從重金屬含量角度討論水泥窯協同處置垃圾量的計算

胡 光

（合肥水泥研究設計院有限公司，合肥 230051）

0 前 言

近年來，水泥窯協同處置生活垃圾的技術在我國發展迅速，工程應用的數量也呈現出急劇增加之勢。水泥窯系統能給垃圾提供合適的高溫環境和比較長的停留時間，這個特點給處置生活垃圾提供了有效性、安全性、環保性。但是，為了保證能完全安全無害地處置生活垃圾，保證生產的熟料與水泥能符合產品質量標準，應該針對水泥窯的特點、待處置生活垃圾的特點進行精確計算，確定合理的、最佳的處理量，以確保不會帶來二次污染與危害。

1 水泥窯協同處置能力的討論

根據相關研究資料，水泥窯協同處置生活垃圾處理能力的影響因素主要有以下幾個方面：（1）水泥窯系統的生產能力；（2）水泥窯系統窯尾高溫風機的余量；（3）待處理生活垃圾中各種重金屬元素的含量；（4）待處理生活垃圾中Cl元素的含量。本文主要從生活垃圾中各種重金屬元素的含量的角度，來分析計算特定水泥窯的協同處置生活垃圾的能力，并提出最佳的處理量。

在協同處理生活垃圾的水泥窯系統中，重金屬的來源主要有三個方面：原料、燃料、生活垃圾；重金屬的流向也主要是三個方面：被熟料固化、隨窯灰排出、隨煙氣和粉塵排出。而根據德國水泥工業研究所的成果，大多數重金屬在熟料中的吸收率達到了90%，即使是對于揮發性極高的Hg，其吸收率也可達50%。因此，為了確保熟料及其生產的水泥在長期使用中浸出釋放的重金屬的量在安全范圍內，控制入窯物料中的各種重金屬的含量顯得尤為關鍵。

2 水泥窯協同處置能力的確定

2.1 從原料配料分析垃圾摻入量

采用水泥窯協同處理城市生活垃圾，無論采用哪種工藝，在熟料燒成上，都要滿足一個要求：即焚燒后的灰渣作為了熟料生產的原料。那么，生活垃圾焚燒后的灰渣作為原料入窯時應能滿足配料三率值的要求，從而能生產出符合質量要求的熟料。從這個角度，以下分析生活垃圾能否滿足原料配料的要求。

以C城市某生活垃圾的數據樣本為例，進行配料計算分析。C城市生活垃圾（干基）樣本的熱值為2 850kJ/kg，其完全燃燒后的灰渣成分見表1，完全燃燒后的灰渣的重量約為原生垃圾的21%～29%，本案例中，計算時暫取23%。配料計算采用H水泥廠為樣本，回轉窯生產能力為5 000t/d熟料，燒成熱耗3 135kJ/kg-cl（750kCal/kg-cl），原煤熱值為 20 900kJ/kg-cl（5 000kCal/kg），原煤灰分為13.43%。原、燃料成分見表2。以下將按100t/d、300t/d、500t/d……1 700t/d等9種摻入量等量遞增的方案進行配料計算，配料計算結果見表3。根據計算結果，在上述9種垃圾摻入量的情況下，都能滿足《硅酸鹽水泥熟料》（GB/T 21372-2008）對熟料質量的要求。因此，從原料配料方面來看，在100t/d～1 700t/d垃圾摻入量范圍內，5 000t/d熟料生產線都是可以接受的。

2.2 從控制重金屬含量角度分析垃圾摻入量

（1）樣本數據。

C城市生活垃圾樣本的重金屬含量和H水泥廠的原、燃料樣本的重金屬含量見表4。

表1 C城市生活垃圾焚燒后的灰渣成分（%）

表2 H水泥廠原料及燃料成分（%）

表3 不同垃圾摻入量下的配料計算情況

（2）標準規范要求。

經過查閱相關標準，對于水泥產品與熟料產品，在GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》和GB/T 21372-2008《硅酸鹽水泥熟料》，沒有明確的重金屬含量要求；而以下標準中對重金屬含量有要求：

①HJ 662-2013《水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》中，對于在利用水泥窯協同處置固體廢物時的重金屬投加量有明確的要求，見表5。

②GB 30760-2014《水泥窯協同處置固體廢物技術規范》中提出，入窯生料中重金屬含量不宜超過表5中規定的參考限值。同時該標準中對水泥窯協同處置固體廢物時生產的水泥熟料中重金屬元素含量也提出了限值要求。

綜合分析以上標準，本文在計算中，計算方法與控制標準主要以GB30760標準為主，控制標準數值見表5。

（3）入窯生料中重金屬含量的計算。

在進行計算前，先設定以下假設條件：該熟料生產線按標準產量5 000t/d生產，料耗為1.65，生料需求量為8 250t/d。

在生活垃圾摻入水泥窯后，為水泥窯提供了熱量，水泥窯燒成的原煤用量會相應減少，根據熱量貢獻比例，經過計算，生料灼燒基、垃圾灰渣、煤灰三者的比例如表6所示。

在計算時，主要依據GB 30760-2014提出的計算方法，采用下式計算：

式中：Ri—水泥窯協同處置固體廢物后投料期間，生料中第i類重金屬含量，mg/kg；

i—重金屬種類;

j—水泥窯協同處置固體廢物種類，包含在生料制備系統、分解爐和回轉窯系統里投加的固體廢物;

Wij—第j類固體廢物（灼燒基）的第i種重金屬含量，mg/kg；

αj—第j類固體廢物（灼燒基）折算到生料中的配料比例，%；

Mi—煤灰中第i種重金屬含量，mg/kg；

β—煤灰折算到生料中的配料比例，%；

Rri—不投加固體廢物期間，生料中第i類重金屬含量，mg/kg；

表4 樣本數據（mg/kg）

表5 標準規范對入窯物料重金屬含量的要求（mg/kg）

表6 不同垃圾摻入量下入窯生料各組分的比例（%）

表7 不同垃圾摻入量（t/d）下入窯生料中的重金屬含量（mg/kg）

表8 不同重金屬元素達到標準限值時垃圾的摻入量

根據以上闡述的計算原理與假設條件，以下僅以計算生活垃圾100t/d摻量下入窯生料中的Cd元素含量為例對計算方法進行詳細說明。

與以上計算方法相同，按垃圾投入量100t/d、300t/d……直至1 700t/d，來計算入窯物料重金屬的含量。所有重金屬元素的計算結果如表7、表8所示。

從上述具備計算條件的Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Mn、As等8種重金屬的計算結果來看，重金屬Cr和Mn成為了限制入窯垃圾處理量的主要因素。理論上，對于以上樣本，在水泥窯的熟料產量為5 000t/d時，入窯的處理量不能超過1 347t/d。

3 需考慮的其它因素

實際上，根據HJ 662-2013《水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》，通過理論計算，對于一條5 000t/d熟料生產線，一般生活垃圾的處理量不超過500t/d。這是因為，城市生活垃圾中，一般Cl-的含量較高，其濃度含量遠高于正常的水泥生產原料。因此，在計算水泥窯協同處置城市生活垃圾的最佳處理量時，對于摻加垃圾后生料中各重金屬元素含量的計算，一般作為輔助計算。

根據相關研究成果對于As、Pb、Zn等重金屬離子，水泥窯高溫煅燒及后續水化作用有助于其更穩定化學形態的形成，不易形成二次污染。而Cr3+在水泥窯煅燒過程中易被氧化為遷移性和毒性更強的Cr6+，因此含Cr3+的廢物不適合采用水泥窯協同處置方式。

4 結束語

另外，在使用水泥窯協同處置固體廢物時，為了減少重金屬的影響，還有以下建議：

（1）協同處置固體廢物的水泥窯生產的水泥產品中污染物浸出，應滿足相關的國家標準要求。

（2）從協同處置生活垃圾水泥窯循環系統排出的窯灰和旁路放風收集的粉塵，如直接摻入水泥粉磨系統，應嚴格控制其摻加比例，確保水泥產品質量符合國家相關標準要求。