【摘要】：隨著我國城市與工業(yè)的快速發(fā)展,大量的城市與工業(yè)固體廢棄物隨之產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計,2017年,我國排放了超過3億噸的城市固體廢棄物以及33億噸的工業(yè)固體廢棄物。與此同時,作為水泥生產(chǎn)大國,我國水泥工業(yè)每年消耗了大量的石灰石、煤等不可再生資源。利用水泥窯協(xié)同處置固體廢棄物,將廢棄物作為替代原料或燃料用于水泥熟料的生產(chǎn),既可以解決固體廢棄物帶來的環(huán)境問題,還可以減少石灰石、煤等不可再生資源的消耗,是水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要方向。然而,大多數(shù)固體廢物中含有一定量氯、硫、堿以及重金屬等微量元素,在水泥熟料燒成的高溫環(huán)境下,氯、硫、堿的存在會改變重金屬的揮發(fā)特性以及揮發(fā)出的重金屬在煙氣中氣相與固相的分布,可能存在對環(huán)境造成二次污染的潛在風(fēng)險。本文圍繞水泥窯協(xié)同處置熟料煅燒中重金屬的揮發(fā)與固化,系統(tǒng)研究了氯、硫、堿對重金屬的揮發(fā)率、揮發(fā)形態(tài)、氣固相含量、熟料相中分布以及對熟料燒成過程和礦物組成的影響�；趽]發(fā)重金屬的含量,研究了溫度、氯/硫/堿種類與摻量對重金屬揮發(fā)率的影響,結(jié)合揮發(fā)重金屬的化學(xué)形態(tài)與形貌以及在氣固相中的分布,揭示了氯、硫、堿對重金屬揮發(fā)的影響規(guī)律及機理;同時,通過氯、硫、堿對熟料燒成過程、熟料礦物組成及重金屬在熟料相中分布的影響,明確了熟料燒成過程及礦物組成對熟料固化重金屬的能力的影響規(guī)律;最后,結(jié)合前面的研究分析結(jié)果及越堡水泥窯協(xié)同處置污泥的實例,闡明了污泥共燒水泥熟料過程中重金屬固化與遷移的規(guī)律及相關(guān)機理,并提出了控制水泥窯協(xié)同處置固體廢棄物中重金屬對環(huán)境影響的措施。具體工作包括:(1)研究了在煅燒溫度為950~1450℃范圍內(nèi),氯、硫、堿的種類及含量對重金屬Cu、Pb、Cd揮發(fā)率的影響規(guī)律。通過對不同煅燒溫度下的樣品進(jìn)行消解,采用原子吸收光譜測定消解溶液中各重金屬的含量,計算了不同溫度,不同氯/硫/堿種類及含量下重金屬Cu、Pb、Cd的揮發(fā)率。結(jié)果表明,1450℃的煅燒溫度下,Cu、Pb、Cd的揮發(fā)率較950℃時分別提高了17%、71%和44%。氯化物的存在將重金屬氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)橹亟饘俾然?顯著提高了重金屬的揮發(fā)率。當(dāng)以Al Cl3·6H2O、Fe Cl3·6H2O或Ca Cl2的形式于水泥生料中加入1.6%氯時,Cu、Pb、Cd在煅燒溫度950~1450℃范圍內(nèi)的揮發(fā)率分別提高了24~42%、14~48%及18~48%。硫和堿的存在同樣增加了熟料燒成中Cu的揮發(fā)率,2.0%硫含量的Ca SO4·2H2O/Ca S或3.2%Na含量的Na2CO3使得Cu在950~1450℃的范圍內(nèi),揮發(fā)率提高了6~19%。在熟料的燒成溫度1350~1450℃下,硫和堿的存在降低了易揮發(fā)性重金屬Pb和Cd的揮發(fā)率,當(dāng)硫含量為2.0%或Na含量為3.2%時,Pb和Cd的揮發(fā)率均降低了15~20%。(2)研究了溫度及氯、硫、堿對重金屬Cu、Pb、Cd揮發(fā)形態(tài)的影響并探討了影響機理。通過對熟料燒成過程中不同溫度段揮發(fā)出的煙氣進(jìn)行分段直接收集,將濾膜收集到的固相重金屬粉末進(jìn)行XRD分析,結(jié)合重金屬化合物的形成能和氯、硫、堿對熟料燒成過程的影響,預(yù)測了氯、硫、堿存在下重金屬的揮發(fā)形態(tài)。結(jié)果表明,當(dāng)生料中不含氯、硫、堿時,熟料煅燒過程中重金屬Cu、Pb、Cd主要以氧化物的形態(tài)揮發(fā)出去。氯存在時,重金屬氧化物將轉(zhuǎn)變?yōu)橹亟饘俾然?然后以氯化物的形態(tài)隨煙氣揮發(fā)出去。Cu和Cd的揮發(fā)形態(tài)不受溫度及硫和堿的影響。當(dāng)煅燒溫度低于1150℃時,硫酸鹽對Pb的揮發(fā)形態(tài)沒有影響;當(dāng)溫度升高至1250~1350℃時,Pb主要以Pb O與Pb SO4固溶體的形態(tài)揮發(fā);當(dāng)溫度高于1350℃,Pb主要以Pb O的形態(tài)揮發(fā),并伴隨有少量的Pb O·Pb SO4和Pb SO4。(3)研究了氯、硫、堿對揮發(fā)煙氣中Cu、Pb、Cd在氣相與固相中分布的影響。結(jié)果表明,高溫環(huán)境有利于氣態(tài)Cu、Pb、Cd的生成。重金屬氯化物的形成雖整體增加了重金屬的揮發(fā)量,但卻降低了揮發(fā)出的重金屬中氣態(tài)重金屬的占比,使得氯對揮發(fā)煙氣中氣態(tài)重金屬的含量影響不大。硫和堿在熟料煅燒過程中改變了揮發(fā)重金屬的形貌,降低了重金屬化合物間的團聚和相互吸附,促進(jìn)了氣態(tài)Cu、Pb、Cd的產(chǎn)生。在水泥窯協(xié)同處置廢棄物過程中,生料中硫和堿含量的提高會增加煙氣中Cu、Pb、Cd的含量。(4)采用XRD、EPMA、SEM、TG、巖相等分析測試方法,研究了氯、硫、堿對熟料煅燒過程與礦物組成的影響,分析了重金屬Cu、Pb、Cd在熟料各礦物相中的分布與存在形態(tài),進(jìn)而探討了氯、硫、堿對Cu、Pb、Cd在熟料礦物相中的分布及對熟料固化重金屬能力的影響規(guī)律及機理。結(jié)果表明,Cu和Pb主要固化在熟料的中間相中,而Cd在熟料的硅酸鹽及中間相中均有固化。生料中的氯促進(jìn)了熟料燒成固相反應(yīng)的進(jìn)行,通過提高熟料燒成中C3S的含量,降低C3A與C4AF的含量,降低了熟料對重金屬Cu和Pb的固化能力。硫和堿(Na)主要存在于熟料的中間相中,在熟料燒成過程中,硫的存在提高了熟料中間相對重金屬的固化能力。(5)研究了污泥的物理化學(xué)性質(zhì),及污泥配料燒成水泥熟料過程中重金屬Cu、Pb、Cd的遷移與固化,結(jié)合上述研究基礎(chǔ)及越堡水泥窯協(xié)同處置污泥實例,闡明了污泥摻量對熟料燒成過程中重金屬的固化機理,并建立了入窯氯、硫、堿與重金屬含量的關(guān)系。結(jié)果表明,污泥的主要化學(xué)組成為Si O2、Ca CO3等鈣硅質(zhì)組分,污泥中的氯、硫、堿以及Cu、Pb、Cd等重金屬的含量遠(yuǎn)高于水泥生料。氯、硫、堿等微量元素通過影響熟料的燒成過程,提高了污泥中Cu、Pb、Cd在熟料中的固化量。在水泥窯協(xié)同處置固體廢棄物過程中,在滿足正常生產(chǎn)的情況下,應(yīng)控制入窯物料中重金屬Cu、Pb、Cd的含量分別低于630、30、260 mg/kg。
【圖文】：

圖 1-2 固體廢棄物在水泥窯中的投加位置Fig. 1-2 The feeding points of solid wastes in cement kiln中的微量組分及其對水泥窯生產(chǎn)的影響棄物中的微量組分廢棄物的來源廣泛且種類繁多，，使得廢棄物的組成復(fù)雜多、硫、堿、磷等非金屬及鐵、鋁、鎂、銅、鉛、鎘、鎳、鋅泥窯協(xié)同處置固體廢棄物過程中，這些微量元素，尤其是、鉛、鎘、鎳、鋅等會對水泥窯的工況及熟料燒成質(zhì)量產(chǎn)生較中的氯、硫、堿原料（石灰石、粘土、鐵礦石等）及固體廢棄物（污泥、含有氯、硫、堿等微量元素，尤其是廢棄物中的氯、硫、堿相應(yīng)元素的含量（表 1-1[15,26,28-32]）。從表 1-1 中可以看出，

圖 1-3 不同硅率下 SO3含量與熟料礦物組成的關(guān)系tionships between SO3content and mineral composition of the clinker under of silica ratio水泥窯及熟料燒成的影響料中的 Na 和 K 主要來源于石灰石、粘土、頁巖等水泥原料，料和生料中 Na 和 K 的含量[57]。表 1-4 Na 和 K 在原料和生料中的含量（wt.%）Table 1-4 Content of Na and K in raw materials and raw meal (wt.%)石灰石 粘土 泥灰?guī)r 頁巖 白堊 0.26 0.74 0.12 0.82 0.09 0.11 2.61 0.66 4.56 0.04 K2O 在水泥窯中屬于高揮發(fā)性物質(zhì)，會增加水泥窯內(nèi)的循環(huán)材料組成的變化而變化，例如粘土中堿的揮發(fā)大于長石中的堿
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ172.1;X705

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 蔡思雨;陸繼東;何嬋;;不同形態(tài)硫?qū)Τ鞘猩罾鵁徇^程中重金屬遷移特性的影響[J];新能源進(jìn)展;2015年06期

2 劉吉寶;李亞明;呂擰;魏源送;楊敏;郁達(dá)偉;;污水處理廠不同工藝的污泥脫水效能分析及其影響因素研究[J];環(huán)境科學(xué);2015年10期

3 巫建鋒;楊秀山;楊林;孔行健;張志業(yè);王辛龍;;硫化鈣的氧化行為研究[J];無機鹽工業(yè);2015年08期

4 魏麗穎;劉姚君;汪瀾;顏碧蘭;;重金屬在水泥熟料礦物中的固溶機理研究進(jìn)展[J];硅酸鹽通報;2014年10期

5 陳文和;鄧明佳;羅輝;張婧贏;丁文杰;劉俊新;李琳;;污泥直接干化產(chǎn)生的惡臭及揮發(fā)性有機物特征研究[J];環(huán)境科學(xué);2014年08期

6 王寧寧;陳武;;工業(yè)固體廢棄物資源綜合利用技術(shù)現(xiàn)狀研究[J];農(nóng)業(yè)與技術(shù);2014年02期

7 孫進(jìn);李清海;李國岫;蒙愛紅;張衍國;;城市生活垃圾焚燒中NaCl遷移轉(zhuǎn)化的實驗和熱力學(xué)平衡分析[J];中國電機工程學(xué)報;2014年02期

8 周翠紅;凌鷹;曹洪月;;市政污泥脫水性能實驗研究與形態(tài)學(xué)分析[J];中國環(huán)境科學(xué);2013年05期

9 孔祥娟;魏亮亮;薛重華;任海靜;;城鎮(zhèn)污泥水泥窯協(xié)同處置現(xiàn)狀與政策需求分析[J];給水排水;2012年06期

10 李杰;劉芳;夏飛;;塑料熱穩(wěn)定劑的無鉛化技術(shù)發(fā)展趨勢[J];中國塑料;2011年12期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 王昕曄;垃圾焚燒過程中鉛和鎘的揮發(fā)特性及其排放控制研究[D];東南大學(xué);2016年

2 于潔;城市生活垃圾（MSW）熱處理過程中重金屬的遷移與分布[D];華中科技大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

1 余生榮;污泥配料燒成水泥熟料過程中氯對重金屬揮發(fā)和固化的影響[D];華南理工大學(xué);2017年

2 張鵬;赤泥基堿激發(fā)膠凝材料的優(yōu)化設(shè)計及性能研究[D];華南理工大學(xué);2016年

3 祝海龍;無水硫鋁酸鈣及其水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)研究[D];濟南大學(xué);2014年

4 張亮亮;氟硫礦化劑對高C_3S水泥熟料形成的影響[D];北京工業(yè)大學(xué);2005年

本文編號：2658061