水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰技术的应用进展

2019-02-26唐新宇黄庆

水泥技术 2019年1期

唐新宇，黄庆

水泥窑协同处置飞灰，是指将垃圾焚烧飞灰作为原料投加到水泥生产工艺中，替代部分水泥原料，有效去除或稀释飞灰中富集的二恶英等有机污染物，最终实现飞灰的资源化处置的过程。飞灰中存在大量的氯和重金属，因此必须有效避免飞灰对水泥生产和产品质量的影响。目前，随着我国垃圾焚烧飞灰处置需求的不断增加，水泥窑协同处置飞灰技术越来越受到重视。

1 垃圾焚烧飞灰的主要成分

我国不同地区垃圾焚烧飞灰的化学分析如表1所示。

焚烧垃圾的锅炉类型不同（如链条炉和循环流化床），各地垃圾组成不同（如有机质含量不同），导致各地垃圾焚烧飞灰的氯元素含量差距较大，出现了不同的水泥窑协同处置方式。

2 垃圾焚烧飞灰的危害

垃圾在焚烧过程中的主要污染物有SO2、NOX、CO、HCl、烟尘和二恶英。二恶英（PCDD/FS）是一种毒性很大的有害成分，是多氯代二苯PCDD和多氯代二苯并呋喃PCDF的统称。垃圾焚烧过程中产生含有大量二恶英的飞灰，去除二恶英的主要方式是利用袋式除尘器收集附着二恶英的粉尘。据文献报道，我国华北、华东和华南地区二恶英毒性当量（TEQ）分别为7.53ng/g、1.52g/g和0.44g/g[1]。二恶英类有机污染物化学性质非常稳定，在环境中可通过食物链不断富集，进入人体后较难排出，将对人类的健康构成危害。此外，很多学者也对二恶英中的重金属进行了研究，我国垃圾焚烧飞灰中的重金属污染主要有Pb、Cd、Hg和Zn等[2]。因此，我国对生活垃圾焚烧飞灰的运输、贮存和处置都有着极为严格的规定，避免对环境和人类健康构成危害，以及二次污染的产生。

表1 不同地区垃圾焚烧飞灰的化学分析，%

3 水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰的优缺点

3.1 优点

（1）飞灰可以作为水泥替代原料

垃圾焚烧飞灰的主要成分是CaO、SiO2、Fe2O3、K2O、Na2O等，与水泥的生料成分类似，加入水泥窑后，比较容易与生料各成分搭配。

有文献报道[3]，将垃圾焚烧飞灰作为原料之一配置的水泥生料，当焚烧飞灰的替代比例在一定范围内时，不会对熟料的抗压强度造成影响。

（2）能够有效去除高温区的二恶英等有机污染物

在水泥工艺窑内烧成工段，火焰的高温区温度在1 800～2 200℃，物料温度在1 450℃左右，温度范围大大高于危险废物焚烧要求，二恶英类有机物能够彻底分解。另外，窑尾分解炉的温度在850～900℃，已经达到危险废弃物二燃炉的反应温度，有利于减少二恶英的再次生成。

（3）减少酸性有害气体的排放

常规危险废弃物焚烧过程中的氯元素，容易形成HCl气体逸出。而在水泥窑尾的分解炉中，碳酸钙分解为氧化钙，HCl气体被中和，可以有效抑制HCl的排放，便于控制水泥窑尾气排放。

（4）能够将重金属固化在水泥熟料中

过去我国常采用将垃圾焚烧飞灰直接与水泥混合固化填埋的方式，这既浪费土地资源也容易对地下水和土壤造成污染。而采用水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰后，其中的重金属元素被固化在水泥熟料中，既不产生灰渣，也不会溶出污染环境。

（5）处置成本较低

采用水泥窑协同处置焚烧飞灰，相比其他处置技术，不需要新建成套的处理设备，且不需要单独的烟气处置设施，因此建设成本大大低于其他处置方式。从运行成本上看，相比其他处置方法，采用水泥窑协同处置焚烧飞灰没有增加新的能源消耗，运行成本也较低。此外，为了鼓励水泥企业协同处置飞灰，《危险废物豁免管理清单》中特别提出：生活垃圾焚烧飞灰处置满足GB 30485-2013《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》，飞灰进入水泥窑协同处置，处置过程不按危险废物管理。在降低投资的同时，也提高了企业的积极性。

3.2 缺点

（1）氯化物循环富集

飞灰进入水泥窑协同处置时，对水泥生产有害的物质主要是氯。氯化物以氯化钠和氯化钾为例，氯化钠的熔点为801℃，沸点为1 465℃；氯化钾的熔点为770℃，沸点为1 420℃。

水泥窑窑尾涉及到氯化物熔解和挥发的部位如图1所示。氯化物容易在窑内挥发，随烟气回到窑尾烟室、分解炉等，且随温度降低逐渐转化为固态。氯化物在水泥窑系统不断循环往复，在气液固相间不断转化，容易造成结皮堵塞。

图1 水泥窑窑尾有关区域温度范围图

Shin P H[4]等将飞灰掺加到水泥生料中制造硅酸盐水泥，飞灰中含有的氯在窑系统内循环富集，在窑尾不断地冷却、挥发，引发了结皮堵塞；当飞灰掺加量增加时，水泥的抗压强度不断下降；提出了利用旁路放风将氯元素释放出窑系统，打破其在水泥窑系统的循环，从而使水泥窑协同处置飞灰顺利进行。

（2）二恶英排放超标的可能性

上文已提及，在水泥工艺的回转窑和分解炉中，温度均高于800℃时，二恶英会被大量破坏。但是当烟气从分解炉、C5流出后，从800℃降低到300℃（C1出口）的停留时间过长，二恶英有可能在这个范围内二次生成。笔者在国内水泥厂进行RDF焚烧时测试二恶英浓度，多次发生二恶英超标情况。同时，目前国内处置垃圾焚烧飞灰的项目数量较少，排放数据尚不丰富，因此二恶英排放超标的可能性有待于进一步研究。

4 水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰的技术路线

4.1 直接入窑处置

某些垃圾焚烧飞灰氯含量较低，甚至低于3%，若要实现飞灰直接入窑，需严格控制飞灰的加入量，同时配套旁路放风系统，图2是国内某垃圾焚烧飞灰直接入窑系统的示意图。

飞灰运输进厂后，利用飞灰输送车自带的输送泵将飞灰输送到飞灰钢板库中储存；利用压缩空气通过飞灰输送泵将钢板库中的飞灰输送到飞灰喂料仓；通过飞灰喷枪将飞灰加入到窑尾烟室或分解炉中，实现飞灰的处置。另外，该系统同时配备了旁路放风系统，可将氯元素释放到窑灰中。最终窑灰与水泥熟料混合，加入到水泥磨中。

安徽海螺川崎工程有限公司[5]、北京新北水水泥有限责任公司[6]均有相关专利，除了加入到窑尾，还可直接加入到窑头燃烧器中焚烧，实现与窑尾分解炉相同的效果。

4.2 水洗后入窑处置

很多垃圾焚烧飞灰的氯含量高达10%～20%，这种飞灰显然不能直接入窑，因此应对其进行脱氯处置后再入窑。脱氯的主要手段是水洗，目前我国唯一投入运行的是金隅琉璃河水泥厂的3万吨/年水泥窑协同处置高氯飞灰示范线，其水洗主要工艺流程见图3。

将高氯含量的飞灰经过三次逆流水洗后，氯元素可以洗出90%～95%，飞灰中的氯含量可以降低到1%以下。国内也有大量的研究证明，多次水洗后，飞灰中的氯可以大部分被除去[7]。水洗处置的核心是如何尽可能地减少水的用量，同时减少废水的排出和降低旋转蒸发的能源消耗。金隅琉璃河水泥厂水泥窑协同处置飞灰示范线的飞灰实际处置量可达110～130t/d，水灰比约3：1，实现了飞灰的无害化、减量化与资源化处置。

图2 垃圾焚烧飞灰直接入窑的示意图

图3 水洗工艺流程示意图

水洗后入窑处置技术方案面临的主要问题是，旋转蒸发后的盐的出路问题。根据GB 5085.7-2007《危险废物鉴别标准通则》6.1：具有毒性（包括浸出毒性、急性毒性及其他毒性）和感染性等一种或一种以上危险特性的危险废物处理后的废物仍属于危险废物，国家有关法规、标准另有规定的除外。旋转蒸发以后的盐，仍为危险废物。根据GB/T 5462-2015《工业盐国家标准》1范围：本标准适用于以海水（含沿海地区地下卤水）、盐湖中采掘的盐或以盐湖卤水、岩盐或地下卤水为原料制成的工业用盐。因此旋转蒸发以后得到的盐不适用于工业盐标准。

虽然目前尚未提出有效的解决方案，但即便是将盐退回到填埋处置中，高氯飞灰经水洗后处置也实现了减量化的目标，比直接填埋具有更好的环境效益。