水泥窯協(xié)同處置一般工業(yè)固廢的改造

曾瑞新，周 浩

（浙江環(huán)科環(huán)境研究院有限公司，杭州 310020）

社會經(jīng)濟的發(fā)展使得固體廢物產(chǎn)生量明顯增加，為避免環(huán)境遭到破壞，要采用合理的處置方式。當(dāng)前，新型干法水泥窯協(xié)同處置技術(shù)便在工業(yè)固廢處理方面發(fā)揮重要作用。該技術(shù)不僅可以實現(xiàn)固體廢物資源化，減少資源消耗，緩解行業(yè)產(chǎn)能過剩，還能通過無害化處理減少污染物排放，滿足綠色環(huán)保要求，使企業(yè)承擔(dān)應(yīng)盡的社會責(zé)任[1]。據(jù)統(tǒng)計，2021年，我國有新型干法水泥熟料生產(chǎn)線1 639條，水泥熟料產(chǎn)能約為18.34億t，產(chǎn)能利用率為74%。碳達(dá)峰碳中和背景下，水泥生產(chǎn)企業(yè)急需減少水泥生產(chǎn)碳酸鹽礦物分解等產(chǎn)生的直接CO2排放，減少傳統(tǒng)化石燃料燃燒等產(chǎn)生的間接CO2排放。水泥窯協(xié)同處置技術(shù)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(xié)同處置的廢棄物種類，水泥窯協(xié)同處置技術(shù)可分為協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)、協(xié)同處置危險廢物技術(shù)、協(xié)同處置市政污泥技術(shù)等；按照具體工藝路徑，水泥窯協(xié)同處置技術(shù)可分為替代原料類協(xié)同處置技術(shù)、替代燃料類協(xié)同處置技術(shù)、非原燃料類協(xié)同處置技術(shù)等[2]。目前，全國多地已建成或正在建設(shè)水泥窯協(xié)同處置生活垃圾、危險廢物、市政污泥等的生產(chǎn)線。本文以某水泥生產(chǎn)企業(yè)為例，對設(shè)計產(chǎn)能5 000 t/d的新型干法水泥熟料生產(chǎn)線進(jìn)行改造，從而協(xié)同處置一般工業(yè)固廢。

1 水泥窯協(xié)同處置一般工業(yè)固廢的優(yōu)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(zhì)，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(zhì)分別在不同溫度條件下形成。C2S的形成溫度為800 ℃，當(dāng)溫度為900～1 100 ℃時，便會產(chǎn)生C3A與C4AF。隨著溫度的持續(xù)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(dá)到峰值。溫度超過1 200 ℃以后，液相出現(xiàn)，C2S充分吸收大量的游離氧化鈣后便會有大量C3S生成[3]。當(dāng)溫度達(dá)到1 450 ℃時，部分不具備揮發(fā)性的金屬便會基于液相燒結(jié)進(jìn)入熟料礦物晶格內(nèi)，之后與物料中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使得熟料礦物充滿重金屬鹽類，以抑制重金屬的揮發(fā)性，達(dá)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(xié)同處置一般工業(yè)固廢，一般以現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)，增添預(yù)處理系統(tǒng)。經(jīng)過預(yù)處理系統(tǒng)處理，工業(yè)固廢可以作為水泥生料的替代原料。水泥窯協(xié)同處置一般工業(yè)固廢，可以充分挖掘一般工業(yè)固廢的資源潛力，實現(xiàn)水泥生產(chǎn)與固廢處理的雙贏。

1.3 化解水泥行業(yè)過剩產(chǎn)能，促進(jìn)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展

當(dāng)前，我國水泥行業(yè)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，而水泥窯協(xié)同處置技術(shù)是化解過剩產(chǎn)能的重要途徑[4]。水泥窯協(xié)同處置技術(shù)可以化解水泥行業(yè)過剩產(chǎn)能，促進(jìn)水泥生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展。

2 水泥窯協(xié)同處置一般工業(yè)固廢的改造背景

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，工業(yè)固廢產(chǎn)生量越來越多，若處理不當(dāng)，則會威脅生態(tài)環(huán)境及人體健康[5]。近年來，我國工業(yè)固廢污染事件頻發(fā)，涉及尾礦、廢鋼渣、煤矸石、磷石膏、工業(yè)污泥處置和廢棄船舶拆解等。作為最主要的管理者，政府應(yīng)當(dāng)肩負(fù)起消除固體廢物威脅的責(zé)任。美國、日本等國很早就開始利用水泥窯協(xié)同處置一般工業(yè)固廢，積累了豐富的協(xié)同處置經(jīng)驗，處置效果明顯，成功解決固體廢物處置問題，促進(jìn)了經(jīng)濟發(fā)展。碳達(dá)峰碳中和背景下，該水泥生產(chǎn)企業(yè)對現(xiàn)有新型干法水泥熟料生產(chǎn)線（設(shè)計產(chǎn)能5 000 t/d）進(jìn)行適當(dāng)改造，以協(xié)同處置一般工業(yè)固廢，包括轉(zhuǎn)爐渣、鐵合金爐渣、粉煤灰和脫硫石膏。不同一般工業(yè)固廢的主要化學(xué)成分如表1、表2所示。

表1 4類一般工業(yè)固廢的主要化學(xué)成分

表2 脫硫石膏的主要化學(xué)成分

3 水泥窯協(xié)同處置一般工業(yè)固廢的改造方案

本項目中，一般工業(yè)固廢依托水泥熟料生產(chǎn)線進(jìn)行焚燒處置。新型干法回轉(zhuǎn)窯有1個常規(guī)原料投加點，位于生料磨。相較于專業(yè)焚燒爐，水泥窯協(xié)同處置的核心優(yōu)勢是能節(jié)省設(shè)施建設(shè)成本，無須對水泥窯進(jìn)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(jìn)料方式

水泥窯生料磨進(jìn)料主要是一般工業(yè)固廢。一般工業(yè)固廢在輔料暫存庫進(jìn)行簡單篩分和破碎等預(yù)處理，然后直接進(jìn)入水泥生產(chǎn)的生料粉磨工藝，隨后經(jīng)六級預(yù)熱器預(yù)熱，再進(jìn)入分解爐及水泥窯內(nèi)煅燒。一般工業(yè)固廢從生料磨進(jìn)入水泥窯，經(jīng)煅燒，其中的SiO2等無機成分最終變?yōu)樗嗍炝希亟饘賱t被固化在水泥熟料中，酸性氣體與高溫、高細(xì)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(zhuǎn)化成無機鹽類固定下來，有效地抑制酸性物質(zhì)的排放。焚燒尾氣進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行收塵，處理合格的尾氣達(dá)標(biāo)排放至大氣中。尾氣處理系統(tǒng)配有在線監(jiān)測設(shè)備，對排放的氣體進(jìn)行監(jiān)測，確保尾氣達(dá)標(biāo)排放。

3.2 水泥磨處理工藝

本項目的混合料、脫硫石膏均進(jìn)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(shè)定的配料比例卸出，然后由皮帶機輸送至水泥粉磨系統(tǒng)。出水泥磨的成品經(jīng)斗提機送入水泥庫儲存，水泥通過設(shè)在倉底的散裝機直接散裝出廠。水泥窯協(xié)同處置一般工業(yè)固廢的工藝流程如圖1所示。該系統(tǒng)所用設(shè)備較少，工藝簡單，不會對原生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，在一些環(huán)境受限的場地也適用。

圖1 工藝流程

4 運行情況

水泥窯協(xié)同處置一般工業(yè)固廢時，應(yīng)按《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（HJ 662—2013）的重金屬投加要求進(jìn)行配伍。同時，為穩(wěn)定操作工藝參數(shù)，減少對水泥窯系統(tǒng)的影響，提高廢物處理效率，對待處理廢物進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理后，廢物含水率應(yīng)小于50%，粒徑應(yīng)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(zhì)均一，有害物質(zhì)應(yīng)滿足上述標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(yè)固廢投入量雖對水泥窯系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響，但是在可承受的范圍之內(nèi)。因此，本項目對于處置爐渣、粉煤粉、脫硫石膏等一般工業(yè)固廢具有一定的參考價值。

5 水泥窯協(xié)同處置一般工業(yè)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(tǒng)堵卡十分嚴(yán)重，并且容易黏附設(shè)備，對生產(chǎn)連續(xù)性和設(shè)備安全運行均有較大的危害，需要進(jìn)行合理處置。合理布置脫硫石膏和混合料的進(jìn)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(fā)掉脫硫石膏的水分，避免脫硫石膏黏附皮帶，凈化現(xiàn)場環(huán)境，減少勞動強度。

進(jìn)場固廢中各控制指標(biāo)（重金屬）不一，要對各批次進(jìn)場固廢進(jìn)行監(jiān)測分析，再按《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（HJ 662—2013）的相關(guān)要求進(jìn)行配伍，防止影響水泥品質(zhì)和污染物超標(biāo)排放。

6 結(jié)語

本文對設(shè)計產(chǎn)能5 000 t/d的新型干法水泥熟料生產(chǎn)線進(jìn)行改造，運用水泥窯協(xié)同處置一般工業(yè)固廢，技術(shù)優(yōu)勢突出。水泥窯協(xié)同處置一般工業(yè)固廢，可以有效降低一般工業(yè)固廢對環(huán)境的污染，減少資源浪費，解決產(chǎn)能過剩問題，最終實現(xiàn)水泥行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。