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(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430000）

1 研究背景

近幾年中國(guó)水泥窯協(xié)同處置廢棄物規(guī)模不斷擴(kuò)大，截至2019 年底，涉及到共計(jì)171 條水泥熟料生產(chǎn)線，且在建、擬建項(xiàng)目還有很多。究其原因，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)上來(lái)說(shuō)，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(shì)，同時(shí)能將污染程度降到最低，水泥窯熟料燒制過(guò)程中溫度達(dá)1 600 ℃，物料停留時(shí)間達(dá)30 min，因此廢棄物在水泥窯中燃燒充分，有機(jī)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(wú)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(jì)估算，到2025 年底，中國(guó)生活垃圾焚燒處理能力達(dá)到80 萬(wàn)t/d，按照飛灰產(chǎn)生量占垃圾量的3%～5%計(jì)算[6]，飛灰產(chǎn)生量約3 萬(wàn)t/d。飛灰處置和利用的難點(diǎn)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(gè)氧原子上接2 個(gè)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(dāng)于氰化鉀的1 000 倍，砒霜的900倍，因此被國(guó)家列入HW18 類(lèi)危險(xiǎn)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(diǎn)。飛灰的主要化學(xué)成分是CaO、SiO2和Al2O3，主要是因?yàn)闊煔饷摿蛎撓踹^(guò)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(guò)程中不需增加破碎設(shè)備，同時(shí)其成分也證明了其作為水泥原料的可行性。

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

表1 國(guó)內(nèi)不同地區(qū)生活垃圾焚燒飛灰化學(xué)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?yàn)閲娚淞舜罅康氖焓一蚴覞{來(lái)中和生活垃圾焚燒過(guò)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(shí)用活性炭來(lái)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(biāo)，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?jǐn)?shù)波動(dòng)在0.4%～9.5%之間，有資料表明，隨著垃圾分類(lèi)，焚燒飛灰中的氯離子有達(dá)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(chǔ)庫(kù)倉(cāng)內(nèi)的飛灰通過(guò)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?jǐn)?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?yàn)樗喔G內(nèi)氣相溫度最高可達(dá)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(fù)，不停地在氣液固相轉(zhuǎn)化，容易引起結(jié)皮堵塞[7]，當(dāng)結(jié)皮嚴(yán)重時(shí)，水泥生產(chǎn)線無(wú)法正常運(yùn)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(dāng)水泥生產(chǎn)線中生料硫和氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定后，飛灰中氯質(zhì)量分?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)》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(hù)技術(shù)規(guī)范》也規(guī)定入窯物料中氯元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)大于0.04%。飛灰中氯離子過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致入窯物料超過(guò)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(yán)重，妨礙正常生產(chǎn)。

圖2 硫氯與窯內(nèi)過(guò)度結(jié)皮的關(guān)系

為了解決系統(tǒng)中氯、硫等元素對(duì)水泥窯生產(chǎn)過(guò)程造成的不良影響，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，保證產(chǎn)品質(zhì)量，水泥廠一般會(huì)采用旁路放風(fēng)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?jǐn)?shù)過(guò)高的最有效途徑。旁路放風(fēng)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(guò)高而引起結(jié)皮問(wèn)題的技術(shù)手段。國(guó)內(nèi)資料介紹的旁路放風(fēng)裝置多采用5%～30%的放風(fēng)量，間歇放風(fēng)，原因是在相同放風(fēng)量的條件下，間歇放風(fēng)比連續(xù)放風(fēng)能夠排除更多的揮發(fā)成分。但旁路放風(fēng)出來(lái)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(duì)于通過(guò)計(jì)算水泥生料和飛灰中氯離子之和超過(guò)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(shuō)，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?jǐn)?shù)可高達(dá)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(duì)高氯飛灰進(jìn)行脫氯預(yù)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(shí)的耗水量，水洗方式通常采取三級(jí)或者多級(jí)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)》和HJ 662—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護(hù)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(xué)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(xiǎn)廢物填埋），降低硬度和堿度。最后，通過(guò)膜蒸餾將高鹽水預(yù)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(méi)有達(dá)到相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，最保險(xiǎn)的處理措施還是剛性填埋。也有通過(guò)相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)后作為工業(yè)鹽外售的。對(duì)于水洗可能會(huì)使飛灰中的二噁英進(jìn)入水體的問(wèn)題，由于二噁英極難溶于水，一般認(rèn)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(guò)沉淀過(guò)濾等手段可去除。重金屬經(jīng)過(guò)藥劑沉淀去除后，殘留微量在水體中，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)后轉(zhuǎn)移到結(jié)晶鹽中，如重金屬富集過(guò)多的話，存在一定環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此，蒸發(fā)鹽中重金屬需嚴(yán)格控制。生活垃圾焚燒飛灰經(jīng)過(guò)三次逆流水洗預(yù)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(gè)相關(guān)工程案例。北京金隅琉水環(huán)?？萍加邢薰荆ㄇ吧頌楸本┝鹆Ш铀嘤邢薰荆┳鳛閲?guó)內(nèi)首條飛灰工業(yè)化處置示范線，已運(yùn)行十多年，其飛灰處置示范線主要包括飛灰水洗、烘干預(yù)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(dá)標(biāo)排放，水泥窯廢氣實(shí)施脫硝治理，排水實(shí)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(fù)回用，固體危險(xiǎn)廢棄物按規(guī)定收集、儲(chǔ)存并全部進(jìn)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(xiǎn)廢棄物主要是因?yàn)樗兄亟饘俸投f英，理論上通過(guò)預(yù)處理手段消除毒性后即可作為原料資源化利用。預(yù)處理技術(shù)針對(duì)飛灰中的氯離子可采用水洗技術(shù)大幅降低，三級(jí)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?zé)峤庠?50～400 ℃缺氧環(huán)境中維持1 h以上，同時(shí)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(guò)以上降低氯含量、降解二噁英以及固化或提取重金屬后，達(dá)到相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，方可作為水泥、路基、堤壩等的替代原料。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(duì)氯離子的容忍性很低，大規(guī)模處置前需通過(guò)預(yù)處理技術(shù)降低氯離子。通過(guò)預(yù)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(biāo)準(zhǔn)支持。