水泥窑协同处置一般工业固废的改造

2023-02-21曾瑞新

中国资源综合利用 2023年1期

曾瑞新，周浩

（浙江环科环境研究院有限公司，杭州 310020）

社会经济的发展使得固体废物产生量明显增加，为避免环境遭到破坏，要采用合理的处置方式。当前，新型干法水泥窑协同处置技术便在工业固废处理方面发挥重要作用。该技术不仅可以实现固体废物资源化，减少资源消耗，缓解行业产能过剩，还能通过无害化处理减少污染物排放，满足绿色环保要求，使企业承担应尽的社会责任[1]。据统计，2021年，我国有新型干法水泥熟料生产线1 639条，水泥熟料产能约为18.34亿t，产能利用率为74%。碳达峰碳中和背景下，水泥生产企业急需减少水泥生产碳酸盐矿物分解等产生的直接CO2排放，减少传统化石燃料燃烧等产生的间接CO2排放。水泥窑协同处置技术早已成为德国、美国、日本等国家固体废物的主要处理方式。按照协同处置的废弃物种类，水泥窑协同处置技术可分为协同处置生活垃圾技术、协同处置危险废物技术、协同处置市政污泥技术等；按照具体工艺路径，水泥窑协同处置技术可分为替代原料类协同处置技术、替代燃料类协同处置技术、非原燃料类协同处置技术等[2]。目前，全国多地已建成或正在建设水泥窑协同处置生活垃圾、危险废物、市政污泥等的生产线。本文以某水泥生产企业为例，对设计产能5 000 t/d的新型干法水泥熟料生产线进行改造，从而协同处置一般工业固废。

1 水泥窑协同处置一般工业固废的优势

1.1 污染排放少，处置能力强

水泥熟料主要包含4种矿物质，即硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF）以及硅酸三钙（C3S）。这些矿物质分别在不同温度条件下形成。C2S的形成温度为800 ℃，当温度为900～1 100 ℃时，便会产生C3A与C4AF。随着温度的持续升高，C3A与C4AF的形成量会大幅增加，温度为1 100～1 200 ℃时，二者的形成量达到峰值。温度超过1 200 ℃以后，液相出现，C2S充分吸收大量的游离氧化钙后便会有大量C3S生成[3]。当温度达到1 450 ℃时，部分不具备挥发性的金属便会基于液相烧结进入熟料矿物晶格内，之后与物料中的碱性物质发生反应，使得熟料矿物充满重金属盐类，以抑制重金属的挥发性，达到固化目的。从水泥熟料煅烧对重金属的固化率来看，Cr为90%，Cu为97%，Cd为98%，Pb为98%，Ni为99%，Mn为99.9%，As为91%，Ti为90%，而Hg很小（约3%）。

1.2 替代原料，减少资源消耗

水泥窑可以协同处置一般工业固废，一般以现有设备为基础，增添预处理系统。经过预处理系统处理，工业固废可以作为水泥生料的替代原料。水泥窑协同处置一般工业固废，可以充分挖掘一般工业固废的资源潜力，实现水泥生产与固废处理的双赢。

1.3 化解水泥行业过剩产能，促进绿色转型发展

当前，我国水泥行业产能严重过剩，而水泥窑协同处置技术是化解过剩产能的重要途径[4]。水泥窑协同处置技术可以化解水泥行业过剩产能，促进水泥生产企业实现绿色转型发展。

2 水泥窑协同处置一般工业固废的改造背景

随着社会经济的不断发展，工业固废产生量越来越多，若处理不当，则会威胁生态环境及人体健康[5]。近年来，我国工业固废污染事件频发，涉及尾矿、废钢渣、煤矸石、磷石膏、工业污泥处置和废弃船舶拆解等。作为最主要的管理者，政府应当肩负起消除固体废物威胁的责任。美国、日本等国很早就开始利用水泥窑协同处置一般工业固废，积累了丰富的协同处置经验，处置效果明显，成功解决固体废物处置问题，促进了经济发展。碳达峰碳中和背景下，该水泥生产企业对现有新型干法水泥熟料生产线（设计产能5 000 t/d）进行适当改造，以协同处置一般工业固废，包括转炉渣、铁合金炉渣、粉煤灰和脱硫石膏。不同一般工业固废的主要化学成分如表1、表2所示。

表1 4类一般工业固废的主要化学成分

表2 脱硫石膏的主要化学成分

3 水泥窑协同处置一般工业固废的改造方案

本项目中，一般工业固废依托水泥熟料生产线进行焚烧处置。新型干法回转窑有1个常规原料投加点，位于生料磨。相较于专业焚烧炉，水泥窑协同处置的核心优势是能节省设施建设成本，无须对水泥窑进行过多改造，通常改造仅局限于废物投加口[6]。

3.1 生料磨进料方式

水泥窑生料磨进料主要是一般工业固废。一般工业固废在辅料暂存库进行简单筛分和破碎等预处理，然后直接进入水泥生产的生料粉磨工艺，随后经六级预热器预热，再进入分解炉及水泥窑内煅烧。一般工业固废从生料磨进入水泥窑，经煅烧，其中的SiO2等无机成分最终变为水泥熟料，重金属则被固化在水泥熟料中，酸性气体与高温、高细度、高浓度、高吸附性、高均匀性分布的碱性物料（CaO、CaCO3、SiO2、Al2O3、Fe2O3等）充分接触，使得有机成分转化成无机盐类固定下来，有效地抑制酸性物质的排放。焚烧尾气进入布袋除尘器进行收尘，处理合格的尾气达标排放至大气中。尾气处理系统配有在线监测设备，对排放的气体进行监测，确保尾气达标排放。

3.2 水泥磨处理工艺

本项目的混合料、脱硫石膏均进入水泥磨处理工艺，混合料、脱硫石膏和熟料均储存在水泥配料站，按设定的配料比例卸出，然后由皮带机输送至水泥粉磨系统。出水泥磨的成品经斗提机送入水泥库储存，水泥通过设在仓底的散装机直接散装出厂。水泥窑协同处置一般工业固废的工艺流程如图1所示。该系统所用设备较少，工艺简单，不会对原生产系统产生较大影响，在一些环境受限的场地也适用。

图1 工艺流程

4 运行情况

水泥窑协同处置一般工业固废时，应按《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》（HJ 662—2013）的重金属投加要求进行配伍。同时，为稳定操作工艺参数，减少对水泥窑系统的影响，提高废物处理效率，对待处理废物进行预处理。预处理后，废物含水率应小于50%，粒径应小于25 mm；剔除大粒径的石块、建筑垃圾、铁块等杂物；废物混合均匀，性质均一，有害物质应满足上述标准的重金属投加控制要求。本项目重金属最大允许投加量如表3所示。

表3 重金属最大允许投加量

运行结果显示，在满足生料与熟料重金属含量限值的条件下，一般工业固废投入量虽对水泥窑系统产生一定影响，但是在可承受的范围之内。因此，本项目对于处置炉渣、粉煤粉、脱硫石膏等一般工业固废具有一定的参考价值。

5 水泥窑协同处置一般工业固废的主要问题

脱硫石膏因其物理特性（黏度高、湿度大）造成的系统堵卡十分严重，并且容易黏附设备，对生产连续性和设备安全运行均有较大的危害，需要进行合理处置。合理布置脱硫石膏和混合料的进料顺序，将脱硫石膏布置于熟料称与混合料称之间，并保证脱硫石膏的下料点位于皮带的正中位置，通过熟料（温度相对较高）蒸发掉脱硫石膏的水分，避免脱硫石膏黏附皮带，净化现场环境，减少劳动强度。

进场固废中各控制指标（重金属）不一，要对各批次进场固废进行监测分析，再按《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》（HJ 662—2013）的相关要求进行配伍，防止影响水泥品质和污染物超标排放。