直流电弧等离子体工程炉对生活垃圾焚烧飞灰的无害化研究

分类号密级UDC编号中国科学院研究生院博士学位论文直流电弧等离子体工程炉对生活垃圾焚烧飞灰的无害化研究陈明周指导教师孟月东研究员中国科学院等离子体物理研究所申请学位级别理学博士学科专业名称等离子体物理论文提交日期2010年4月论文答辩日期2010年5月23日培养单位中国科学院合肥物质科学研究院学位授予单位中国科学院研究生院答辩委员会主席吴雪梅教授2声明本人呈交的学位论文《直流电弧等离子体工程炉对生活垃圾焚烧飞灰的无害化研究》，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名：日期：摘要I摘要生活垃圾焚烧处理随着城镇化的进程在我国发展迅猛。焚烧飞灰富集了高浓度的重金属和二恶英、呋喃类有机污染物，具有很高的毒性需要进行稳定化处理。热等离子体熔融飞灰能够销毁其中的有机污染物，无机物熔体冷却后形成稳定的熔渣，实现减容、减量，有望彻底解决飞灰污染问题。本文利用设计处理能力为1t/d(8h)的等离子体炉系统熔融处理飞灰，在中试条件下完成了热等离子体对飞灰的无害化处理，为该技术的工业化应用进行了有益的探索。首先采用扫描电子显微镜（SEM）、激光粒度仪、X射线荧光光谱（XRF）和X射线衍射仪（XRD）对飞灰样品的微观形貌、粒度分布、成分、晶相构成进行表征，并检测得到的飞灰中二恶英的浓度分布和毒性当量、重金属含量以及浸出浓度；通过对飞灰样品进行热重-差热分析，得到飞灰熔融的温度范围和熔融过程的质量损失。其次，采用马弗炉进行熔融飞灰实验，研究采样飞灰在不添加任何其他成分的情况下的熔融情况以及熔渣的特性。最后，利用等离子体工程炉系统处理飞灰。初步试验发现，进料飞灰的形式对尾气中二恶英的浓度有明显影响。通过分析Pb、Cd、As和Cr四种重金属在系统中的分布以及管道中沉积物的成分判断，等离子体炉直接熔融飞灰原样时，飞灰颗粒可能被尾气挟带向尾气处理系统扩散。因此，需要对飞灰预处理，抑制其从等离子体炉的扩散。采用实验和模拟计算的方法研究解决试验中遇到的进料、阳极烧蚀和排渣等主要问题。辊压造粒可以解决飞灰从等离子体炉的扩散和进料中的“架桥”问题。根据对阳极烧蚀的分析和对阳极与坩埚建模计算的结果提出阳极的改进设计方案，并得到了实验验证。计算表明，飞灰熔体从炉膛中流出的初始温度对顺利排渣非常重要。中试试验中根据砌炉材料设定等离子体炉的烘炉程序，选取参考温度并测定炉子热损失。试验处理飞灰约281kg，研究水冷和空气冷却两种方式对熔渣的影响；测定了二次飞灰的产率、成分以及重金属含量；计算得到的包含炉子热损失在内的飞灰熔融能耗为1.12kWh/kg，并得到了整个过程的能量与质量平衡。在对等离子体熔融飞灰的数值模拟中，建模区域包括电弧等离子体和飞灰在内，直流电弧等离子体工程炉对生活垃圾焚烧飞灰的无害化研究II通过求解流体、传热和电磁场方程，得到等离子体（气体）区域和飞灰中的温度分布。研究了电弧电流和电弧长度对等离子体与飞灰中温度分布的影响，并据此得到在操作中，为了加快处理的速度应尽可能采用短弧加热。关键词：生活垃圾焚烧飞灰；等离子体工程炉；熔融玻璃化；二恶英；重金属AbstractIIIAbstractChenMingzhou(Major:PlasmaPhysics)DirectedbyProfessorYuedongMengMunicipalsolidwastes(MSW)incinerationhasincreaseddrasticlywiththeurbanizationinChina.Flyashenrichinghighconcentrationofdioxinsandheavymetalsneedsstabilizationtreatment.Thermalplasmahasbeenverifiedtobeeffectivefordetoxificationofflyashandrealizedindustrialapplicationinsomedevelopedcountries.Inthisresearch,aDCplasmaarcfurnacewiththemaximumthroughputof1ton/day(8h)isadoptedtomeltflyash.Detoxicificationofflyashunderpilotscaleconditionsisaccomplished.Firstly,sometestmethodssuchasX-rayfluorescencespectrometry(XRF),scanningelectronmicroscopy(SEM)andlaserparticlesizeanalyzerwereusedtodeterminethephysicalandchemicalpropertiesoftheash.Concentrationofdioxinsandheavymetalsintheashwerealsoexamined.Duringleachingtest,theresultofPbisabouttwiceoftheregulatedlimitvalue.Withthermalanalysis,themeltingtemperatureandmasslossoftheashupto1400°Cinnitrogenatmosphereweredetermined.Secondly,theashwasmeltedwithamufflefurnace.TheslagwasanalyzedwithXRDandXRF.Theresultshowstheashcanbevitrifiedwithnoadditives.Last,theashwasmeltedwiththeplasmafurnacesystem.Inpreliminarytest,itwasfoundthefeedformsgovrenedtheconcentrationsofdioxinsinfluegasobviously.BasedonthedistributionofheavymetalsofPb,Cd,As,andCralongthefluegasprocesssystem,entrainmentofashparticleswiththefluegasstreamcanbededuced.Theanalysisofthedepositedashsampledfromgaspipelineconfirmedthisconclusion.Pretreatmentisnecessarytoconstrainthemass-transferofashfromtheplasmafurnace.Experimentaswellasmodellingandsimulationwereadoptedtoovercomethedifficultiesmetinpreliminarytest.Feedingproblemswereresolvedwithcompactionandgranulation.Accordingtoresearchoftheablationofanodesandresultsofsimulation,animproveddesignoftheanodewasproposed,whichwasverifiedinlatertest.Astothe直流电弧等离子体工程炉对生活垃圾焚烧飞灰的无害化研究IVcontinuousdischarge,simulationresultsindicatethestarttemperatureofthemeltisofvitalimportance.Inpilotscaletest,atemperatureraisingprocedureforrefractorycuringwasestablishedandexecuted.Thetemperatureof1385℃inthehearthwasselectedasthereference,andtheheatlossofthefurnacewasdetermined.About281kgashwasmeltedcontinuously.Thephysical-chemicalpropertiesofslagcooledbywaterorbytheairwereanalyzed.Theproductionratioofsecondaryflyashis7.1%,andthevolatileelementsdominatethesecondaryash.Theenergycostwascalculatedas1.12kWh/kg.Theenergyandmassbalancewereaccomplished.Duringsimulationofthearcmeltingofflyash,amodelincludingbothplasmaandashwasestablished.ThetemperaturefieldinthecomputationaldomainwasobtainedaftersolvingNavie-Stocksequations,heattransferequationsandelectromagneticfieldequations.Theeffectofelectriccurrentandarclengthonthetemperaturedistributioninthemoltenpoolwasstudied.Conclusionscouldbemadethatinpracticeshorterarcshouldbepreferredinordertoacceleratetheprocessingspeed.Keywords:MSWincineratorflyash;Pilotscaleplasmafurnace;Melt/Vitrification;Dioxins;Heavymetal目录V目录摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ⅠAbstract„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„Ⅲ目录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„Ⅴ第一章绪论......................................................................................................................11.1城市生活垃圾的焚烧处理...................................................................................21.2生活垃圾焚烧处理的飞灰污染问题...................................................................31.2.1垃圾焚烧飞灰的产生................................................................................31.2.2飞灰的污染特性........................................................................................41.3垃圾焚烧飞灰的处理处置方法.........................................................................1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