb主要以其固态硫化物存在，1000℃左右才开始以其氯化物挥发至气相中，并随温度的不断升高，其气态单质及硫化物的量有不断上升的趋势。

图1飞灰体系中Zn的分布图2飞灰体系中Pb的分布

Fig.1 the distribution of Zn in the fly ash system Fig.2 the distribution of Pb in the fly ash system

2.2 铁浴熔融飞灰体系

模拟飞灰铁浴熔融过程，生铁与飞灰的比例为1：1，铁的输入值为17.857mol，生铁的含碳量为2% （1kg生铁中含碳量为1.667mol），分析铁浴熔融飞灰体系中 Zn、Pb的迁移分布规律，结果见图3、图4。

图3 铁浴熔融飞灰体系中Zn的分布图4铁浴熔融飞灰体系中Pb的分布

Fig.3 the distribution of Zn in the iron melting bath system Fig.4 the distribution of Pb in the iron melting bath system

由图3-图4可以看出，Zn受铁浴的影响，较直接熔融提前在800℃即从固态ZnS形态全部转变为ZnCl2挥发至气相。Pb在低温段（500℃以下）以其单质态取代PbS存在于渣相中；在600℃到1000℃温度段，Pb几乎全部进入铁相，随温度的不断上升，铁相中的Pb逐渐以PbCl2 、PbCl形态进入气相；并于1200℃时在铁水相中的分布达到一个峰值50%左右，可推测在1200℃铁浴熔融分离Pb的效果最佳。

四. 结论

根据重庆同兴垃圾焚烧飞灰的理化性质，通过模拟飞灰熔融过程的条件，对Zn、Pb在不同系体系中不同条件下进行热力学计算，可以得到以下结论：

1）熔融温度一般为1300℃左右，在此范围内，焚烧飞灰中的Zn、Pb均以氯化物形态挥发至熔融烟气中，Zn、Pb的主要形态为ZnCl2、PbCl2，伴有少量PbCl；

2）通过模拟计算，验证了铁浴熔融分离重金属的可行性。模拟预测在1300℃左右Pb在铁水相中分布率可达35.9%，对现实铁浴熔融工艺具有指导意义。

基金项目：“十二五”国家科技重大专项2011ZX05041-004

作者简介：姚成林（1981～），男，学士，工程师，主要从事煤矿安全与煤层气利用技术方面的研究

参考文献：

[1] 徐杰英.煤燃烧过程中痕量元素铅的反应机理研究.华中科技大学硕士学位论文，2004.4

[2] 张衍国，武俊，李清海等．垃圾焚烧重金属迁移特性及其影响因素．环境污染治理技术与设备，2005，6(12)

[3] 薛文颖，李薇，申勇峰.镍精炼过程中Pb和Zn的热力学探讨.矿冶，2007，16(2)：35~37

[4] 薛浩栋.危险废弃物重金属迁移和控制机理研究.浙江大学硕士学位论文，2006，1

[5] 王学涛，金保升，仲兆平.垃圾焚烧炉飞灰熔融特性及重金属的分布.燃料化学学报，2005

33(2)： 194~198

[6] C.H. Jung， T. Matsuto，N.Tanaka. Behavior of metals in ash melting and gasification-melting of municipal solid waste (MSW).Waste Management 25 (2005) 301-310