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水泥工业协同处置固体废弃物时,固废不仅可作为替代原料,还可使其热值得到充分利用,是固废减量化、无害化、资源化利用的重要手段之一,也是实现水泥工业可持续发展的重要举措。废弃物通常含有Pb、Cd、Cu、Zn等微量有毒有害重金属组分,有可能影响水泥生产,因此研究重金属的迁移、转化行为已成为水泥窑协同处置固废领域的热点。现有研究多关注于重金属在水泥熟料中的固溶量、固溶极限与存在状态,但对协同处置过程中重金属的挥发特性尚缺乏深入系统研究。本文以城市污泥(典型城市废弃物)、铅锌渣(毒性大、难以处置的工业废弃物)为对象,研究了协同处置对水泥熟料烧成的影响以及烧成过程中重金属组分(Pb、Cd、Cu、Zn)的挥发与固化行为,以期为水泥窑协同处置污泥、铅锌渣的安全性和环境影响提供科学依据。获得具体研究成果如下:(1)污泥、铅锌渣的掺入对水泥熟料烧成与性能的影响。污泥中重金属组分可降低碳酸盐分解温度,但熟料烧成温度提高,并使水泥水化放热峰稍有延迟,放热总量减小;随污泥掺量的增加,熟料中B矿增多、A矿减少,A矿尺寸增大、形状不规则且熔蚀严重。铅锌渣掺量少于6.2%时,能降低液相出现温度,有利于固相反应和熟料的烧成,A矿包裹物少、边缘被熔蚀,B矿也易被中间相熔蚀,熟料水化放热峰略有延迟,但放热总量受影响不大。(2)煅烧温度对水泥熟料烧成过程中重金属组分挥发的影响。对于高挥发性重金属Pb和Cd,随温度升高其挥发率逐渐增加,1450℃时挥发率均高于80%。对于难挥发性重金属Cu和Zn,在600~1300℃,其挥发率随温度升高而增加;而在1300~1450℃,由于液相量急剧增加,大部分Cu和Zn固溶于熟料矿物或生成难挥发化合物,导致其挥发率降低,1450℃时挥发率均小于30%。(3)污泥、铅锌渣掺量对重金属挥发特性的影响。污泥掺量小于15%时,Cu、Zn的挥发率随掺量增加而增大;污泥掺量超过15%时,Zn挥发率随污泥掺量增加继续增大,但增幅减小并趋于平缓,而Cu挥发率则逐渐下降;Pb、Cd无明显规律性变化。随铅锌渣掺量的增加,Pb、Cd、Cu、Zn挥发率变化趋势类似,均先减小后增加。(4)率值对熟料中重金属固化量的影响。增大石灰饱和系数(A矿含量增加),减小硅率(液相量增加)和减小铝率(C4AF含量增加,液相粘度降低)均有利于熟料对重金属组分的固化,减少挥发。(5)重金属在水泥熟料中的分布与存在状态。Pb、Cd、Cu大部分固溶在硅酸盐矿物中,固化量分别为1.85mg/g、4.12mg/g、6.14mg/g,Zn主要固溶于铁铝酸盐矿物中(25.61mg/g);水泥熟料中,Pb2+、Cd2+能取代熟料矿物中的Ca2+,以硅酸盐、铝酸盐、铁铝酸盐的化学形态存在。基于本文研究结果,建议在利用水泥窑协同处置废弃物时,城市污泥投加量宜小于10%、铅锌渣投加量宜小于2.5%。本研究为水泥窑协同处置污泥、铅锌渣技术的进一步研发提供了基础数据,对水泥工业可持续发展、城市垃圾和危险废弃物处置具有一定的参考价值。