淺談水泥窯協(xié)同處置生活垃圾焚燒飛灰技術(shù)

黃 慶，王 偉，馬東光，趙利卿，李 惠

（1.天津中材工程研究中心有限公司，天津 300400；2.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430000）

1 研究背景

近幾年中國水泥窯協(xié)同處置廢棄物規(guī)模不斷擴大，截至2019 年底，涉及到共計171 條水泥熟料生產(chǎn)線，且在建、擬建項目還有很多。究其原因，從經(jīng)濟技術(shù)上來說，水泥窯協(xié)同處置較傳統(tǒng)的焚燒處置具有投資少、規(guī)模大等優(yōu)勢，同時能將污染程度降到最低，水泥窯熟料燒制過程中溫度達1 600 ℃，物料停留時間達30 min，因此廢棄物在水泥窯中燃燒充分，有機物能夠徹底分解，有效抑制二噁英以及其他污染物質(zhì)的形成，降低有毒有害物質(zhì)的排放，無二次灰渣產(chǎn)生，焚燒灰渣直接作為水泥原料利用[1-5]。

據(jù)統(tǒng)計估算，到2025 年底，中國生活垃圾焚燒處理能力達到80 萬t/d，按照飛灰產(chǎn)生量占垃圾量的3%～5%計算[6]，飛灰產(chǎn)生量約3 萬t/d。飛灰處置和利用的難點在于其中的重金屬、氯鹽和二噁英。二噁英是劇毒化合物，是1～2 個氧原子上接2 個苯環(huán)，在苯環(huán)不同位置上取代氯原子。其中2、3、7、8 位置上取代的毒性最大，相當于氰化鉀的1 000 倍，砒霜的900倍，因此被國家列入HW18 類危險廢棄物。

2 飛灰性質(zhì)

生活垃圾焚燒飛灰呈灰白色或深灰色，含水率低，一般呈棒狀、棉絮狀、球狀等不定形狀態(tài)，飛灰顆粒大小不一，粒徑一般在4～100 μm 之間，具有孔隙率高及比表面積大的特點。飛灰的主要化學成分是CaO、SiO2和Al2O3，主要是因為煙氣脫硫脫硝過程中噴射有大量的消石灰。其特性決定了其在水泥窯處置過程中不需增加破碎設(shè)備，同時其成分也證明了其作為水泥原料的可行性。

國內(nèi)不同地區(qū)不同生活垃圾焚燒處置方式的飛灰化學成分分析如表1 所示。

表1 國內(nèi)不同地區(qū)生活垃圾焚燒飛灰化學成分結(jié)果（單位：%）

從表中可以看出，飛灰中20%～55%的成分為氧化鈣，主要是因為噴射了大量的熟石灰或石灰漿來中和生活垃圾焚燒過程中煙氣中氯化氫以及二氧化硫等酸性氣體。燒失量高跟生活垃圾不完全燃燒以及煙氣處理時用活性炭來吸附二噁英等因素有關(guān)。氯離子作為各種建材產(chǎn)品的控制指標，限制了飛灰的資源化利用，從表中可以看出氯離子質(zhì)量分數(shù)波動在0.4%～9.5%之間，有資料表明，隨著垃圾分類，焚燒飛灰中的氯離子有達到20%以上的。

3 水泥窯協(xié)同處置飛灰技術(shù)

3.1 飛灰直噴技術(shù)

飛灰直噴技術(shù)是指儲庫倉內(nèi)的飛灰通過氣力輸送等方法被引入水泥窯高溫區(qū)焚燒處置的方法，其流程圖如圖1 所示。

圖1 生活垃圾焚燒飛灰直噴流程圖

該技術(shù)適用于氯離子質(zhì)量分數(shù)低的飛灰，這主要是由水泥窯的特性以及水泥產(chǎn)品質(zhì)量和煙氣排放控制決定的。首先是因為水泥窯內(nèi)氣相溫度最高可達1 800 ℃，物料溫度約為1 450 ℃，飛灰中的氯化物容易在窯內(nèi)揮發(fā)，隨煙氣回到窯尾煙室、分解爐等部位且隨溫度降低逐漸轉(zhuǎn)化為固態(tài)。氯化物在水泥窯系統(tǒng)中不斷循環(huán)往復，不停地在氣液固相轉(zhuǎn)化，容易引起結(jié)皮堵塞[7]，當結(jié)皮嚴重時，水泥生產(chǎn)線無法正常運轉(zhuǎn)。如圖2 所示，結(jié)皮現(xiàn)象是系統(tǒng)中硫和氯綜合影響的結(jié)果，當水泥生產(chǎn)線中生料硫和氯質(zhì)量分數(shù)確定后，飛灰中氯質(zhì)量分數(shù)應(yīng)越低越好。其次，GB 30485—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標準》規(guī)定了煙氣排放中氯化氫最高允許排放質(zhì)量濃度為10 mg/m3，HJ 662—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護技術(shù)規(guī)范》也規(guī)定入窯物料中氯元素質(zhì)量分數(shù)不應(yīng)大于0.04%。飛灰中氯離子過高可能會導致入窯物料超過相關(guān)規(guī)定，造成水泥產(chǎn)品不合格或水泥窯結(jié)皮現(xiàn)象嚴重，妨礙正常生產(chǎn)。

圖2 硫氯與窯內(nèi)過度結(jié)皮的關(guān)系

為了解決系統(tǒng)中氯、硫等元素對水泥窯生產(chǎn)過程造成的不良影響，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，保證產(chǎn)品質(zhì)量，水泥廠一般會采用旁路放風技術(shù)解決。該技術(shù)是目前解決水泥窯內(nèi)氯離子質(zhì)量分數(shù)過高的最有效途徑。旁路放風是指將窯尾煙室至分解爐上升煙道的氣體放出一部分，起到有效緩解窯內(nèi)硫氯過高而引起結(jié)皮問題的技術(shù)手段。國內(nèi)資料介紹的旁路放風裝置多采用5%～30%的放風量，間歇放風，原因是在相同放風量的條件下，間歇放風比連續(xù)放風能夠排除更多的揮發(fā)成分。但旁路放風出來的灰一般還是摻加到后續(xù)的水泥產(chǎn)品中去，此種方法對于通過計算水泥生料和飛灰中氯離子之和超過水泥產(chǎn)品中的氯離子相關(guān)規(guī)定不適用。

3.2 飛灰水洗+水泥窯焚燒技術(shù)

如前面所說，水泥窯大比例消納飛灰受氯離子的限制，而飛灰中氯離子質(zhì)量分數(shù)可高達20%，高氯飛灰采用直噴技術(shù)處置的話，處置量非常小。因此，需對高氯飛灰進行脫氯預處理，一般采取水洗的方式除氯，為了盡可能降低單位質(zhì)量飛灰除氯時的耗水量，水洗方式通常采取三級或者多級逆流漂洗。水洗之后的飛灰氯離子降低至1%甚至更低，經(jīng)烘干后入水泥窯高溫區(qū)處置，水泥熟料生產(chǎn)過程的污染控制應(yīng)符合GB 30485—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標準》和HJ 662—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護技術(shù)規(guī)范》的要求。水洗產(chǎn)生的高鹽廢水則是利用化學法和膜法耦合，去除廢水中的懸浮物及微量重金屬（分離出重金屬渣經(jīng)固化后作為危險廢物填埋），降低硬度和堿度。最后，通過膜蒸餾將高鹽水預濃縮到一定濃度后，疊加MVR 蒸發(fā)和鹽結(jié)晶分鹽技術(shù)，獲取純度較高的氯化鈉和氯化鉀的工業(yè)鹽。濃縮產(chǎn)出凈水循環(huán)洗灰利用，工藝廢水不外排。其中，由飛灰水洗后產(chǎn)生的工業(yè)鹽由于沒有達到相關(guān)的國家標準，最保險的處理措施還是剛性填埋。也有通過相關(guān)的企業(yè)標準或團體標準后作為工業(yè)鹽外售的。對于水洗可能會使飛灰中的二噁英進入水體的問題，由于二噁英極難溶于水，一般認為水洗液中的二噁英主要是由水中飛灰小顆粒吸附引起的，經(jīng)過沉淀過濾等手段可去除。重金屬經(jīng)過藥劑沉淀去除后，殘留微量在水體中，經(jīng)過蒸發(fā)后轉(zhuǎn)移到結(jié)晶鹽中，如重金屬富集過多的話，存在一定環(huán)境風險。因此，蒸發(fā)鹽中重金屬需嚴格控制。生活垃圾焚燒飛灰經(jīng)過三次逆流水洗預處理后入水泥窯處置的流程圖如圖3 所示。

圖3 飛灰水洗+入窯處置流程圖

生活垃圾焚燒飛灰水洗后入水泥窯高溫區(qū)焚燒已有多個相關(guān)工程案例。北京金隅琉水環(huán)保科技有限公司（前身為北京琉璃河水泥有限公司）作為國內(nèi)首條飛灰工業(yè)化處置示范線，已運行十多年，其飛灰處置示范線主要包括飛灰水洗、烘干預處理系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)及配套設(shè)施。廢氣集中收集處理后達標排放，水泥窯廢氣實施脫硝治理，排水實施雨污分離，飛灰清洗廢水經(jīng)污水處理設(shè)施處理后重復回用，固體危險廢棄物按規(guī)定收集、儲存并全部進入水泥窯高溫煅燒處置[8]。目前大多數(shù)水泥廠協(xié)同處置飛灰也采用此路線。

3.3 其他

飛灰作為危險廢棄物主要是因為它含有重金屬和二噁英，理論上通過預處理手段消除毒性后即可作為原料資源化利用。預處理技術(shù)針對飛灰中的氯離子可采用水洗技術(shù)大幅降低，三級逆流水洗可以在相同氯離子洗出率的情況下降低單位飛灰用水量；重金屬可以采用酸浸提的手段提取重金屬，重金屬資源回收，也可結(jié)合后續(xù)的資源化利用條件高溫固化；降解二噁英可采用低溫熱解在250～400 ℃缺氧環(huán)境中維持1 h以上，同時尾氣急冷至60 ℃以下避免再次合成二噁英，或者和重金屬一樣，結(jié)合后續(xù)的資源化已有的條件在850 ℃高溫下焚燒處置。通過以上降低氯含量、降解二噁英以及固化或提取重金屬后，達到相關(guān)國家標準，方可作為水泥、路基、堤壩等的替代原料。

4 結(jié)束語

生活垃圾焚燒飛灰中含有大量的鈣硅鋁等可作為建筑原料利用，但前提是消除或降低其中的氯離子、重金屬和二噁英。水泥窯特有的環(huán)境能降解二噁英，固化重金屬，但對氯離子的容忍性很低，大規(guī)模處置前需通過預處理技術(shù)降低氯離子。通過預處理技術(shù)消除飛灰的毒性后，生產(chǎn)水泥等產(chǎn)品理論上也是可行的，需要相關(guān)的標準支持。