水泥窯協同處置一般工業固廢的改造

曾瑞新，周 浩

（浙江環科環境研究院有限公司，杭州 310020）

社會經濟的發展使得固體廢物產生量明顯增加，為避免環境遭到破壞，要采用合理的處置方式。當前，新型干法水泥窯協同處置技術便在工業固廢處理方面發揮重要作用。該技術不僅可以實現固體廢物資源化，減少資源消耗，緩解行業產能過剩，還能通過無害化處理減少污染物排放，滿足綠色環保要求，使企業承擔應盡的社會責任[1]。據統計，2021年，我國有新型干法水泥熟料生產線1 639條，水泥熟料產能約為18.34億t，產能利用率為74%。碳達峰碳中和背景下，水泥生產企業急需減少水泥生產碳酸鹽礦物分解等產生的直接CO2排放，減少傳統化石燃料燃燒等產生的間接CO2排放。水泥窯協同處置技術早已成為德國、美國、日本等國家固體廢物的主要處理方式。按照協同處置的廢棄物種類，水泥窯協同處置技術可分為協同處置生活垃圾技術、協同處置危險廢物技術、協同處置市政污泥技術等；按照具體工藝路徑，水泥窯協同處置技術可分為替代原料類協同處置技術、替代燃料類協同處置技術、非原燃料類協同處置技術等[2]。目前，全國多地已建成或正在建設水泥窯協同處置生活垃圾、危險廢物、市政污泥等的生產線。本文以某水泥生產企業為例，對設計產能5 000 t/d的新型干法水泥熟料生產線進行改造，從而協同處置一般工業固廢。

1 水泥窯協同處置一般工業固廢的優勢

1.1 污染排放少，處置能力強

水泥熟料主要包含4種礦物質，即硅酸二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）、鐵鋁酸四鈣（C4AF）以及硅酸三鈣（C3S）。這些礦物質分別在不同溫度條件下形成。C2S的形成溫度為800 ℃，當溫度為900～1 100 ℃時，便會產生C3A與C4AF。隨著溫度的持續升高，C3A與C4AF的形成量會大幅增加，溫度為1 100～1 200 ℃時，二者的形成量達到峰值。溫度超過1 200 ℃以后，液相出現，C2S充分吸收大量的游離氧化鈣后便會有大量C3S生成[3]。當溫度達到1 450 ℃時，部分不具備揮發性的金屬便會基于液相燒結進入熟料礦物晶格內，之后與物料中的堿性物質發生反應，使得熟料礦物充滿重金屬鹽類，以抑制重金屬的揮發性，達到固化目的。從水泥熟料煅燒對重金屬的固化率來看，Cr為90%，Cu為97%，Cd為98%，Pb為98%，Ni為99%，Mn為99.9%，As為91%，Ti為90%，而Hg很小（約3%）。

1.2 替代原料，減少資源消耗

水泥窯可以協同處置一般工業固廢，一般以現有設備為基礎，增添預處理系統。經過預處理系統處理，工業固廢可以作為水泥生料的替代原料。水泥窯協同處置一般工業固廢，可以充分挖掘一般工業固廢的資源潛力，實現水泥生產與固廢處理的雙贏。

1.3 化解水泥行業過剩產能，促進綠色轉型發展

當前，我國水泥行業產能嚴重過剩，而水泥窯協同處置技術是化解過剩產能的重要途徑[4]。水泥窯協同處置技術可以化解水泥行業過剩產能，促進水泥生產企業實現綠色轉型發展。

2 水泥窯協同處置一般工業固廢的改造背景

隨著社會經濟的不斷發展，工業固廢產生量越來越多，若處理不當，則會威脅生態環境及人體健康[5]。近年來，我國工業固廢污染事件頻發，涉及尾礦、廢鋼渣、煤矸石、磷石膏、工業污泥處置和廢棄船舶拆解等。作為最主要的管理者，政府應當肩負起消除固體廢物威脅的責任。美國、日本等國很早就開始利用水泥窯協同處置一般工業固廢，積累了豐富的協同處置經驗，處置效果明顯，成功解決固體廢物處置問題，促進了經濟發展。碳達峰碳中和背景下，該水泥生產企業對現有新型干法水泥熟料生產線（設計產能5 000 t/d）進行適當改造，以協同處置一般工業固廢，包括轉爐渣、鐵合金爐渣、粉煤灰和脫硫石膏。不同一般工業固廢的主要化學成分如表1、表2所示。

表1 4類一般工業固廢的主要化學成分

表2 脫硫石膏的主要化學成分

3 水泥窯協同處置一般工業固廢的改造方案

本項目中，一般工業固廢依托水泥熟料生產線進行焚燒處置。新型干法回轉窯有1個常規原料投加點，位于生料磨。相較于專業焚燒爐，水泥窯協同處置的核心優勢是能節省設施建設成本，無須對水泥窯進行過多改造，通常改造僅局限于廢物投加口[6]。

3.1 生料磨進料方式

水泥窯生料磨進料主要是一般工業固廢。一般工業固廢在輔料暫存庫進行簡單篩分和破碎等預處理，然后直接進入水泥生產的生料粉磨工藝，隨后經六級預熱器預熱，再進入分解爐及水泥窯內煅燒。一般工業固廢從生料磨進入水泥窯，經煅燒，其中的SiO2等無機成分最終變為水泥熟料，重金屬則被固化在水泥熟料中，酸性氣體與高溫、高細度、高濃度、高吸附性、高均勻性分布的堿性物料（CaO、CaCO3、SiO2、Al2O3、Fe2O3等）充分接觸，使得有機成分轉化成無機鹽類固定下來，有效地抑制酸性物質的排放。焚燒尾氣進入布袋除塵器進行收塵，處理合格的尾氣達標排放至大氣中。尾氣處理系統配有在線監測設備，對排放的氣體進行監測，確保尾氣達標排放。

3.2 水泥磨處理工藝

本項目的混合料、脫硫石膏均進入水泥磨處理工藝，混合料、脫硫石膏和熟料均儲存在水泥配料站，按設定的配料比例卸出，然后由皮帶機輸送至水泥粉磨系統。出水泥磨的成品經斗提機送入水泥庫儲存，水泥通過設在倉底的散裝機直接散裝出廠。水泥窯協同處置一般工業固廢的工藝流程如圖1所示。該系統所用設備較少，工藝簡單，不會對原生產系統產生較大影響，在一些環境受限的場地也適用。

圖1 工藝流程

4 運行情況

水泥窯協同處置一般工業固廢時，應按《水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》（HJ 662—2013）的重金屬投加要求進行配伍。同時，為穩定操作工藝參數，減少對水泥窯系統的影響，提高廢物處理效率，對待處理廢物進行預處理。預處理后，廢物含水率應小于50%，粒徑應小于25 mm；剔除大粒徑的石塊、建筑垃圾、鐵塊等雜物；廢物混合均勻，性質均一，有害物質應滿足上述標準的重金屬投加控制要求。本項目重金屬最大允許投加量如表3所示。

表3 重金屬最大允許投加量

運行結果顯示，在滿足生料與熟料重金屬含量限值的條件下，一般工業固廢投入量雖對水泥窯系統產生一定影響，但是在可承受的范圍之內。因此，本項目對于處置爐渣、粉煤粉、脫硫石膏等一般工業固廢具有一定的參考價值。

5 水泥窯協同處置一般工業固廢的主要問題

脫硫石膏因其物理特性（黏度高、濕度大）造成的系統堵卡十分嚴重，并且容易黏附設備，對生產連續性和設備安全運行均有較大的危害，需要進行合理處置。合理布置脫硫石膏和混合料的進料順序，將脫硫石膏布置于熟料稱與混合料稱之間，并保證脫硫石膏的下料點位于皮帶的正中位置，通過熟料（溫度相對較高）蒸發掉脫硫石膏的水分，避免脫硫石膏黏附皮帶，凈化現場環境，減少勞動強度。

進場固廢中各控制指標（重金屬）不一，要對各批次進場固廢進行監測分析，再按《水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》（HJ 662—2013）的相關要求進行配伍，防止影響水泥品質和污染物超標排放。

6 結語

本文對設計產能5 000 t/d的新型干法水泥熟料生產線進行改造，運用水泥窯協同處置一般工業固廢，技術優勢突出。水泥窯協同處置一般工業固廢，可以有效降低一般工業固廢對環境的污染，減少資源浪費，解決產能過剩問題，最終實現水泥行業的可持續發展。