D01:10.13374.isml001053x.2007.s2.86 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 SuppL 2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 熔渣中Zn、Pb挥发行为的对比分析 张延玲》付中华D李士琦D葛西荣辉2) 1)北京科技大学治金与生态工程学院北京100083.中国2)东北大学多元物质科学研究所.仙台9808577，日本 摘要熔融工艺是目前处理工业粉尘及飞灰的有效方法.为了能够有效控制熔融工艺中Z、Pb等重金属资源的分离回收. 对比分析了Zm、Ph在含Cl的Fe0-Ca0SiOA0Fe203渣系中的挥发行为.首先通过热力学计算分析了Zn,Ph在该渣系 中可能的挥发气体种类以及各因子如温度、熔渣成分、氧势和C含量等的影响.同时，对以上问题进行了实验研究.最终明 确了分别提高Z、P%挥发分离效率的不同的技术措施和优化参数. 关键词熔渣；挥发行为：锌：铅：熔融处理 分类号X756 固体垃圾焚烧后会产生大量的飞灰及粉尘，这 为与Cl元素密切相关，因此在本研究的FeO一CaO一 类物质由于含有过高的对人体有害的重金属如Pb、 S02Al03一Fe203渣系中添加了一定的C1元素. Cd等而被明确归类为危险物品，需经特殊处理后放 首先利用热力学软件FactSagel1q模拟分析了Zm、 置在认为安全的地方.但日益增长的土地成本、 Ph在该渣系中可能的挥发气体种类，以及各因子如 以及长时间后有害重金属溢出的可能性不可知或不 温度、熔渣成分、氧势和C含量等的影响.同时，对 可控等问题严重限制了这类方法的使用.熔融处理 以上问题以及Z如、Pb的分离效率进行了实验研究. 目前是一种比较有应用前景的方法，它具有以 最后结合热力学分析以及实验数据，探讨了分别提 下优点：(1)高效减容：(2)高温条件下，重金属挥发 高Z、Pb挥发分离效率的不同的技术措施和优化 性高，可通过一定措施分离回收重金属资源：(3)熔 参数.本研究结果可为熔融处理工艺中有效分离回 融条件下飞灰中所含有的二恶英类等巨毒有机物质 收Zn、Ph资源提供必要的理论指导. 可遭到有效、彻底的破坏，因此若将有害重金属挥发 分离到一定程度，可达到最终残余物的彻底无害化. 1热力学分析 这类飞灰及粉尘中，常见的基体组成是Ca0、 本研究应用FactSage热力学软件，基于吉布斯 Si02、Fe0/Fe203、Al203等同时含有部分K、Na、S、 自由能最小化原则，模拟分析了Zm、Pb在含C1的 C1以及重金属Zn、Pb、Cd等9.熔融处理过程中， Fe0Ca0Si02一Al203fe203渣系中的挥发行为. 这些成分构成了一个复杂的多元熔渣/熔盐体系. 计算过程中，选择不同组成的F0一CaO一Si02一 为了有效控制重金属的去除，必须充分了解重金属 Al20一Fe203作为渣相其中A203质量分数固定 在该熔渣/熔盐体系中的基本热力学行为.很多国 为5%，其余成分如Fc0、Fe203.Ca0及Si02根据拟 外学者一9以及我国的王楠等刀、王学涛等人研 定的Fc0含量，Fe2+/Fe升比及碱度CaO/SO2值设 究了重金属在熔融处理工艺条件下的挥发行为，主 置.元素Zn、Ph分别以Zn0、Pb0形式存在，Cl元 要是集中在分析挥发速率，凝固相及气相分配率、固 素以CaCl2的形式存在.ZnO/Phb0与渣相的初始质 相停留形态以及各操作因子如温度、气氛、时间等的 量分数分别设置为10%和90%，CaCk量按与Zn0/ 影响，但对重金属在熔渣/熔盐体系中的挥发气体种 Pb0相同物质的量数添加，即物质的量比ZO/Pb0 类、饱和蒸汽压、以及活度等基本热力学行为的研究 ℃aCb=1L.计算使用的是FactSage软件自身的 极为有限. 热力学数据库，标定可能的产物有气相、液相、纯固 本研究对比分析了常见重金属Zn、Pb在FcO- 体、渣及固溶体等温度设置为673~2073K,总压 CaO-Si02一Al03一Fe03渣系中的基本挥发行为. 为L01×103Pa,指定气氛为纯Ar或Ar十C0+ 前人研究结果9表明，高温条件下重金属的挥发行 C02,气相中的氧势由C0/C02比值来控制. 收稿日期：2007-10-09 1.1挥发气体种类以及温度的影响 作者简介：张延玲(1972一).女，讲师博士 纯Ar气氛下Fc0-Ca0Si02-Al203-Fe203渣熔渣中 Zn 、Pb 挥发行为的对比分析 张延玲1) 付中华1) 李士琦1) 葛西 荣辉2) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 , 中国 2)东北大学多元物质科学研究所, 仙台 980-8577 , 日本 摘 要 熔融工艺是目前处理工业粉尘及飞灰的有效方法.为了能够有效控制熔融工艺中 Zn 、Pb 等重金属资源的分离回收, 对比分析了Zn、Pb 在含 Cl 的 FeO-CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3 渣系中的挥发行为.首先通过热力学计算分析了 Zn 、Pb 在该渣系 中可能的挥发气体种类, 以及各因子如温度、熔渣成分、氧势和 Cl 含量等的影响.同时, 对以上问题进行了实验研究.最终明 确了分别提高 Zn、Pb 挥发分离效率的不同的技术措施和优化参数. 关键词 熔渣;挥发行为;锌;铅;熔融处理 分类号 X756 收稿日期:2007-10-09 作者简介:张延玲(1972—), 女, 讲师, 博士 固体垃圾焚烧后会产生大量的飞灰及粉尘 , 这 类物质由于含有过高的对人体有害的重金属如 Pb 、 Cd 等而被明确归类为危险物品 ,需经特殊处理后放 置在认为安全的地方[ 1] .但日益增长的土地成本 、 以及长时间后有害重金属溢出的可能性不可知或不 可控等问题严重限制了这类方法的使用 .熔融处理 目前是一种比较有应用前景的方法 [ 2-3] ,它具有以 下优点 :(1)高效减容;(2)高温条件下, 重金属挥发 性高 ,可通过一定措施分离回收重金属资源;(3)熔 融条件下飞灰中所含有的二恶英类等巨毒有机物质 可遭到有效、彻底的破坏 ,因此若将有害重金属挥发 分离到一定程度 ,可达到最终残余物的彻底无害化 . 这类飞灰及粉尘中, 常见的基体组成是 CaO 、 SiO2 、FeO/Fe2O3 、Al2O3 等同时含有部分 K 、Na 、S 、 Cl 以及重金属 Zn 、Pb 、Cd 等[ 4] .熔融处理过程中 , 这些成分构成了一个复杂的多元熔渣/熔盐体系 . 为了有效控制重金属的去除, 必须充分了解重金属 在该熔渣/熔盐体系中的基本热力学行为 .很多国 外学者[ 5-6] 以及我国的王楠等[ 7] 、王学涛[ 8] 等人研 究了重金属在熔融处理工艺条件下的挥发行为 , 主 要是集中在分析挥发速率 、凝固相及气相分配率、固 相停留形态以及各操作因子如温度 、气氛、时间等的 影响 ,但对重金属在熔渣/熔盐体系中的挥发气体种 类、饱和蒸汽压 、以及活度等基本热力学行为的研究 极为有限 . 本研究对比分析了常见重金属 Zn 、Pb 在 FeO￾CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3 渣系中的基本挥发行为 . 前人研究结果[ 9] 表明, 高温条件下重金属的挥发行 为与 Cl 元素密切相关, 因此在本研究的 FeO-CaO￾SiO2-Al2O3-Fe2O3 渣系中添加了一定的 Cl 元素. 首先利用热力学软件 FactSage [ 10] 模拟分析了 Zn 、 Pb 在该渣系中可能的挥发气体种类, 以及各因子如 温度、熔渣成分、氧势和 Cl 含量等的影响.同时 ,对 以上问题以及 Zn 、Pb 的分离效率进行了实验研究. 最后结合热力学分析以及实验数据, 探讨了分别提 高Zn 、Pb 挥发分离效率的不同的技术措施和优化 参数.本研究结果可为熔融处理工艺中有效分离回 收 Zn 、Pb 资源提供必要的理论指导. 1 热力学分析 本研究应用 FactSage 热力学软件, 基于吉布斯 自由能最小化原则 , 模拟分析了 Zn 、Pb 在含 Cl 的 FeO-CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3 渣系中的挥发行为. 计算过程中 , 选择不同组成的 FeO -CaO -SiO2 - Al2O3-Fe2O3 作为渣相, 其中 Al2O3 质量分数固定 为 5 %,其余成分如 FeO 、Fe2O3 、CaO 及 SiO2 根据拟 定的 FeO 含量、Fe 2 +/Fe 3+比及碱度 CaO/SiO2 值设 置 .元素 Zn 、Pb 分别以 ZnO 、PbO 形式存在, Cl 元 素以CaCl2 的形式存在 .ZnO/PbO 与渣相的初始质 量分数分别设置为10 %和 90 %,CaCl2 量按与ZnO/ PbO 相同物质的量数添加 ,即物质的量比ZnO/PbO ∶CaCl2 =1∶1 .计算使用的是 FactSage 软件自身的 热力学数据库,标定可能的产物有气相 、液相 、纯固 体 、渣及固溶体等, 温度设置为 673 ～ 2 073 K , 总压 为 1.01 ×10 5 Pa , 指定气氛为纯 Ar 或 Ar +CO + CO2 ,气相中的氧势由 CO/CO2 比值来控制. 1.1 挥发气体种类以及温度的影响 纯 Ar 气氛下 FeO-CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3 渣 第 29 卷 增刊 2 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 Suppl.2 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.s2.086