电弧炉熔融医疗垃圾焚烧灰的实验研究

　　摘要:利用处理量为Zkg的直流电弧炉对医疗垃圾焚烧的底灰、底灰与布袋飞灰的混合灰分别进行熔融实验研究,并比较了熔融前后灰和熔渣的化学成分、物相、微观形貌、浸出毒性及重金属残留率.结果表明,底灰主要由复杂的硅酸盐晶体组成,布袋飞灰含有大量的硬石膏(Caso小氯化钠(NaCI)晶体,熔融后两种熔渣均为无定形非晶态的玻璃熔岩.底灰、混合灰熔融后减容率分别达到78%和80.5%;熔融前布袋飞灰浸出液中Pb,Cd,zn浓度远超过危险废物填埋限值,熔融后的熔渣中重金属固化在is一O网格中,渗沥液中浓度极低,完全符合环保要求.熔融后2种熔渣中Pb,Cd,Zn的残留率较低,而且混合灰熔渣中重金属残留率均低于底灰熔渣.

　　关键词:医疗垃圾;焚烧灰;熔融;电弧炉;重金属

　　1前言

　　医疗垃圾集中焚烧处理能减容、减量、消毒灭菌,“非典”之后,该处理方式在国内得到大力推广.医疗垃圾经焚烧后将产生约30%的底灰和3%的飞灰川,这些灰(尤其是飞灰)中含有相当量的重金属和二恶英等污染成分,与生活垃圾焚烧灰相比,其成分更加复杂,二恶英含量l2]、重金属毒性和急性毒性都更高13].目前,我国对医疗垃圾焚烧灰主要采用填埋处理,对部分超过危险废物填埋标准的飞灰进行水泥固化处理,这两种处理方式均不能保证重金属的长期安全性,而且不能消除二恶英等有机毒物,医疗垃圾焚烧带来的新的环境问题鱼待解决。

　　2实验

　　2.1样品制备

　　焚烧灰样品取自沈阳危险废物焚烧中心的15灯d医疗垃圾焚烧炉,该炉燃烧部分由回转窑和二燃室组成,并设有余热锅炉,空气污染控制装置依次为急冷塔、喷活性炭装置、半干法除酸系统、布袋除尘器.底灰取自水冷排渣口,布袋飞灰取自布袋除尘器排灰口.为使样品具有代表性,底灰和布袋飞灰在连续稳定运行的一周内采集,焚烧灰样品经混匀后,用20目(0.83~)的网筛去除大颗粒,并在105℃下千燥24.h焚烧灰熔融后产生的熔渣经敲碎、研磨至相关粒度,再进行分析.

　　2.2实验装置

　　图l为2kg的直流电弧炉装置本体图,顶部一根可上下调节的石墨电极为阴极,顶电极与底电极(阳极)间产生的高温电弧使炉内的灰熔化并从渣口溢出,熔渣迅速落入水冷槽进行急冷.石墨电极直径为50们nrn,电极夹头和绕线电缆均采用水冷方式冷却.直流硅整流电源采用双Y型平衡电抗器的整流电路,额定输出电流为l00A,额定输出电功率60kw,电压调节范围20一60V采用Raynge门i一ZM红外测温仪测量熔池温度.

　　2.3分析仪器及方法

　　焚烧灰及熔渣的化学成分分析用zsxloE型x射线荧光光谱仪(XRF),热灼减率(L01)是将干燥后的灰及熔渣样在60℃下灼热3h后测定质量的变化,物相分析用荷兰PANalytieal公司生产的x,Pertpro淤。型x射线衍射仪(XDR),最大功率3kw,最大管电压60kv,最大管电流60IllA,步进.0020,扫描范围or叹70.灰渣样经喷金处理后用ssx一50扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDs)分析微观形貌,分辨率3.5nm,放大倍数20-300000倍,加速电压0,5一3OkV,能量分辨率14eV,元素分析范围C一U.重金属含量用SOLAAR54型原子吸收光谱仪(AA)S分析,重金属浸出毒性检测根据GB5086.2一1997,称取灰渣样100.09,按液固比一。:l加去离子水作为浸取剂,振荡时间sh,浸出液经.045卜m微孔滤膜过滤后分析。

　　3结果与讨论

　　3.1化学成分及热灼减率

　　表I为焚烧灰及熔渣的主要化学成分和热灼减率(L01)分析结果.为保证数据的有效性和可靠性,每种焚烧灰及熔渣测定3个平行样品,取平均值.从表可看出,底灰的主要成分是5102,CaO,A12O3,布袋飞灰CI,503的含量及热灼减率(L01)分别达到12.31%,12.10%和31.2%.热灼减率高主要是由于喷入的大量用于吸附烟气中二恶英和重金属的活性炭转移到布袋飞灰中为减少布袋飞灰中高含量的Na20,503,lC对熔融炉耐火材料的腐蚀及高含量的未燃物造成石墨电极侧面烧损等不利影响,同时考虑到布袋飞灰中510:含量较低不易玻璃化等因素,本工作将底灰/布袋飞灰按一定质量比配制成混合灰再进行熔融处理.

　　3.2物相分析

　　由于相同或相似的化学成分可以存在不同的物相结构,物相分析有助于进一步了解化学元素的存在形态.2种焚烧灰及2种熔渣的XRD分析如图2所示.从图可看出,底灰(BA)的主要物相为斜硅石(CaZsio4)、蓝晶石(A12SIO,)、透辉石(CaMgsiZo6)等复杂的硅酸盐、5102及石灰石(CacO3).布袋飞灰(队)物相分析是经60℃灼烧除去有机物后的试样,结果表明FA中含有大量的硬石膏(easo。)、氯化钠困ael)化合物晶体,这与x灯分析的高含量的lC,50:相符.2种熔渣的XRD峰均有非常宽幅的晕,表现为明显的无定形非晶态.

　　3.3微观形貌

　　图3(a),3(b)分别是底灰、布袋飞灰的sEM图片,从图可看出,底灰粒径相差悬殊,颗粒度明显,布袋飞灰颗粒均呈现不规则多孔海绵状,在大颗粒表面附着许多小颗粒,颗粒间有较高的孔隙率.图3(c),3(d)分别为2种熔渣的SEM照片,2种熔渣均为玻璃态熔岩,具有致密、连续光滑的表面.Ramesh等l’2】的研究表明,焚烧灰的形貌特征与它们的重金属渗沥行为有明显关系.像布袋飞灰这样粒径小、疏松多孔、比表面积大的颗粒,浸出液容易浸入内部,从而促进重金属的溶解.而SLAGI和SLAGZ平滑、致密的表面能阻止重金属渗沥测试表明,SLAGI和SLAGZ的密度分别为2.引,2.85岁cm,,熔融彻底地改变了焚烧灰的内部空隙结构.与熔融前焚烧灰的容积相比,熔融后sLAGI,sLAGZ的容积仅占原料容积的2%和19.5%,减容率分别达到78%和80.5%

　　4结论

　　(l)医疗垃圾焚烧底灰主要由复杂的硅酸盐晶体组成,布袋飞灰含有大量的硬石膏、氯化钠晶体,2种熔渣均为无定形非晶态的玻璃熔岩.

　　(2)医疗垃圾焚烧底灰、混合灰熔融后减容率分别达到78%和80.5%.

　　(3)熔融前的布袋飞灰浸出液中Cd,zn,Pb浓度均超过危险废物填埋污染控制标准,熔融后重金属被固化在玻璃熔渣的51一网格中,渗沥液中浓度极低,完全符合环保要求.

　　(4)熔融后2种熔渣中Pb,Cd,zn的残留率较低,而且混合灰熔渣中残留率均低于底灰熔渣.

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　　蔡九菊,刘汉桥,齐鹏飞,田冬青