利用熱等離子體熔融垃圾焚燒飛灰制備微晶玻璃的實驗研究.pdf

1、城市生活垃圾焚燒飛灰(MSWI)中不僅含有大量的Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn等重金屬無機有害物，還富集了高濃度的具有最強毒性的二惡英有機致癌物，我國國家環(huán)境保護局將生活垃圾焚燒飛灰定義為國家危險廢物(GB18485-2001)，故必須對飛灰進行穩(wěn)定化和無害化處理。本研究主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴對兩種典型爐型的生活垃圾焚燒飛灰進行化學(xué)成分和灰熔點分析，并在兩種飛灰樣品中各添加一定比例的SiO2和CaO，以分析添加劑SiO2和

2、CaO對灰熔點的影響。利用雙陽極直流熱等離子體熔融技術(shù)熔融飛灰，并用掃描電鏡(SEM)和晶相衍射分析(XRD)來分析等離子體熔融前后飛灰形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)和晶相組成。結(jié)果表明利用熱等離子體熔融處理垃圾焚燒飛灰是完全可行的。SiO2的添加對垃圾焚燒飛灰在助熔上沒有幫助，而CaO可在特定條件下實現(xiàn)飛灰的助熔。當(dāng)原灰的堿度在1.5左右時，其具有最低的灰熔點。熔融使飛灰從灰黑色的粉末轉(zhuǎn)變成墨黑色的均質(zhì)堅硬的熔渣；微觀結(jié)構(gòu)則從原來的布滿孔隙轉(zhuǎn)變成致密

3、無孔隙；在晶相組成上，由原來的含有多種晶體轉(zhuǎn)變成無定形的玻璃體。
　　 ⑵將兩種典型爐型飛灰在不同的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間下進行熔融燒結(jié)實驗，對兩種爐型飛灰在熔融過程中的晶相轉(zhuǎn)變、燒結(jié)時間和燒結(jié)溫度對熔融失重率的影響、堿度變化等方面進行了研究，并著重分析了飛灰中主要化學(xué)成分在熔融過程中的遷移特性。研究結(jié)果說明，飛灰熔融是一個復(fù)雜的晶相轉(zhuǎn)交過程。熔融過程中的晶相轉(zhuǎn)變與飛灰類型有極大的關(guān)系。燒結(jié)時間對飛灰熔融失重的影響不大，而燒結(jié)溫度對

4、飛灰熔融失重卻具有顯著影響。飛灰中Cl和SO3含量越高，其在熔融過程中的失重也就越嚴(yán)重。在熔融過程中，飛灰堿度隨熔融的進行而逐漸減小。將常規(guī)成分的遷移特性歸納為兩種類型，低含氯飛灰：易揮發(fā)元素(Cl>S)>較難揮發(fā)元素(Na≈K>P>Fe>Mg)>難揮發(fā)元素(Ti>Al≈Si≈Ca)，和高含氯飛灰：易揮發(fā)元素(Cl>S)>較難揮發(fā)元素(K>Na>Mg>P>Fe)>難揮發(fā)元素(Ti>Al≈Si>Ca)。
　　 ⑶對飛灰熔融時重金屬

5、的遷移特性進行實驗研究。飛灰中重金屬的揮發(fā)特性可大致歸納為：易揮發(fā)重金屬(Pb>Cd)>揮發(fā)性重金屬(Cu>Zn)>難揮發(fā)重金屬(Cr>Ni)。飛灰中氯含量越高，其在熔融過程中重金屬的揮發(fā)也更為嚴(yán)重。對添加劑SiO2和CaO對熔渣中重金屬的固化率、堿度、SiO2+CaO十Al2O3的質(zhì)量總和等方面的影響進行了研究，并分析了添加劑SiO2和CaO對Na、K、Cl和S等主要成分在熔渣中的固化率的影響。研究結(jié)果說明，SiO2和CaO的添加使得

6、熔渣的失重率有所下降，而且在飛灰中添加同比例的CaO要比添加SiO2對熔融失重的影響更為嚴(yán)重。SiO2和CaO的添加對熔渣中Na、K、Cl和S等主要成分的固化率的影響各異。熔渣AG1-AG9和熔渣BG1-BG9中SiO2、CaO和Al2O3質(zhì)量總和的平均值在85％左右。熔渣的堿度范圍較廣，且各熔渣堿度均不相同，在0.31-1.18之間變化。SiO2和CaO對不同重金屬的影響各不相同，呈現(xiàn)較為復(fù)雜的變化趨勢。在飛灰中添加大量的SiO2或C

7、aO不僅不能改善重金屬的固化效果，反而會加劇重金屬的揮發(fā)。
　　 ⑷利用飛灰及其配灰所得熔渣進行了制備建筑微晶玻璃的研究。利用差熱分析(DTA)方法分析基礎(chǔ)玻璃的吸熱放熱特征，利用DTA分析、XRD分析和SEM觀測來共同制定各基礎(chǔ)玻璃的微晶化熱處理工藝。分析微晶玻璃的機械性能和耐酸堿腐蝕性能。研究結(jié)果表明，過多的添加SiO2對晶核形成和晶體析出不利。CaO的添加對晶核形成影響不大，對晶體析出卻非常有利。CaO對析晶能力的影響遠比

8、SiO2顯著。微晶玻璃中的晶顆粒尺寸分布在0.05-0.4μm的范圍內(nèi)。微晶玻璃中的晶相為鈣長石(CaAl2Si2O8)和透輝石(CaMgSi2O6)。制得的微晶玻璃顏色豐富，有墨黑色、黑灰色、土黃色、赭石色、褐紅色和青色等。經(jīng)過微晶化處理后，制得的微晶玻璃的機械性能和酸堿耐腐蝕性均優(yōu)于其基礎(chǔ)玻璃，可與花崗巖和大理石等高級天然石材相媲美。
　　 ⑸采用美國 EPA制定的重金屬浸出方法 TCLP(Toxicity Characte

9、risticLeaching Procedure)分析飛灰、基礎(chǔ)玻璃和微晶玻璃的重金屬浸出特性。飛灰經(jīng)過熔融玻璃化和微晶化后，所得熔渣的重金屬浸出特性均得到明顯改善，而且都遠低于 TCLP和我國規(guī)定的毒性浸出標(biāo)準(zhǔn)，說明在重金屬毒性上熔渣和微晶玻璃都已達到無害化的要求，對周圍環(huán)境具有極好的穩(wěn)定性和安全性。SiO2的添加有效的抑制了重金屬的浸出，而CaO的添加反而使重金屬的浸出加劇。微晶化處理對重金屬固化是不利的，微晶玻璃中重金屬浸出濃度高