垃圾焚烧飞灰利用水泥窑协同处置技术研究

邢立军

（中国城市建设研究院有限公司，北京 100032）

焚烧处理属于固体废弃物处理中经常使用的技术类型。垃圾焚烧产生的飞灰中含有重金属无机物和二噁英等有毒的有机物，会对生态环境产生不利影响。从现有的飞灰处理技术应用情况来看，水泥窑协同处置技术表现出不少优势特征，不仅可以将飞灰作为水泥的替代材料，还可以对焚烧飞灰中的二噁英做出合理分解，将重金属熔融固化，减少有害物质的不利影响，并且不会产生二次污染的问题，在环保性、经济性和资源化方面都具有重要的表现，符合国家节能减排和循环经济的可持续发展理念。

1 垃圾焚烧飞灰的概述

1.1 焚烧飞灰的特点

1.1.1 产生量较大

机械炉排焚烧炉和流化床焚烧炉是我国当前阶段实施城市生活垃圾焚烧处理的主要方式。以机械炉排焚烧炉为例，此种炉型所产生的飞灰量整体处于较少水平，含量占据到炉中废物总量的3%左右； 而流化床焚烧炉所产生的飞灰量较大，可以占据到炉中废物总量的12%左右。焚烧飞灰如果处理不当，容易对生态环境产生不良影响。

1.1.2 成分较为复杂

在对城市生活垃圾进行焚烧时，所产生的飞灰中，含有二噁英和重金属等有害的物质，同时也含有Ca、Si、Al、Fe等元素的氧化物，还有C、S、P等元素，这些元素的含量会因季节的差异、焚烧条件的不同以及烟气净化水平的不同而表现出一定的波动性，容易给飞灰的处理造成一定的困难。

2 水泥窑协同处置焚烧飞灰的技术工艺

水泥窑协同处置焚烧飞灰，需要与水洗技术结合在一起，以此种方式合理化处理后，降低氯元素对水泥窑的不利用影响，并保证水泥窑的正常生产。焚烧飞灰的原料组成与水泥生料具有一定的相似性，在水泥窑协同处置中，将焚烧飞灰加入到水泥熟料的煅烧当中，代替水泥的原料来参与到生产当中，可以在有效处置焚烧飞灰的基础上，实现水泥的正常生产，是资源循环利用的重要表现，具有非常强的环保意义。该项技术属当前解决固体废弃物焚烧飞灰的最优选择，在经济性、环保性和可靠性等方面都显示出了巨大优势，是值得优化和推广的废弃物处置方式。

2.1 焚烧飞灰的水洗系统

在开展焚烧飞灰水洗处理工作时，需要使用专用运输车对焚烧飞灰进行运输，将其输送到管道中，使其进入到飞灰储仓当中。当焚烧飞灰进入储仓之后，在经过一定的计量后进入到搅拌罐当中，然后与已经计量好的水混合在一起，经过洗涤处理之后形成料浆，再经由固液分离设备进入到烘干机当中实施烘干处理。经过烘干处理的焚烧飞灰需代替部分水泥原料进入到水泥窑当中，剩余的滤液需为后续的漂洗处理提供介质。

焚烧飞灰水洗采用逆流三级漂洗技术，先使用低氯废水对高氯飞灰进行一定的漂洗，让原灰和二级中氯废水进入制浆池当中，以特定的水灰比为依据，经过搅拌混合之后形成水灰浆，再经一级固液分离之后，让飞灰水的滤渣进入到二级制浆的过程当中，让高氯废水进入到水处理的系统当中； 在开展二级制浆的过程当，要对以特定的水灰比来让三级低氯废水经由搅拌器，实施对焚烧飞灰的漂洗处理，再经过二级固液分离之后，水洗的滤渣就会进入到三级制浆的过程当中，并将中氯废水用于原灰制浆的过程当中； 三级制浆中所使用的蒸馏水需要按照特定水灰比经由搅拌混合之后，对焚烧飞灰实施漂洗工作，再经过三级固液分离之后，低氯废水用于二级制浆，最后的脱氯飞灰进入到水泥窑中进行协同处置。

水洗过程中的洗涤次数和用水量需要以焚烧飞灰中的氯的含量作为主要依据，当含氯量处在1%以内时，需要对相关设备的参数进行合理的调节，依据水泥窑系统协同入窑具体依据来做出适当的调整，让脱氯飞灰的含水率保持在30%以内的水平。一般而言，在经过二次水洗之后，已经可对焚烧飞灰中含有的Cl进行有效的去除，能够对飞灰处理系统的效果进行保证。当进行第三次水洗处理时，Cl的去除率已经可以达到95%以上，将其加入到水泥窑中进行协同处置，就可以获得较好的工艺效果。

城市生活垃圾焚烧处置时，容易产生含氯量较高的焚烧飞灰，采用三级逆流漂洗的工艺可以对其中氯离子进行有效的去除，在对实际项目开展水洗处理工作时，需要将焚烧飞灰含氯量的高低作为主要的依据，根据实际需求来做好相应地调整和优化处理。

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2.2 污水预处理单元

经过水洗处理的焚烧飞灰所产生的滤液即废水水洗液，不仅含有Cl、K、Na等重金属离子，还含有少量的悬浮物质，待其物理沉淀一段时间之后，再配合一定的化学试剂对这些重金属离子和钙镁离子进行沉淀处理，让其所形成的污泥可以与返回的飞灰滤液一起进入到固液分离装置当中，继续固液分离。飞灰水洗液在历经多道的水处理相关流程之后，进入到MVR蒸发系统当中，对其所含有的盐和水做出分离处理，蒸汽冷凝水就会以清水的形态继续发挥水洗处理的相关功能。

2.3 MVR蒸发系统

MVR蒸发系统也被称为多效蒸发循环系统，此系统是将机械式蒸汽压缩技术作为基础，对其自身所产的二次蒸汽进行一定的压缩，使其温度和压力都可以一定的提升，然后以换热器充当蒸汽来进行使用，对蒸汽的潜能进行充分的利用。

在对MVR系统进行应用时，只需要在首次开机时采用外接的方式对系统进行加入处理，让其可以生成二次蒸汽，之后便不再需要外界的蒸汽提供。另外，MVR蒸发系统在占地面积比较小，且具有非常强的节能性特征，将其应用在飞灰水洗废水当中，具有一定的优势。将此项技术正式应用在水洗废气的蒸发制盐工作之前，被广泛应用在化工和海水淡化的相关领域当中，并且已经具有较为成熟和稳定的应用。

2.4 水泥窑协同处置系统

焚烧飞灰在经过水洗处理之后，其中Cl、K、Na等重金属离子都已经得到了有效清除，使得其对水泥窑的不利影响降到最低，保证水泥窑处于较为良好的工况当中。将经过水洗处理的飞灰和原材料混合一起，经由密封管道共同的输入到水泥窑高温段，让其接受半小时的高温（1400℃） 煅烧处置之后，其中的有机物质（二噁英） 会被完全分解。加之水泥窑的窑尾烟气处于碱性氛围当中，在经过多道吸附之后，已经对二次生成二噁英的物质进行了有效的抑制，对其再次合成的问题进行有效规避。而重金属已经被固化在水泥熟料的晶格当中，无法溶解和浸出，不会对环境产生不利影响，最终实现了无害化和资源化的飞灰处置流程。

3 水泥窑协同处置焚烧飞灰的技术优势

3.1 替代了部分原材料

焚烧飞灰的主要成分与水泥原料成分具有极强的相似性，可以使用飞灰来对水泥中的部分原料进行替代。相关人员将飞灰按照比例加入到水泥生料当中，发现飞灰替代原料的比例少于5%时，并不会对水泥熟料的各项指标产生不利影响。以此种方式来烧制水泥熟料，不仅可以减少固体废弃物处理的污染问题，还能对水泥原料的资源进行补充。

3.2 有效去除有机污染物

水泥窑具有温度高且持续时间长的特点，与危险废弃物焚烧的相关要求相吻合。据相关研究的内容可知，1100℃以上的温度的焚烧炉可以对危废物中有害成分起到分解的效果，并且具有彻底性，不容易导致二次污染的现象。而水泥窑的温度处于1400℃左右，焚烧飞灰可以得有效的处置，其中所含有的中各类有害成分都会被有效处理。加之水泥窑烟气在200 ～450℃区域具有较快的冷却速度，这就在很大程度上降低了此类物质的再次合成的可能性。

3.3 减少酸性有害气体的排放

当酸性气体进入到水泥窑中时，因水泥窑本身为碱性氛围，可以发挥出一定的吸附和过滤作用，尤其是对稳定性强的含Cl有机物可以实现较为明显的吸附。对SO、HCl和HF可以发挥出较强的中和性作用，同时也能对酸性物质的排放进行有效抑制，在有害气体的净化上可发挥出重要的作用。

3.4 将重金属的污染程度降至最低

焚烧飞灰虽然与水泥原料中的成分具有一定的相似性，但是若将焚烧飞灰直接地加入到水泥当中形成固化体，未对其中的重金属和有机污染物进行合理处理，使用起来会对周边的环境产生不良影响，容易引发污染问题。将焚烧飞灰加入到水泥窑中，会产生强烈的氧化反应，使得重金属等元素都受到固化影响，无法还原和溶出，并且在整个过程中也不容易产生灰渣问题，不需要进行二次处理，能够实现对污染扩散的有效规避。以焚烧飞灰为替代料而生产出来的矿渣硅酸盐水泥已经成为我国的主要的水泥品种之一，并在市场上广泛流通，其质量和效果都受到了认可，不管是对水泥行业而言，还是对环境保护来说，都发挥出了重要的价值。

3.5 降低焚烧飞灰处置成本

在对焚烧飞灰进行处置时，利用水泥窑协同处置技术可以在很大程度上降低成本，因为可以对水泥窑进行直接的利用，并配有相应的处理设备和烟气净化设施，只需将现有工艺为基础，进行一定的调整和优化，就可以实现相关的操作。

4 水泥窑协同处置焚烧飞灰的实际运行效果

4.1 水洗前后飞灰成分的变化情况

使用水泥窑协同技术对焚烧飞灰进行处置时，以最优水洗比例为依据来实施具体的工艺流程，不仅可以实现对固体废弃物中过量Cl的有效去除，也能让水洗后的飞灰达到入窑的相关要求，在节约用水量上也能发挥出重要的意义，从而实现水洗处理规模的降低，以减少投资和运行的费用支出。从以下表1 中可以看出，经过水洗的飞灰成分已经发生了一定变化，说明水泥窑协同处置技术可以实现对飞灰中Cl、K、Na、S 等有害元素的有效去除。

表1 水洗前后飞灰成分分析（%）

4.2 水洗次数对水洗效果的影响

对一次水洗、二次水洗和三次水洗所产生的元素影响情况进行简要分析，具体的影响结果可以如下表2 所示。将相同的总用水量作为基础的条件，二次水洗的飞灰对Cl、Na、K所产生的去除效果要高于一次水洗的效果，由此可说明二次水洗能够对飞灰进行更好地回收和利用，可以发挥出更强的效果。

表2 水洗次数对飞灰中元素的影响（%）

4.3 水洗方式对水洗效果的影响

水洗处理中水量的节约是需要关注的内容，而水洗方式对其产生影响的重要因素，因此需要对水洗方式所产生的元素影响进行简要分析。一般是以顺流漂洗和逆流漂洗两种方式来做出对比和分析。从下表3的结果可以看出，经过逆流漂洗之后的飞灰中各元素的含量并没有明显的升高现象，但是用水量却明显变低，说明逆流漂洗具有节约用水量的重要特征。

表3 水洗方式对飞灰中元素的影响（%）

4.4 污水预处理单元的处理效果

对飞灰水洗液中的各类元素含量进行一定分析可知（表4 所示），K、Na、Ca等元素以及氯化物的含量处于较高的水平，主要的重金属为Pb、Ba等，Ca元素及重金属会对后续的处理产生一定的影响，因此要经物理沉淀后加入化学试剂（NaS +FeSo，NaCO），对原水进行软化处理，并对原水中的危险成分含量进行降低。

表4 污水预处理单元对重金属的去除效果（mg·L-1）

4.5 处理飞灰对水泥窑煅烧及产量的影响

没有经过水洗处理的焚烧飞灰，因为受到大量钾钠氯等有害成分的影响，会给水泥窑的工况产生一定的影响： 比如，会增加预热器下料管、五级筒顶部和锥体结皮现象的发生概率，此种情况会直接地影响到下料管的直径范围，一旦出现结皮脱落的现象，就会造成阻塞的问题； 还有可能对烟气脱硝系统产生不良影响，导致喷氨效果的发生； 熟料提前结粒的问题也比较容易发生，会给熟料煅烧的效果产生直接的影响。

焚烧飞灰在经过水洗处理之后，其中的K、Na、Cl等有害元素都已经被有效去除，不容易对水泥窑的正常煅烧产生不良影响。另外，将飞灰加入到水泥窑中，可以在水泥生产中起到添加脱硫石膏的作用，对改善水泥熟料的硫碱比具有重要的促进作用。总体而言，水泥窑协同处置固体废弃物的方式对窑内的工况具有较高的要求，需要保持在持续且稳定的运行状态当中。

5 结语

综上所述，水泥窑协同处置焚烧飞灰可以对其中的有害成分进行有效去除，且采用三级逆流漂洗技术来开展飞灰的水洗处理工作，能够实现对用水量的有效节约，使得整个水洗过程中所产生的废水都经过循环后使用，实现完全零排放的目标。经过水洗处理的飞灰可以代替部分水泥原料进入到水泥窑中，经过高温煅烧之后，分解其中二噁英等有机毒物，固化重金属物质而不产生污染，真正地实现无害化、资源化、减量化处置，充分地发挥出该工艺技术的社会效益、环境效益和经济效益，以促进水泥行业的可持续发展。