垃圾衍生燃料热解过程中重金属残留实验研究

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摘要:采用自制的热解设备对垃圾衍生燃料(RDF)进行热解,通过分析每次实验残渣中重金属Cu、Pb、Cd、Cr的含量,得出:随着温度的升高和氧含量的增加,重金属在残渣中的残留量逐渐降低;相同温度条件下,金属沸点越低,残留量越少。

Abstract: Pyrolysis apparatus was designed and manufactured for pyrolysis of RDF. By digesting the heavy metal contents including Cu, Pb, Cd, Cr and Zn in the pyrolysis residues, it was found that: the heavy metal contents in the residues decreased with increasing pyrolysis temperature and increasing oxygen content; at the same temperature, the lower boiling point of the heavy metal has the lower mass fraction it occupies.

关键词:热解;RDF;重金属;迁移

Key words: pyrolysis; RDF; heavy metal; migration

中图分类号:X705文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)16-0126-02

1垃圾衍生燃料(RDF)技术

1.1 RDF技术概述垃圾衍生燃料(Refuse Derived Fuel,RDF)是垃圾经分拣、破碎、筛选、压缩和干燥等工序制成的一种固体燃料,它具如下特点:①尺寸大小均匀,组成相对稳定均一,可保证燃烧稳定、充分;②由于RDF是经干燥后挤压成型,增大了能量密度,提升了燃料品位;③RDF在干燥时进行脱氯等预处理,而添加剂的加入有助于炉内脱氯、硫,HCl、SOx和二f英的排放量减少。

1.2 RDF的制造RDF的制造技术基本上是破碎、分选、干燥、成形的综合技术。成形后的RDF是直径10~20mm、长20~50mm的柱状体。本实验制造RDF的垃圾来自东北大学校园内及周边,包括:塑料、厨余、橡胶、木材、布、纸类和CaO,各种成分比例见表1。

图1为本实验所用RDF的制造过程;图2为本实验制备的RDF。

2热解原理

热解,在工业上通常也称为干馏,是将城市生活垃圾中有机物质在隔绝空气条件下加热,或者在少量氧气存在的条件下部分燃烧,使之转化为有用的燃料或化工原料的基本热化学过程。垃圾的热解是一个极其复杂的化学反应过程,这一过程可用下式来表示:

有机垃圾气体(H2、CxHy、CO、CO2、NH3、H2S、HCN、H2O、SO2等)+有机液体(焦油、芳烃、煤油、有机酸、醇、醛类等)+炭黑、灰渣

3垃圾衍生燃料热解的实验研究

3.1 实验装置本实验系统分为:供气系统、反应器、加热炉、温度控制系统、数据采集系统、洗气装置和水蒸气发生系统组成,如图3所示。其中反应器属于流化床型热解系统,采用从上部投料,从下部通气体的方式,RDF投入后,被反应器中气体流吹动,可使反应更快更充分。

3.2 实验过程将待热解物料投入反应器的投料罐中,将反应器密封;通30minN2,使反应器中空气排净;开启控温仪,设定温度;温度稳定30min后,打开反应器阀门,使投料罐中的物料进到反应器受热段;待反应物反应完全后关闭电阻炉,30min后放空,继续通气体,直到反应器中温度降到室温,关闭气瓶和温控仪。表2表示的是每次试验时不同的温度要求和气氛要求。热解反应结束后,取出残渣并称重,并干燥保存。用王水对热解产物进行消解,消解后的样品过滤至烧杯中,用去离子水洗涤渣滤渣2～3次后,转移至100mL容量瓶中,定容备用。用火焰原子吸收分光光度仪进行分析。

3.3试验结果与分析

3.3.1温度对金属迁移的影响由图4可以看出,在这四种气氛下,四种重金属的残留质量分数随着温度的升高呈现下降趋势,原因可能是热解反应本身为吸热反应,更高的温度提供更多的热量,使与重金属形成络合物的有机物进一步分解成小分子物质,转移到液态产物或气态产物中,从而减少了在残渣中的残留量。

3.3.2 氧气含量对重金属残留量的影响由图5可以更明显地看出,随着氧气量的增加,残留量逐渐降低,关于这种现象,考虑是氧气的通入,使反应器中发生了部分燃烧,使重金属与有机物形成的络合物进一步分解,形成小分子物质进入到液态产物或气态产物中,从而减少了重金属在残渣中的残留量。还可以看出,温度越高,重金属的残留质量分数越小,这说明温度的升高有利于氧气氧化性的增强,从而加剧反应的进行,致使重金属在残渣中的残留量进一步减少。

3.3.3金属沸点与其迁移特点的关系由图6可以看出,温度固定时,金属的沸点越低,残留量越低。

4结论

①重金属Cu、Pb、Cd、Cr都是随着温度的升高,残留量呈现下降趋势。②四种重金属在相同的热解温度下,氧气通入量越多则重金属的残余量越小,在氧气通入量相同的情况下,随着温度的升高,重金属的残余量逐渐减小。③相同温度条件下,金属的沸点越低,残留量越少。为了将Cu、Pb、Cd、Cr尽可能多的留在热解残渣中,以方便它们的后续处理,低温热解操作和无氧条件是最佳的热解条件。

参考文献:

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[5]万云.城市生活垃圾的热解技术研究,重庆大学,2004.

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[7]刘清才,文娟,黎辉款.垃圾焚烧飞灰熔融过程中重金属迁移分布规律的研究,黑龙江环境通报,2008.

注:(感谢:本实验在导师钟圣俊的指导和同学战祺、丁岚的帮助下得以顺利完成,在这里对他们表示真挚的感谢!)