燃煤烟气热解印染污泥过程中重金属的转化特性

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印染污泥带来的重金属污染对环境和人体健康造成极大威胁,热解可有效实现污泥的减容减量及资源化利用。基于燃煤电站产能过剩,发电机组锅炉常低负荷运行,利用现有燃煤电站锅炉高温烟气协同处置污泥,研究复杂气氛下污泥在固定床及流化床热解过程中典型重金属的生成及转化,探索重要的物性参数、反应条件对重金属转化的影响规律,阐明燃煤锅炉烟气协同处置污泥过程中重金属的释放抑制机制具有重要的意义。本文通过固定床和流化床实验系统进行印染污泥烟气热解实验,利用多种测试方法研究了印染污泥在不同热解气氛、热解温度及加入添加剂后重金属Cr、Cu、Mn和Ni的释放规律,对热解焦中的重金属形态和浸出毒性进行分析。研究表明:(1)印染污泥在固定床热解时,相较于燃煤烟气氛围,N2和含水蒸气氛围有利于利于焦中重金属的富集。Cr、Cu和Ni的释放与氯密切相关,三种重金属都将以气态氯化物的形式释放。Mn的释放与还原气氛相关,焦中Mn被还原并以MnO的形式被释放到烟气中。水蒸气一方面通过促进氯化物的水解并生成氧化物来增大重金属的富集,另一方面也会抑制Mn的还原以减少其挥发。湿污泥中的水在热解初期会与Cl结合形成HCl,与Cr、Cu和Ni争夺Cl,从而减少了金属氯化物的生成。(2)印染污泥在流化床热解时,由于良好的气固反应条件,使得N2氛围下污泥中重金属的释放均得到一定程度的促进。燃煤烟气氛围下,对于Cr、Cu和Ni这类释放与Cl相关的重金属,充分的反应条件进一步促进了其释放,但Cr与Cl的结合能力弱于Cu与Ni,使其被固定。两种气氛对比来看,Cr和Mn在N2氛围下更易释放,而Cu则更容易被固定在焦中,Ni的挥发几乎不受气氛与温度的影响。(3)添加CaO促进印染污泥热解重金属的释放。一方面,CaO的加入可以改善焦的孔隙结构使重金属颗粒暴露并逸出,另一方面,高温下CaO反应生成的液态CaCl2,其更易与焦中重金属反应生成相应的气相含氯化合物,促进Cr、Cu、Mn的释放。添加Fe2O3有利于促进重金属Cr、Mn的富集和Cu、Ni的释放。对Cu、Ni的释放的促进原理与CaO相似,有效的富集氯来进一步与重金属反应。对于Cr、Mn,则是由于Fe2O3与二者形成稳定的铁盐复合物将其固定。(4)热解有利于重金属向残渣态转化,并且温度越高其比例越高。四种痕量元素的单一毒性影响因子与综合潜在生态危害指数均处于轻微生态危害水平,具体影响因子由高至低顺序为Ni>Cu>Cr>Mn。根据污泥的浸出毒性分析,印染污泥直接工业填埋可造成严重的环境污染。热解后,其浸出毒性明显降低,尤其是与Fe2O3共同热解使焦中的重金属达到工业填埋的排放要求。硫酸硝酸法提取实验中发现焦中Cr、Cu、Mn、Ni四种重金属在土地利用遇到酸雨影响时,基本不具有环境毒性。
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