危險固體廢棄物對水泥窯工況的影響

王玉楷，朱志領

1 引言

隨著我國社會經濟的發展，工業生產活動中產生的危險固體廢棄物（簡稱“危固廢”）日益增多，日益嚴格的環境保護標準使工業企業對危固廢的管理與處置壓力逐漸增大。由于危固廢處置的特殊性和危險性，若處置工藝技術和設備選擇不當，極易造成嚴重二次污染。相比較而言，新型干法水泥生產線回轉窯具有溫度高、熱容量大、工況穩定、氣（料）流在窯系統滯留時間長、湍流強烈、堿性氣氛等特點，以及最終水泥熟料產品具有有效固化作用，均使得水泥窯協同處置技術在處置含重金屬危固廢時，具有得天獨厚的優勢。但是危固廢入窯系統的處置量、熱值及水分，對水泥窯的熱工工況有一定影響，易造成窯系統風、煤、電、一氧化碳及氮氧化物排放量的波動。針對以上問題，我公司在4 500t/d水泥熟料生產線上進行了生產試驗，研究危固廢經固態系統（對危固廢進行破碎混合預處理的系統）預處理后，其熱值和水分對水泥窯風溫、煤耗、氮氧化物排放等的影響。

2 危固廢固態系統工藝流程及試驗方法

2.1 危固廢固態系統工藝流程

危固廢固態系統主要適用于處置水分<30%的危固廢。危固廢固態系統工藝流程見圖1。如圖1所示，危固廢經破碎、混合、計量后，通過膠帶輸送機送至水泥窯分解爐內進行焚燒處置。危固廢物料在儲坑內進行預均化處理時，應確保危固廢在混合過程中，不發生急劇增溫、爆炸、燃燒的化學反應，不產生有害氣體，同時禁止將不相容的危固廢進行混合。

圖1 危固廢固態系統工藝流程

2.2 試驗材料及測定方法

入窯危固廢主要包括污泥、除塵灰、大修渣、精餾殘渣等。為研究危固廢入窯對窯工況的影響，在2021 年處置危固廢的過程中，每日對危固廢固態系統儲坑物料取樣檢測2次，對危固廢含水率的測定采用減重法，對危固廢熱值的分析測定采用GB/T 212-2008《煤的工業分析方法》，同時，持續對窯工況及氮氧化物排放進行監測。

2.3 危固廢的搭配、混合及化學特性

危固廢的預處理，以除塵灰和大修渣為基底物料，搭配其他含水率及熱值偏高的精餾殘渣。因危固廢中的重金屬含量很低，在研究試驗時可忽略不計。為避免危固廢入窯導致窯系統下料不穩定，造成CO 和氮氧化物排放量波動，固態系統儲坑中危固廢物料混合均勻后，應疏松分散。入窯危固廢物料的配比應以物料實際狀態為準，并確保水分在固態系統要求范圍內。固態系統儲坑危固廢理化特性分析見表1，由表1可知，危固廢的主要理化性能差異在于其熱值及水分、氯、堿含量。

表1 固態系統儲坑危固廢理化特性分析

3 結果與分析

3.1 窯運行及危固廢監測指標情況

協同處置期間，窯系統運行指標及危固廢監測指標情況見表2。由表2 可以看出，2021 年生產期間，在1~10月份的危固廢處置過程中，水泥窯產量在176.02~189.93t/h，平均產量為182.72t/h；窯頭喂煤量在6.86~7.61t/h，平均窯頭喂煤量為7.30t/h；窯尾喂煤量在 11.43~13.16t/h，平均窯尾喂煤量為12.36t/h。熟料煅燒及危固廢處置過程中，CO排放濃 度 在 0.04%~0.10%，NOX排 放 濃 度 在 73.97~84.86mg/Nm3，整體排放濃度低于限值100mg/Nm3。

危固廢處置期間，窯二次風平均溫度為1 123.30℃，高出限定溫度23.30℃；三次風平均溫度為1 012.98℃，高出限定溫度12.98℃，且風溫整體隨著危固廢投加量的增加呈上升趨勢，表明危固廢入窯后，喂煤量仍有下降空間。

由表2 還可看出，生產期間，在危固廢投加過程中，進廠危固廢性狀與生產匹配不佳，儲坑物料熱值和水分波動較大，儲坑物料熱值總體在735.68~10 710.62kJ/kg，平均熱值為5 862.91kJ/kg，含水率在1.90%~44.90%，危固廢月平均處置量為1 032.70t。因危固廢水分和熱值波動，造成水泥窯CO和氮氧化物排放量波動。

表2 窯系統運行指標及危固廢監測指標情況（2021年）*

我公司持續對危固廢物料入爐量進行優化，確保連續穩定少量投料，以減少其對窯熱工制度的影響。在6~8月份的實際生產過程中，危固廢儲坑物料水分整體<30%，危固廢處置量單日最高達7t/h，其他時間的危固廢處置量穩定在4t/h以上。

3.2 危固廢入窯后熟料氯堿含量的變化

為確保熟料氯離子含量在國標限值內（0.060%），同時實現危固廢處置量的最大化，我公司在處置危固廢期間，將固態系統儲坑物料氯離子含量控制在1%以內，堿含量控制在4%以內，確保危固廢入窯后熟料氯離子含量<0.040%，堿含量<0.085%。因生料及危固廢中的硫含量較少，危固廢入窯硫含量對熟料的影響可忽略不計。

危固廢處置對熟料氯離子含量的影響見圖2。由圖 2 可知，2021 年 1~10 月，生料氯離子含量在0.024%~0.031%，危固廢投加后，熟料氯離子含量在0.019%~0.026%，且多低于生料氯離子含量。通過對生料、熟料氯離子含量分析可知，危固廢入窯后（未開旁路放風系統），部分氯離子會在水泥窯中循環富集，且循環富集率為47%~54%，平均循環富集率為51%，其余的氯離子最終富集到熟料中。

圖2 危固廢處置對熟料氯離子含量的影響

觀察8月份水泥窯生產情況發現，窯系統當月共運行20d，其中，有12d 的二次風溫波動較大，熟料游離氧化鈣偏高，窯結皮垮落，熟料綜合樣氯離子含量高達0.046%。

危固廢處置對熟料堿含量的影響見圖3。由圖3可知，生料堿含量在0.43%~0.79%，熟料堿含量在0.51%~0.83%，整體低于內控限值。

圖3 危固廢處置對熟料堿含量的影響

由此可見，目前對于儲坑有害元素的控制，可以保證熟料質量的穩定，且對水泥窯氯離子的循環富集能力影響較小，但窯風溫控制不好，易造成窯工況波動和窯結皮垮落，進而影響熟料質量。

3.3 危固廢入窯后窯工況指標的變化

危固廢性能指標與水泥窯工況指標的方差分析見表3。由表3 可知，危固廢入窯的熱值和水分顯著影響水泥窯喂煤量、一氧化碳及氮氧化物排放量（P<0.01）。窯頭、窯尾喂煤量及氮氧化物排放量隨危固廢熱值的升高呈降低趨勢，而二次風溫、三次風溫及一氧化碳排放量隨危固廢熱值的升高逐漸增加；水分對窯喂煤量、風溫、一氧化碳排放量的影響與熱值相反，即窯喂煤量、二次風溫、三次風溫及一氧化碳排放量隨危固廢水分的增加呈降低的趨勢，表明危固廢入窯協同處置有顯著的減煤作用，且危固廢的熱值利于氮氧化物減排。

表3 危固廢性能指標與水泥窯工況指標的方差分析

水泥窯氮氧化物主要有熱力型、燃料型和快速型氮氧化物三種類型。氮氧化物減排所需氨水用量取決于氮氧化物的總量及分解爐內氨水與氮氧化物的反應效率，在此暫不作理論分析。在實際生產中，進行危固廢協同處置前，單位熟料氨水平均用量為980L/h；協同處置后，單位熟料氨水平均用量為960L/h。危固廢儲坑的主要物料為大修渣和除塵灰，此類危固廢為鋁工業產生，多含氮化鋁，與含水率大的污泥和精餾殘渣混合后易產生氨氣，能夠促進氮氧化物還原。但入窯危固廢物料熱值需<10 450kJ/kg，水分<40%，若熱值和水分過高，則會使窯系統一氧化碳和氮氧化物排放量波動較大，窯內易形成還原氣氛。

水泥窯工況指標相關系數見表4。窯系統各指標的相關分析表明，窯尾氮氧化物的排放量與用煤量呈顯著正相關，尤其受窯尾喂煤量的影響（Corr=0.796 5）。窯系統氮氧化物排放量整體隨著用煤量的增加而增加，而隨著危固廢（除塵灰和大修渣）處置量的增加，窯喂煤量顯著降低，氮氧化物排放量則有降低的趨勢，表明氮氧化物排放主要與煤耗相關而危固廢（除塵灰和大修渣）的投加，有助于窯系統煤耗的降低，緩解了煤對氮氧化物的影響，減少了氮氧化物的生成量。

表4 水泥窯工況指標相關系數

3.4 危固廢入窯后煤耗的變化

3.4.1 理論計算

因窯系統熱傳導率波動較大，且窯體溫度變化不一，本文以熱傳導效率為60%來計算處置危固廢期間的煤耗。

根據表2 數據可知，處置危固廢期間，月平均處置量為 1 032.70t，平均熱值為 5 862.90kJ/kg，平均水分為25.98%，平均燒失量為21.91%。按進入水泥窯1kg水，消耗的熱量為4 267.68kJ計，相當于消耗0.146kg標煤[3]。由此計算：

（1）每月危固廢水分從常溫20℃升至分解爐870℃，所需要消耗的熱量為：

（2）每月危固廢灰分需要消耗的熱量為：

（3）每月危固廢燃燒放熱為：

（4）每月處置危固廢凈生成的熱量為式（3）-式（2）-式（1），即：

生成的熱量相當于每月可節省標煤 203 969.39kg。月平均熟料產量按87 264.99t計，噸熟料可節省標煤2.34kg。

3.4.2 生產驗證

危固廢處置前后窯系統標煤耗變化見圖4。由圖4可知，2020 年未處置危固廢前，窯系統噸熟料標煤消耗為99.24~103.21kg，平均為 101.90kg；協同處置危固廢后，窯系統噸熟料 標 煤 耗 為 96.77~101.03kg，平均為98.19kg，整體噸熟料標煤耗降低了3.21kg。由此可見，協同處置危固廢后，窯系統實際生產減煤量比理論減煤量多0.87kg/t.cl，主要是因為危固廢處置期間，水泥窯錯峰停窯，月熟料產量、危固廢處置量、水分和熱值有較大差異，以平均值計算會造成部分誤差。

圖4 危固廢處置前后窯系統標煤耗變化

4 結語

（1）窯系統用煤量是氮氧化物排放量的主要影響因素，而大修渣和除塵灰的入窯，提高了系統風溫，有顯著的減煤作用，進而減排了氮氧化物。危固廢月處置量為1 000t時，理論計算窯系統減煤量達到2.34kg/t。

（2）入窯危固廢處置量為4t/h 時，為避免窯內產生還原氣氛，入窯危固廢氯離子含量應<1%，堿含量<4%。此控制指標下的有害元素在窯內循環富集，不會影響水泥窯的正常運行，氯離子循環富集率平均為51%。