水泥窯協(xié)同處置垃圾焚燒飛灰技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

唐新宇，黃慶

水泥窯協(xié)同處置飛灰，是指將垃圾焚燒飛灰作為原料投加到水泥生產(chǎn)工藝中，替代部分水泥原料，有效去除或稀釋飛灰中富集的二惡英等有機(jī)污染物，最終實(shí)現(xiàn)飛灰的資源化處置的過程。飛灰中存在大量的氯和重金屬，因此必須有效避免飛灰對(duì)水泥生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的影響。目前，隨著我國(guó)垃圾焚燒飛灰處置需求的不斷增加，水泥窯協(xié)同處置飛灰技術(shù)越來越受到重視。

1 垃圾焚燒飛灰的主要成分

我國(guó)不同地區(qū)垃圾焚燒飛灰的化學(xué)分析如表1所示。

焚燒垃圾的鍋爐類型不同（如鏈條爐和循環(huán)流化床），各地垃圾組成不同（如有機(jī)質(zhì)含量不同），導(dǎo)致各地垃圾焚燒飛灰的氯元素含量差距較大，出現(xiàn)了不同的水泥窯協(xié)同處置方式。

2 垃圾焚燒飛灰的危害

垃圾在焚燒過程中的主要污染物有SO2、NOX、CO、HCl、煙塵和二惡英。二惡英（PCDD/FS）是一種毒性很大的有害成分，是多氯代二苯PCDD和多氯代二苯并呋喃PCDF的統(tǒng)稱。垃圾焚燒過程中產(chǎn)生含有大量二惡英的飛灰，去除二惡英的主要方式是利用袋式除塵器收集附著二惡英的粉塵。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，我國(guó)華北、華東和華南地區(qū)二惡英毒性當(dāng)量（TEQ）分別為7.53ng/g、1.52g/g和0.44g/g[1]。二惡英類有機(jī)污染物化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，在環(huán)境中可通過食物鏈不斷富集，進(jìn)入人體后較難排出，將對(duì)人類的健康構(gòu)成危害。此外，很多學(xué)者也對(duì)二惡英中的重金屬進(jìn)行了研究，我國(guó)垃圾焚燒飛灰中的重金屬污染主要有Pb、Cd、Hg和Zn等[2]。因此，我國(guó)對(duì)生活垃圾焚燒飛灰的運(yùn)輸、貯存和處置都有著極為嚴(yán)格的規(guī)定，避免對(duì)環(huán)境和人類健康構(gòu)成危害，以及二次污染的產(chǎn)生。

表1 不同地區(qū)垃圾焚燒飛灰的化學(xué)分析，%

3 水泥窯協(xié)同處置垃圾焚燒飛灰的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）飛灰可以作為水泥替代原料

垃圾焚燒飛灰的主要成分是CaO、SiO2、Fe2O3、K2O、Na2O等，與水泥的生料成分類似，加入水泥窯后，比較容易與生料各成分搭配。

有文獻(xiàn)報(bào)道[3]，將垃圾焚燒飛灰作為原料之一配置的水泥生料，當(dāng)焚燒飛灰的替代比例在一定范圍內(nèi)時(shí)，不會(huì)對(duì)熟料的抗壓強(qiáng)度造成影響。

（2）能夠有效去除高溫區(qū)的二惡英等有機(jī)污染物

在水泥工藝窯內(nèi)燒成工段，火焰的高溫區(qū)溫度在1 800～2 200℃，物料溫度在1 450℃左右，溫度范圍大大高于危險(xiǎn)廢物焚燒要求，二惡英類有機(jī)物能夠徹底分解。另外，窯尾分解爐的溫度在850～900℃，已經(jīng)達(dá)到危險(xiǎn)廢棄物二燃爐的反應(yīng)溫度，有利于減少二惡英的再次生成。

（3）減少酸性有害氣體的排放

常規(guī)危險(xiǎn)廢棄物焚燒過程中的氯元素，容易形成HCl氣體逸出。而在水泥窯尾的分解爐中，碳酸鈣分解為氧化鈣，HCl氣體被中和，可以有效抑制HCl的排放，便于控制水泥窯尾氣排放。

（4）能夠?qū)⒅亟饘俟袒谒嗍炝现?/p>

過去我國(guó)常采用將垃圾焚燒飛灰直接與水泥混合固化填埋的方式，這既浪費(fèi)土地資源也容易對(duì)地下水和土壤造成污染。而采用水泥窯協(xié)同處置垃圾焚燒飛灰后，其中的重金屬元素被固化在水泥熟料中，既不產(chǎn)生灰渣，也不會(huì)溶出污染環(huán)境。

（5）處置成本較低

采用水泥窯協(xié)同處置焚燒飛灰，相比其他處置技術(shù)，不需要新建成套的處理設(shè)備，且不需要單獨(dú)的煙氣處置設(shè)施，因此建設(shè)成本大大低于其他處置方式。從運(yùn)行成本上看，相比其他處置方法，采用水泥窯協(xié)同處置焚燒飛灰沒有增加新的能源消耗，運(yùn)行成本也較低。此外，為了鼓勵(lì)水泥企業(yè)協(xié)同處置飛灰，《危險(xiǎn)廢物豁免管理清單》中特別提出：生活垃圾焚燒飛灰處置滿足GB 30485-2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，飛灰進(jìn)入水泥窯協(xié)同處置，處置過程不按危險(xiǎn)廢物管理。在降低投資的同時(shí)，也提高了企業(yè)的積極性。

3.2 缺點(diǎn)

（1）氯化物循環(huán)富集

飛灰進(jìn)入水泥窯協(xié)同處置時(shí)，對(duì)水泥生產(chǎn)有害的物質(zhì)主要是氯。氯化物以氯化鈉和氯化鉀為例，氯化鈉的熔點(diǎn)為801℃，沸點(diǎn)為1 465℃；氯化鉀的熔點(diǎn)為770℃，沸點(diǎn)為1 420℃。

水泥窯窯尾涉及到氯化物熔解和揮發(fā)的部位如圖1所示。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，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)不斷循環(huán)往復(fù)，在氣液固相間不斷轉(zhuǎn)化，容易造成結(jié)皮堵塞。

圖1 水泥窯窯尾有關(guān)區(qū)域溫度范圍圖

Shin P H[4]等將飛灰摻加到水泥生料中制造硅酸鹽水泥，飛灰中含有的氯在窯系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)富集，在窯尾不斷地冷卻、揮發(fā)，引發(fā)了結(jié)皮堵塞；當(dāng)飛灰摻加量增加時(shí)，水泥的抗壓強(qiáng)度不斷下降；提出了利用旁路放風(fēng)將氯元素釋放出窯系統(tǒng)，打破其在水泥窯系統(tǒng)的循環(huán)，從而使水泥窯協(xié)同處置飛灰順利進(jìn)行。

（2）二惡英排放超標(biāo)的可能性

上文已提及，在水泥工藝的回轉(zhuǎn)窯和分解爐中，溫度均高于800℃時(shí)，二惡英會(huì)被大量破壞。但是當(dāng)煙氣從分解爐、C5流出后，從800℃降低到300℃（C1出口）的停留時(shí)間過長(zhǎng)，二惡英有可能在這個(gè)范圍內(nèi)二次生成。筆者在國(guó)內(nèi)水泥廠進(jìn)行RDF焚燒時(shí)測(cè)試二惡英濃度，多次發(fā)生二惡英超標(biāo)情況。同時(shí)，目前國(guó)內(nèi)處置垃圾焚燒飛灰的項(xiàng)目數(shù)量較少，排放數(shù)據(jù)尚不豐富，因此二惡英排放超標(biāo)的可能性有待于進(jìn)一步研究。

4 水泥窯協(xié)同處置垃圾焚燒飛灰的技術(shù)路線

4.1 直接入窯處置

某些垃圾焚燒飛灰氯含量較低，甚至低于3%，若要實(shí)現(xiàn)飛灰直接入窯，需嚴(yán)格控制飛灰的加入量，同時(shí)配套旁路放風(fēng)系統(tǒng)，圖2是國(guó)內(nèi)某垃圾焚燒飛灰直接入窯系統(tǒng)的示意圖。

飛灰運(yùn)輸進(jìn)廠后，利用飛灰輸送車自帶的輸送泵將飛灰輸送到飛灰鋼板庫中儲(chǔ)存；利用壓縮空氣通過飛灰輸送泵將鋼板庫中的飛灰輸送到飛灰喂料倉；通過飛灰噴槍將飛灰加入到窯尾煙室或分解爐中，實(shí)現(xiàn)飛灰的處置。另外，該系統(tǒng)同時(shí)配備了旁路放風(fēng)系統(tǒng)，可將氯元素釋放到窯灰中。最終窯灰與水泥熟料混合，加入到水泥磨中。

安徽海螺川崎工程有限公司[5]、北京新北水水泥有限責(zé)任公司[6]均有相關(guān)專利，除了加入到窯尾，還可直接加入到窯頭燃燒器中焚燒，實(shí)現(xiàn)與窯尾分解爐相同的效果。

4.2 水洗后入窯處置

很多垃圾焚燒飛灰的氯含量高達(dá)10%～20%，這種飛灰顯然不能直接入窯，因此應(yīng)對(duì)其進(jìn)行脫氯處置后再入窯。脫氯的主要手段是水洗，目前我國(guó)唯一投入運(yùn)行的是金隅琉璃河水泥廠的3萬噸/年水泥窯協(xié)同處置高氯飛灰示范線，其水洗主要工藝流程見圖3。

將高氯含量的飛灰經(jīng)過三次逆流水洗后，氯元素可以洗出90%～95%，飛灰中的氯含量可以降低到1%以下。國(guó)內(nèi)也有大量的研究證明，多次水洗后，飛灰中的氯可以大部分被除去[7]。水洗處置的核心是如何盡可能地減少水的用量，同時(shí)減少廢水的排出和降低旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的能源消耗。金隅琉璃河水泥廠水泥窯協(xié)同處置飛灰示范線的飛灰實(shí)際處置量可達(dá)110～130t/d，水灰比約3：1，實(shí)現(xiàn)了飛灰的無害化、減量化與資源化處置。

圖2 垃圾焚燒飛灰直接入窯的示意圖

圖3 水洗工藝流程示意圖

水洗后入窯處置技術(shù)方案面臨的主要問題是，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后的鹽的出路問題。根據(jù)GB 5085.7-2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)通則》6.1：具有毒性（包括浸出毒性、急性毒性及其他毒性）和感染性等一種或一種以上危險(xiǎn)特性的危險(xiǎn)廢物處理后的廢物仍屬于危險(xiǎn)廢物，國(guó)家有關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)另有規(guī)定的除外。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)以后的鹽，仍為危險(xiǎn)廢物。根據(jù)GB/T 5462-2015《工業(yè)鹽國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》1范圍：本標(biāo)準(zhǔn)適用于以海水（含沿海地區(qū)地下鹵水）、鹽湖中采掘的鹽或以鹽湖鹵水、巖鹽或地下鹵水為原料制成的工業(yè)用鹽。因此旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)以后得到的鹽不適用于工業(yè)鹽標(biāo)準(zhǔn)。

雖然目前尚未提出有效的解決方案，但即便是將鹽退回到填埋處置中，高氯飛灰經(jīng)水洗后處置也實(shí)現(xiàn)了減量化的目標(biāo)，比直接填埋具有更好的環(huán)境效益。

5 結(jié)語

目前我國(guó)已經(jīng)開始大力推廣水泥窯協(xié)同處置飛灰項(xiàng)目，水泥窯協(xié)同處置垃圾焚燒飛灰不僅可以實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒飛灰處置，而且可以替代部分水泥原料，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。低氯含量飛灰適用于直接入窯處置，我國(guó)已經(jīng)開始相關(guān)的工業(yè)示范；而高氯含量飛灰處置已經(jīng)有了示范線，其相關(guān)的處置技術(shù)也在不斷發(fā)展。