城市生活垃圾复杂成分焚烧过程解耦及重金属定向固化

我国城市生活垃圾能源化利用因成分复杂导致热处置方法的复制性和规模化困难，更为关键的是重金属等污染物的安全处置。本研究针对我国城市生活垃圾多组分特性，从复杂成分中分离出单元成分出发，基于二次反应最小化的实验手段，研究各单元成分中有机和无机成分的热解、燃烧等热化学转化过程，跟踪前驱物、中间产物及相变过程，定量描述各单元可燃成分的热解、燃烧的化学反应动力学过程，对我国城市生活垃圾复杂成分的热处置过程进行解耦，解析其可燃成分之间的交互影响规律；揭示高温条件下重金属在燃烧过程中/后的行为及其化学反应动力学；结合我国城市生活垃圾燃烧特性，定量描述重金属及其化合物的蒸发、均相/非均相反应过程，同时阐明其它主要气态污染物参与的化学动力学过程，分析灰渣中重金属化学形态。合理调整城市生活垃圾热处置过程，促使重金属污染物定向富集与固化，寻求适合我国城市生活垃圾焚烧后灰、渣及重金属的无害化、资源化处置思路和方法。

我国城市生活垃圾能源化利用因成分复杂导致热利用技术复制性和规模化困难。另外，重金属等污染物排放及安全处置等问题亟待解决。本研究旨在探索城市生活垃圾多组分在燃烧过程中的交互影响、重金属转化及富集机理、灰渣资源化利用方法。项目研究的主要结论如下：. 城市生活垃圾中典型的可燃组分混合燃烧后，各组分挥发物质释放影响较小，但混合焦样的物理结构和化学结构相对于单组分焦样的改变，使得混合焦样的燃烧特性显著提高。垃圾中的残留水份促进热解气的生成，相比于自由水，结合水作用更明显；低温下促进热解焦油中链状、不饱和化合物生成，与高温下挥发分反应使得焦孔隙率及比表面积增大，促使C-C键断裂，加速焦C向气态C转化，增加H2产量。鉴于传统垃圾物理属性的分类方法对垃圾焚烧实际运行中燃烧过程的指导意义有限，本研究提出基于重量加权平均表观活化能的概念，将不同的垃圾分成四类，实现了对垃圾各组成活化能的统计和分类。. 以易挥发砷和难挥发的铬为研究对象，探究了垃圾焚烧过程中重金属形态迁移和转化机理。焚烧过程中易挥发砷大部分以气相释放到烟气，部分被固化到飞灰基质中，气相中砷部分与多种无机矿物经化学氧化存在于飞灰中，生成不同形态的砷酸盐（As(V)）；温度更低时，部分通过物理吸附于飞灰中；CaO的喷入促进砷的物理吸附（As(III)）。研究发现，垃圾焚烧后游离CaO及碱金属促进铬氧化，生成毒性更高的Cr(VI)，炉内铬的氧化主要受游离CaO的影响，在局部还原性气氛下和Ca/Cr比例较小的情形下，Cr将转化成CaCr2O4；相对于Cr2O3，CaCr2O4在CaO或碱金属作用下氧化更容易生成Cr(VI)。. 城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属的含量较低，不利于直接进行回收。通过热处理技术，可以实现易挥发重金属Zn和Pb在二次飞灰中富集，未挥发重金属被固化在飞灰基质中，从而降低危害。飞灰中游离CaO的存在促进了热处理过程中的铬氧化，使得热处理后飞灰中铬的浸出量增加，通过合理调节飞灰中Ca与Fe、Al和Si等化合物比例，可有效抑制热处理过程中铬的氧化，进而降低热处理飞灰中铬对环境中的浸出。依据不同重金属化合物的溶解特性，发明了二次飞灰中重金属的湿化学回收方法。经热处理后的飞灰可作为建筑材料的原料使用，制备水泥、陶粒等，实现飞灰无害化和资源化的利用。