劉學(xué)爐，王朝雄

（南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司，江蘇南京210036）

利用新型干法水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)研究

劉學(xué)爐，王朝雄

（南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司，江蘇南京210036）

介紹了新型干法水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾工藝，分析了水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾對(duì)水泥生產(chǎn)的影響，得出水泥窯協(xié)同處置生活垃圾對(duì)水泥線影響風(fēng)險(xiǎn)可控的結(jié)論，環(huán)境和社會(huì)效益明顯，具有良好的應(yīng)用前景。

水泥窯；城市生活垃圾；協(xié)同處置

利用水泥窯協(xié)同處置生活垃圾，可以徹底實(shí)現(xiàn)垃圾處理減量化、無(wú)害化和資源化，為水泥工業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、打造水泥綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)開辟了一種新的途徑。筆者以貴州某縣3 000 t/d新型干法水泥窯協(xié)同處置250 t/d生活垃圾為例，介紹其工藝技術(shù)路線，分析水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾對(duì)水泥生產(chǎn)的影響。

1　工藝介紹

工藝流程如圖1所示。

圖1　水泥窯協(xié)同處置生活垃圾工藝流程

該生活垃圾處理系統(tǒng)是利用垃圾焚燒爐與水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)相結(jié)合，將垃圾焚燒后的高溫?zé)釤煔庖胄滦透煞ㄋ喔G系統(tǒng)的分解爐作為替代燃料，并利用分解爐內(nèi)900℃左右的高溫和堿性條件，吸收和處理垃圾產(chǎn)生的二惡英等有害氣體，使垃圾處理達(dá)到減量化、資源化、無(wú)害化的要求。

生活垃圾由運(yùn)輸車運(yùn)送至垃圾暫存庫(kù)，經(jīng)預(yù)處理后存放在垃圾儲(chǔ)存庫(kù)內(nèi)，整個(gè)大的垃圾庫(kù)采用密閉負(fù)壓結(jié)構(gòu)，垃圾儲(chǔ)坑有效容積儲(chǔ)量按7 d考慮，負(fù)壓通過(guò)垃圾庫(kù)引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，排出的臭風(fēng)引入空預(yù)器加熱至220℃作為助燃風(fēng)。

新鮮垃圾倒入儲(chǔ)坑后生物干化5～7 d，可以降低水分，提高熱值，干化后的垃圾經(jīng)過(guò)行車抓斗輸送到爐排爐中干燥、燃燒、燃盡，余下的殘?jiān)?jīng)分選，對(duì)金屬單體回收，灰渣送入水泥原料磨作為水泥原料，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。重金屬有害元素被固溶在熟料里，燃燒后的煙氣引入分解爐繼續(xù)高溫焚化處理，分解爐內(nèi)燃燒煙氣溫度大于850℃，停留時(shí)間在7 s以上，煙氣中的有毒有害物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)被徹底破壞。

垃圾在儲(chǔ)存過(guò)程中生成的滲瀝液為高濃度有機(jī)污水，經(jīng)過(guò)濾處理后，噴射至分解爐內(nèi)高溫蒸發(fā)氧化處理，完全分解有機(jī)成分，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化。

2　垃圾焚燒設(shè)計(jì)

焚燒爐選用成熟可靠的爐排爐焚燒技術(shù)，設(shè)計(jì)進(jìn)廠垃圾處理量250 t/d，配1臺(tái)225 t/d處理規(guī)模焚燒爐，設(shè)計(jì)入爐垃圾低位熱值5 852 kJ/kg，垃圾存放時(shí)間5～7 d；焚燒爐正常工作時(shí)間7 200 h/a；爐內(nèi)煙氣停留時(shí)間＞2 s；燃燒溫度850～950℃。生活垃圾的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

表1　生活垃圾工業(yè)分析和元素分析結(jié)果

3　對(duì)水泥窯影響分析

3.1水泥熟料品質(zhì)影響

王?。?］研究表明：生活垃圾在每噸熟料處理量小于0.1 t時(shí)，對(duì)燒成系統(tǒng)影響很小。按照3 000 t/d水泥生產(chǎn)工藝計(jì)算，可容納的垃圾量為300t/d，本方案設(shè)計(jì)處理進(jìn)廠垃圾250t/d，入爐垃圾量225t/d，垃圾焚燒后的爐渣在化學(xué)組成上屬于SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3體系，焚燒爐渣同高爐渣等應(yīng)用作水泥原材料的固體廢物性質(zhì)接近，將垃圾焚燒爐渣作為水泥替代原料可行。表2為水泥生料及熟料在水泥窯沒(méi)有協(xié)同處置生活垃圾和水泥窯協(xié)同處置生活垃圾時(shí)的化學(xué)成分和熟料率值，從中可以看出水泥窯協(xié)同處置生活垃圾前后熟料率值幾乎沒(méi)有變化，對(duì)熟料產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有影響。從煙氣組成來(lái)看，將垃圾焚燒后的熱煙氣引入分解爐，廢氣種類與水泥熟料煅燒煙氣基本相同，而且垃圾焚燒所產(chǎn)生的廢氣含量只占熟料煅燒煙氣量20%，因此，水泥窯協(xié)同處置生活垃圾對(duì)水泥熟料性能無(wú)影響。

表2　水泥生料、熟料化學(xué)成分及熟料率值變化

3.2煤耗影響

在設(shè)計(jì)工況下，垃圾低位熱值5 852 kJ/kg，垃圾在爐排爐內(nèi)焚燒后高溫?zé)煔膺M(jìn)入分解爐會(huì)替代一部分煤。按照1%旁路放風(fēng)增加熱耗10 kJ/t熟料，放風(fēng)量3%，根據(jù)分解爐物質(zhì)平衡和熱平衡計(jì)算，節(jié)約標(biāo)煤143 kg/h，熟料標(biāo)煤耗降低1.14 kg/t，年節(jié)約標(biāo)煤1 029 t。由于本項(xiàng)目焚燒爐與分解爐距離200 m，考慮空氣預(yù)熱和沿程溫降約200℃，入分解爐煙氣溫度為738℃，分解爐煙氣溫度降低了22℃。

3.3水泥窯溫度場(chǎng)及流場(chǎng)變化

高溫?zé)煔膺M(jìn)入分解爐后，會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)煙氣流量增加，煙氣流速增大，系統(tǒng)阻力加大。垃圾、燃煤熱值分別按5 852、21 987 kJ/kg計(jì)算，則225 t/d垃圾焚燒后，新增煙氣量為28 778 m3/h，3 000 t/d水泥熟料線窯尾廢氣量176 756 m3/h，廢氣增加量為28 778/176 756=16.3%，可見新增廢氣對(duì)窯尾預(yù)熱分成系統(tǒng)的流場(chǎng)和速度場(chǎng)影響較大，旋風(fēng)筒出口風(fēng)速將嚴(yán)重超出設(shè)計(jì)值，需要進(jìn)行改造，根據(jù)水泥廠現(xiàn)有生產(chǎn)線預(yù)熱器規(guī)格和產(chǎn)量，預(yù)熱器各級(jí)旋風(fēng)筒直徑較大，出口風(fēng)管直徑小，出口風(fēng)管改造后，壓損和出口溫度都將有效地改善，改造前后數(shù)據(jù)見表3。

表3　改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比

3.4余熱發(fā)電影響

水泥窯協(xié)同處置生活垃圾前后窯尾余熱鍋爐發(fā)電量變化如表4所示。

表4　水泥窯協(xié)同處置生活垃圾前后窯尾余熱鍋爐發(fā)電量變化

垃圾焚燒高溫?zé)煔庠谒喔G內(nèi)熱量除水泥窯窯體散熱外，一部分被預(yù)熱器內(nèi)生料吸收，另外一部分則被煙氣以顯熱形式帶出C1，熱平衡計(jì)算得到，焚燒爐運(yùn)行時(shí)，C1出口煙氣溫度升高16℃，窯尾余熱鍋爐煙氣量會(huì)增加28 778 m3/h，窯尾余熱鍋爐發(fā)電量增加804 kW。

雖然窯尾余熱鍋爐發(fā)電量有所提高，但系統(tǒng)煙氣量增加后，窯尾IDFan電耗會(huì)增加386 kW，尾排風(fēng)機(jī)電耗會(huì)增加235 kW，其他還包括新增給水泵功耗和新增協(xié)同處理引風(fēng)機(jī)功耗，水泥窯協(xié)同處置生活垃圾后整個(gè)水泥線余熱發(fā)電增加約181 kW。

3.5重金屬問(wèn)題

國(guó)外研究表明，在不超過(guò)重金屬進(jìn)料量限值的條件下，重金屬的進(jìn)料量變化不會(huì)影響其在窯灰、熟料和尾氣中的分配率，且與添加的廢物類型無(wú)關(guān)［2］，生活垃圾中含有較多的重金屬離子，這些重金屬離子在水泥熟料形成的過(guò)程中大部分被包溶在熟料礦物之中，有利于形成晶格缺陷，對(duì)提高熟料強(qiáng)度有利。同時(shí)，重金屬離子能降低熟料的燒成溫度，節(jié)約燃料。所以，生活垃圾中重金屬離子對(duì)熟料的燒成和產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有不利影響。

3.6氯離子對(duì)水泥系統(tǒng)的影響

通常生料中氯含量應(yīng)小于0.015%，過(guò)高的氯含量會(huì)導(dǎo)致新型干法水泥線系統(tǒng)中700℃的地方生成低溫共熔物，在窯尾、風(fēng)管和排風(fēng)機(jī)等氣體通過(guò)的地方，附著結(jié)皮和造成堵塞。水泥產(chǎn)品中氯含量超出一定限度，在做成混凝土之后，在水化時(shí)會(huì)溶出大量的氯離子，硬化體在養(yǎng)護(hù)和使用過(guò)程中也會(huì)釋放出含氯水化物可能會(huì)對(duì)其中的鋼筋產(chǎn)生一定腐蝕，影響鋼筋壽命。因此，對(duì)氯離子的控制就尤為關(guān)鍵。由于在水泥窯協(xié)同處置中，生活垃圾處理量較小，氯含量只占很少一部分，一般可滿足要求，具體情況應(yīng)根據(jù)垃圾的元素組成進(jìn)行分析。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了旁路放氯裝置，放風(fēng)量為煅燒窯煙氣量3%，以此減小氯對(duì)水泥窯運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

3.7二惡英排放問(wèn)題

分解爐溫度維持在880℃左右，氣體停留時(shí)間大于6 s，固體物料的停留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20 s以上，能夠保證有機(jī)物的完全燃燒和分解，加上水泥系統(tǒng)CaO物料較多，系堿性環(huán)境，為抑制二惡英產(chǎn)生創(chuàng)造了良好條件。國(guó)外實(shí)踐表明采用現(xiàn)代新型干法水泥窯協(xié)同處置城市廢物，二惡英的排放濃度可完全控制在0.1 ng/m3以下，德國(guó)某機(jī)構(gòu)針對(duì)常規(guī)燃料、替代燃料和替代原料的160條水泥窯進(jìn)行檢測(cè)［3］，結(jié)果表明大多數(shù)情況二惡英排放在0.002～0.05 ngTEQ/m3，均值約為0.02 ngTEQ/m3，優(yōu)于歐盟2 000排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.8水泥窯協(xié)同處置產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響

原生生活垃圾含有一定量的重金屬，這些重金屬會(huì)隨著煙氣和爐渣一起進(jìn)入水泥窯，在水泥產(chǎn)品后續(xù)使用過(guò)程中這些重金屬可能會(huì)遷移到周圍環(huán)境中，給環(huán)境安全性帶來(lái)影響。張俊麗等［4］通過(guò)開展水泥窯協(xié)同處置廢物產(chǎn)品的浸析試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥窯煅燒固化處置對(duì)As、Pb、Zn的化學(xué)穩(wěn)定效果優(yōu)于水泥固化/穩(wěn)定化，李波等［5］試驗(yàn)分析了水泥窯處置生活垃圾后續(xù)產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響，研究表明在酸性降雨的環(huán)境下，水泥產(chǎn)品中重金屬的遷移性很小，不會(huì)對(duì)環(huán)境安全性造成危害。

4　結(jié)論

1）本項(xiàng)目利用新型干法水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾，工藝流程簡(jiǎn)短，投資省，無(wú)需預(yù)處理，符合現(xiàn)階段我國(guó)垃圾處理基本國(guó)情，可以實(shí)現(xiàn)垃圾處理減量化、資源化和無(wú)害化。

2）利用3 000 t/d水泥熟料線協(xié)同處置250 t/d生活垃圾，焚燒爐渣作為水泥窯替代原料對(duì)水泥熟料產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有影響。

3）設(shè)計(jì)工況條件下，水泥窯協(xié)同處置生活垃圾可以替代一部分煤，水泥窯窯尾鍋爐增加發(fā)電量大部分被窯尾高溫風(fēng)機(jī)和尾排風(fēng)機(jī)抵消，整個(gè)水泥線余熱發(fā)電量略有提高。

4）利用新型干法水泥窯協(xié)同處置生活垃圾對(duì)水泥線影響風(fēng)險(xiǎn)可控，產(chǎn)品不會(huì)對(duì)環(huán)境安全性造成危害，具有明顯的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

［1］王俊.新型干法水泥窯焚燒生活垃圾的技術(shù)研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2006.

［2］Juan A，Galvez A，Mateos F，et al.Organic and inorganic pollutants from cement kiln stack feeding alternative fuels［J］.J Hazard Mater，2008，116（1）：1-8.

［3］蔡玉良，楊學(xué)權(quán)，辛美靜，等．利用新型干法水泥窯系統(tǒng)處置城市垃圾［J］．中國(guó)水泥，2006（3）：30-34.

［4］張俊麗，劉建國(guó)，李橙，等．水泥窯協(xié)同處置與水泥固化/穩(wěn)定化對(duì)重金屬的固定效果比較［J］．環(huán)境科學(xué)，2008，29（4）：1138-1142.

［5］李波，蔡玉良，楊學(xué)權(quán)，等.水泥窯處置城市生活垃圾后續(xù)產(chǎn)品中重金屬的浸出遷移性研究［J］．中國(guó)水泥，2010（3）：45-48.

Technology Research on Co-processing Municipal Solid Waste in the NSP Cement Kiln

Liu Xuelu，Wang Chaoxiong
（Nanjing Kesen Kenen Environment&Energy Co.Ltd.，NanjingJiangsu210036）

We introduced the technology of municipal solid waste co-processing in the NSP cement kiln，and analyzed its impacts on cement production.The results showed that the impacts on cement production risk were controllable.Environmental and social benefitswere obvious，and it also had a good application prospect.

cement kiln；municipal solid waste；co-processing

X799.3；X705

A

1005-8206（2016）05-0029-03

2015-11-23

劉學(xué)爐（1983—），工學(xué)碩士、工程師，主要從事固廢資源綜合利用及項(xiàng)目技術(shù)研發(fā)。

E-mail：15195993248@163.com。