從重金屬含量角度討論水泥窯協(xié)同處置垃圾量的計算

胡 光

（合肥水泥研究設(shè)計院有限公司，合肥 230051）

0 前 言

近年來，水泥窯協(xié)同處置生活垃圾的技術(shù)在我國發(fā)展迅速，工程應(yīng)用的數(shù)量也呈現(xiàn)出急劇增加之勢。水泥窯系統(tǒng)能給垃圾提供合適的高溫環(huán)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(huán)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(chǎn)的熟料與水泥能符合產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)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(xié)同處置能力的討論

根據(jù)相關(guān)研究資料，水泥窯協(xié)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(tǒng)的生產(chǎn)能力；（2）水泥窯系統(tǒng)窯尾高溫風(fēng)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(xié)同處置生活垃圾的能力，并提出最佳的處理量。

在協(xié)同處理生活垃圾的水泥窯系統(tǒng)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(jù)德國水泥工業(yè)研究所的成果，大多數(shù)重金屬在熟料中的吸收率達到了90%，即使是對于揮發(fā)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(chǎn)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(nèi)，控制入窯物料中的各種重金屬的含量顯得尤為關(guān)鍵。

2 水泥窯協(xié)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(xié)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(chǎn)的原料。那么，生活垃圾焚燒后的灰渣作為原料入窯時應(yīng)能滿足配料三率值的要求，從而能生產(chǎn)出符合質(zhì)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)窯生產(chǎn)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(jié)果見表3。根據(jù)計算結(jié)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(zhì)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(nèi)，5 000t/d熟料生產(chǎn)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(shù)據(jù)。

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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

經(jīng)過查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對于水泥產(chǎn)品與熟料產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)中對重金屬含量有要求：

①HJ 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》中，對于在利用水泥窯協(xié)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(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》中提出，入窯生料中重金屬含量不宜超過表5中規(guī)定的參考限值。同時該標(biāo)準(zhǔn)中對水泥窯協(xié)同處置固體廢物時生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)，本文在計算中，計算方法與控制標(biāo)準(zhǔn)主要以GB30760標(biāo)準(zhǔn)為主，控制標(biāo)準(zhǔn)數(shù)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(shè)定以下假設(shè)條件：該熟料生產(chǎn)線按標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量5 000t/d生產(chǎn)，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(yīng)減少，根據(jù)熱量貢獻比例，經(jīng)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(jù)GB 30760-2014提出的計算方法，采用下式計算：

式中：Ri—水泥窯協(xié)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(xié)同處置固體廢物種類，包含在生料制備系統(tǒng)、分解爐和回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)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(shù)據(jù)（mg/kg）

表5 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(biāo)準(zhǔn)限值時垃圾的摻入量

根據(jù)以上闡述的計算原理與假設(shè)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(jié)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(jié)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(chǎn)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(jù)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》，通過理論計算，對于一條5 000t/d熟料生產(chǎn)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(chǎn)原料。因此，在計算水泥窯協(xié)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(jù)相關(guān)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(xù)水化作用有助于其更穩(wěn)定化學(xué)形態(tài)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(xié)同處置方式。

4 結(jié)束語

另外，在使用水泥窯協(xié)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(xié)同處置固體廢物的水泥窯生產(chǎn)的水泥產(chǎn)品中污染物浸出，應(yīng)滿足相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）從協(xié)同處置生活垃圾水泥窯循環(huán)系統(tǒng)排出的窯灰和旁路放風(fēng)收集的粉塵，如直接摻入水泥粉磨系統(tǒng)，應(yīng)嚴(yán)格控制其摻加比例，確保水泥產(chǎn)品質(zhì)量符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。