垃圾焚烧炉PM10中有毒痕量元素富集机理及其防治方法

目前对城市生活垃圾中有毒痕量元素的污染控制已成为一个新的前沿领域。本申请项目拟通过分析PM10粒径/质量分布、不同粒径颗粒（含PM2.5、PM1）的比表面积/孔径结构/形貌/成分/官能团、痕量元素总量/形态分布，研究焚烧温度、过剩空气系数、尾部烟道温降等因素对PM10形成过程、痕量元素在PM10中迁移的影响规律，探明PM10形成过程与痕量元素富集机理之间的内在联系；对天然矿物进行改性后添加于垃圾中，拟在减少垃圾焚烧过程中亚微米核态粒子形成的机会和数量，抑制痕量元素在PM10中富集，同时促进PM10中痕量元素由亲和态向非亲和态转变，减少飞灰中痕量元素在中性或弱酸性雨下淋滤量。通过分析PM10对质粒DNA破坏程度的影响因素，从生物毒性和吸附性能的角度，对天然矿物进行筛选，开发出能够有效控制PM10和痕量元素排放的廉价吸附剂。

本项目对垃圾焚烧炉排放的PM10中有毒痕量元素的富集和捕集进行了深入研究。采用化学热力学研究了焚烧工况对重金属挥发的影响，特别发现由于不同金属与Cl或O的结合能力不同影响了Cl的分配，还原性气氛并非促进了每一种重金属元素的挥发；热力学模拟机械炉排炉焚烧过程中发现，在还原区挥发的金属蒸汽在炉内氧化区即形成了氧化物固体。在日处理垃圾量0.5t 循环流化床垃圾焚烧系统上进行PM10中痕量元素排放特性研究，同时也对布袋除尘器捕集颗粒物及重金属进行了评估，研究发现重金属富集特性与其挥发性关系密切：半挥发性重金属在炉内即通过化学吸附和物理粘附途径富集在颗粒物中，在低温烟气中重金属蒸汽发生均相和异相成核导致了PM10尤其是PM1中重金属的富集；高挥发性重金属仅通过物理吸附富集在颗粒物表面，因此仅在低温下才向PM10尤其是PM1表面富集。. 在重金属在PM10中富集研究的基础上，本项目尝试用非金属矿物作为炉内吸附剂控制PM10中痕量元素排放，多种矿物的筛选后选定高岭土作为天然矿物吸附剂。对高岭土控制PM10中重金属排放机理进行研究，结果表明高岭土捕集重金属机理为：(1)高温下与重金属蒸汽反应；(2)反应表面发生共晶融化可以粘附大量小于200nm的重金属颗粒。表面融化的细高岭土颗粒通过碰撞粘附团聚成大颗粒，易于被除尘器捕集。使用小型流化床焚烧炉测试高岭土及其改性物吸附性能，确立了高岭土最佳改性方法，可简便而显著的提升高岭土捕集PM0和其中重金属的性能；相比吸附剂与垃圾混合，吸附剂喷射入炉可以减少吸附剂使用量。在日处理垃圾量0.5t 循环流化床垃圾焚烧系统上对最佳改性吸附剂进行测试，取得了理想的颗粒物和痕量元素排放控制效果。最后基于质粒DNA损伤试验，确认颗粒物的生物毒性与重金属浸出率有关，重金属均相成核或物理吸附的颗粒物毒性最大；基于JECFA提供的人体摄入量标准，计算了几种重金属元素的毒性因子，提出了根据毒性因子计算的吸附剂控制重金属排放的综合性能评价方法。. 本项目发表SCI刊源论文3篇，投稿SCI刊源论文2篇，发表EI刊源论文6篇，编辑加工EI刊源论文1篇；授权发明专利1项，申请发明专利5项，参加国际学术会议1次，国内学术会议2次。