協(xié)同處置危險廢物對水泥的生產(chǎn)影響研究

馬長鵬，方 磊，左積良，武艷麗，孫少龍

(1 海螺創(chuàng)業(yè)河南中心實驗室，河南 洛陽 471000；2 洛陽海中環(huán)保科技有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000)

水泥窯協(xié)同處置危險廢物技術(shù)在國內(nèi)是一種比較成熟的處置固體廢物的常規(guī)技術(shù)手段，已有許多研究及相關(guān)報道[1-3]。水泥窯協(xié)同處置固體廢物具有焚燒溫度高,停留時間長,焚燒狀態(tài)穩(wěn)定減少能源、資源消耗等特點。研究表明,水泥窯協(xié)同處置和高溫焚燒技術(shù)是我國持久性危險廢物處置技術(shù)的較優(yōu)選擇，而利用水泥回轉(zhuǎn)窯處理危險廢物近年來也受到越來越多的關(guān)注，水泥窯協(xié)同處置技術(shù)具有成本較低,對污染物去除率高等優(yōu)勢。

本研究依托河南某水泥廠新型干法水泥熟料生產(chǎn)工藝,利用水泥窯協(xié)同處置固體廢物,現(xiàn)場監(jiān)測[4]協(xié)同處置過程中水泥熟料回轉(zhuǎn)窯況情況,檢測熟料的品質(zhì)[5-6]，分析水泥窯協(xié)同處置危險廢物的環(huán)境風(fēng)險,為我國水泥窯處置危險廢物技術(shù)的發(fā)展提供基礎(chǔ)的研究依據(jù)。

1 原料替代分析

固廢處置量占原料投加量的比例比較小，對熟料率值影響小，故在實際生產(chǎn)過程中，均沒有考慮固廢成分對水泥窯率值波動的影響。據(jù)此可知，水泥窯實際生產(chǎn)熟料142500 t/月，因固廢的投加，生料實際投加量為222676 t/月，協(xié)同處置后物料配料如表1所示。

表1 配料計算(協(xié)同處置后)

續(xù)表1

從表1可知，熟料產(chǎn)能增加的同時，固廢的投加對熟料率值產(chǎn)生一定影響，但都在可控范圍之內(nèi)。共計可節(jié)省3059.7 t/月的生料，其中原料1、原料2、原料3、原料4分別節(jié)省2600.3 t/月、274.6 t/月、97.5 t/月、87.3 t/月。

生料替代率=3059.7/142500/1.63=1.32%

2 煤粉替代分析

協(xié)同處置項目一般處置的系統(tǒng)包括漿渣系統(tǒng)、固態(tài)系統(tǒng)、入磨系統(tǒng)、直噴系統(tǒng)等考慮到入磨系統(tǒng)的廢物熱值含量一般比較低。在對煤粉替代分析時，僅分析入分解爐內(nèi)的廢物。

(1)在不考慮原料替代節(jié)煤的前提下，僅固廢投加引起的局部熱平衡計算如表2和表3所示。

表2 煤粉替代入熱

表3 煤粉替代出熱

從表2～表3的熱平衡計算可以看出，固廢平均熱值在1269 kcal/kg時，可替代的煤粉量按照水泥廠的煤粉發(fā)熱量計算，可替代8.02 t/月。

(2)除氯系統(tǒng)開啟引起的熱平衡(開啟時間按照80 h/月考慮，根據(jù)實際情況調(diào)整)，計算如表4和表5所示。

表4 除氯系統(tǒng)熱平衡入熱

表5 除氯系統(tǒng)熱平衡出熱

從表4～表5的熱平衡計算可以看出，除氯系統(tǒng)的開啟增加煤耗，按照3%的放風(fēng)量及80 h的開啟時間計算，增加的煤粉量按照水泥廠的煤粉發(fā)熱量計算，需增加煤粉18.87 t/月。

(3)因固廢替代生料總量為3059.7 t/月，按照燒成熱耗，即712 kcal/kg來考慮，則煤粉替代量為223.68 t/月。

綜上所述，因固廢投加帶入的熱值(入分解爐的固廢平均熱值為1269 kcal/kg)，直接表現(xiàn)出的煤粉替代為8.02 t/d，即實際煤粉的減少量；若同步開啟除氯系統(tǒng)，隨著開啟時間的增加，煤耗增加越大，實際表現(xiàn)可能為水泥煤粉的增加。但是，考慮到水泥產(chǎn)能的增加，隱性節(jié)省煤粉量為223.68 t/月，以本次分析為基準(zhǔn)，綜合可替代煤粉量為212.83 t/月，即煤粉替代率為1.25%，對于水泥企業(yè)直接表現(xiàn)是：實際投加的煤粉量可能沒有減少，但是因水泥產(chǎn)能的增加，單位熟料熱耗減少。

3 高溫風(fēng)機影響分析

對于水泥窯協(xié)同處置項目，風(fēng)機的影響主要受風(fēng)機入口的溫度、壓力及風(fēng)量的影響，高溫風(fēng)機處溫度及壓力按照230 ℃及6000 Pa來考慮，尾排風(fēng)機處溫度及壓力按照92 ℃及2500 Pa來考慮，風(fēng)量增加計算如下：

(1)入分解爐固廢水分蒸發(fā)廢氣：1412834.9 Nm3/月；

(2)入生料磨固廢水分蒸發(fā)廢氣：111154.2 Nm3/月；

(3)固廢燃燒廢氣：2229729.4 Nm3/月；

(4)煤粉燃燒廢氣減少：-49729.2 Nm3/月；

(5)除氯系統(tǒng)廢氣按照現(xiàn)有設(shè)計回到高溫風(fēng)機前端，即無影響。

綜上，窯尾高溫風(fēng)機處廢氣合計增加：3592835 Nm3/月(標(biāo)況)=7036431 m3/月(工況)，窯尾高溫風(fēng)機合計增加電耗14659 kWh/月。

窯尾尾排風(fēng)機處廢氣合計增加：3703989 Nm3/月(標(biāo)況)=5077497 m3/月(工況)，窯尾高溫風(fēng)機合計增加電耗4407 kWh/月。

4 余熱發(fā)電影響分析

對余熱發(fā)電的影響主要是因為C1旋風(fēng)筒出口的風(fēng)量變化導(dǎo)致的發(fā)電量增減，考慮到除氯系統(tǒng)的廢氣是接入到高溫風(fēng)機入口處，根據(jù)上面分析可知，總風(fēng)量增加3352835 Nm3/月。

據(jù)余熱發(fā)電效率，風(fēng)溫為310 ℃的廢氣，每增加1000 Nm3的風(fēng)量，其發(fā)電量約增加11 kWh，據(jù)此計算出余熱發(fā)電增加36881 kWh/月。

5 氨水用量對比

氮氧化物主要來源于熱力型、燃料型及快速型三種類型，氨水用量取決于分解內(nèi)氮氧化物的總量及分解爐內(nèi)氨水與氮氧化物的反應(yīng)效率，整個過程較為復(fù)雜，現(xiàn)有階段暫不能從理論上進行直接分析。根據(jù)生產(chǎn)實際情況，對比如下：

協(xié)同處置前單位熟料氨水平均用量：1450 L/h；

協(xié)同處置后單位熟料氨水平均用量：1400 L/h；

綜合可減少氨水用水量(注意氨水濃度)(1450-1400)×142500/1000=7125 m3/月。假定氨水濃度為20%(密度0.9230)，則所需氨水量為1315.3 t/月。

6 二氧化碳減排分析

根據(jù)《中國水泥生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南》指定的核算范圍，同時根據(jù)煤粉的工業(yè)分析及煤粉熱值，推算出煤粉中碳元素的含量約為63%，推算固廢碳元素的含量約為13%，可知：

(1)入分解爐固廢替代煤粉8.02 t/月，即CO2減排量為18.5 t/月；

(2)入分解爐固廢干基量1486.6 t/月，即CO2增排量為436.5 t/月；

(3)除氯系統(tǒng)開啟增加煤粉18.87 t/月，即CO2增排量為43.6 t/月；

(4)原料替代減少煤粉223.68 t/月，即CO2減排量為517.2 t/月；

(5)原料替代量為3059.7 t/月，根據(jù)水泥窯生產(chǎn)的物料平衡計算，C1旋風(fēng)筒出口產(chǎn)生的CO2氣體量約為0.25 Nm3/kg-cl(扣除煤粉燃燒產(chǎn)生的CO2)，故因原料替代可減排的CO2量為921.8 t/月；

(6)氨水減少折算的煤粉量減少了2585.4 t/月，即CO2減排量為5972.3 t/月。

綜上，因固廢投加帶來的CO2總量合計減排6949.7 t/月。根據(jù)水泥窯生產(chǎn)的物料平衡計算，C1旋風(fēng)筒出口產(chǎn)生的CO2氣體量約為0.42 Nm3/kg-cl(扣除煤粉燃燒產(chǎn)生的CO2)，故生產(chǎn)142500 t的熟料可產(chǎn)生CO2量為117563 t，CO2減排率超過5.91%。

7 結(jié) 論

水泥窯協(xié)同處置危險廢物后，水泥熟料化學(xué)成分和產(chǎn)品質(zhì)量基本未受到不利影響，并且在一定程度上較大幅度的降低了原材料、原煤、高溫風(fēng)機、氨水及二氧化碳的排放量。因此，水泥窯協(xié)同處置危險廢物是一種環(huán)境友好性的處置方式。