廢物焚燒與新型回轉(zhuǎn)窯鍛燒結(jié)合的探討

　　為了處置廢物北京水泥廠有限責任公司成立了北京金隅紅樹林環(huán)保技術(shù)有限責任公司，公司成立于2005年8月（以下簡稱金隅紅樹林），隸屬于北京金隅集團，年處置和綜合利用工業(yè)廢棄物能力8～10萬噸。公司擁有全國首條專業(yè)處置城市工業(yè)廢棄物示范線，2004年1月29日開工建設，2005年5月進入試生產(chǎn)階段，2005年8月正式投入使用。該示范線項目曾被列入第三批國家重點技術(shù)改造“雙高一優(yōu)”項目導向計劃。國家環(huán)保局和北京環(huán)保局對先進的廢棄物處理工藝生產(chǎn)線給予了充分的支持和肯定。2005年，北京水泥廠被國家發(fā)改委等六部委確立為全國第一批循環(huán)經(jīng)濟試點單位。

　　我公司首次實現(xiàn)了焚燒廢物與新型回轉(zhuǎn)窯鍛燒的有機結(jié)合，在生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水泥產(chǎn)品的同時焚燒處置大量廢物。首次實現(xiàn)了利用水泥回轉(zhuǎn)窯處置廢物與環(huán)境保護的充分結(jié)合，處理徹底，不會造成二次污染，沒有殘渣產(chǎn)生。

　　金隅紅樹林公司廢棄物處理生產(chǎn)線主要以液態(tài)（如工業(yè)廢液）、固態(tài)（如工業(yè)垃圾）和半固態(tài)（如工業(yè)污泥和其他可利用廢棄物）三大類城市工業(yè)廢棄物的無害化、資源化、減量化處置為主。該公司擁有世界先進的廢棄物預處理工藝設備、國內(nèi)新型回轉(zhuǎn)式焚燒爐系統(tǒng)并配備了較為完善的化驗設備及監(jiān)測設備。新型回轉(zhuǎn)式焚燒爐系統(tǒng)采用法國皮拉德公司最新技術(shù)的多通道低氮燃燒器，為國內(nèi)首次使用，可實現(xiàn)煤粉、工業(yè)廢液、飛灰、替代燃料的同時燃燒。

　　我公司自1998年開始探索利用水泥窯處置工業(yè)固體廢物技術(shù)和工藝。當時，利用水泥窯處置工業(yè)廢棄物的技術(shù)研究在我國尚無成熟的先例，經(jīng)過對歐美等發(fā)達國家處置工業(yè)廢棄物技術(shù)系統(tǒng)的考察后，北水開始了利用水泥回轉(zhuǎn)窯處置工業(yè)廢棄物的探索和實踐。隨著處置規(guī)模和廢棄物種類的增多，利用原有水泥窯系統(tǒng)處置工業(yè)廢棄物的技術(shù)難題逐漸顯現(xiàn)出來。

　　1 利用水泥窯處置廢棄物的技術(shù)難題
　　（1）國外利用水泥窯焚燒危險廢物一般是經(jīng)過專業(yè)危險廢物處理廠預處理之后，適宜進水泥窯焚燒的廢物，由水泥廠焚燒處置。而我國危險廢物管理剛剛起步，沒有專業(yè)的危險廢物預處理廠，從產(chǎn)廢單位收集的危險廢物直接進入水泥廠，對危險廢物的安全運輸、分類貯存是水泥生產(chǎn)企業(yè)必須解決的難題。

　　（2）固體廢物成分復雜，自身發(fā)熱量差異很大，在連續(xù)處置過程中經(jīng)常造成窯內(nèi)“忽冷忽熱”的現(xiàn)象，發(fā)生廢棄物處置和窯況穩(wěn)定之間的矛盾。

　　（3）危險廢物有47大類，很多廢物相互之間具有反應性，處置不當，會發(fā)熱、爆炸、產(chǎn)生有毒氣體等，如：酸和堿、酸和氰化物。因此，安全處置危險廢物必須在掌握廢物物理化學特征的基礎上，做好危險廢物的配料。

　　（4）危險廢物熱值和穩(wěn)定性差異較大，處置過程既要保證廢物的徹底焚毀，又要考慮充分利用廢物自身熱值，必須摸索不同廢物的入窯位置、入窯方式。

　?。?）水泥窯對鹵族元素和堿性物質(zhì)較為敏感，如果加入量不當，將對水泥窯以及水泥產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此，必須不斷試驗，確定含鹵素物質(zhì)和堿性物質(zhì)的焚燒比例。

　　2 為解決上述問題，我們自主研發(fā)工業(yè)廢物六個預處理系統(tǒng)
　　2.1 漿渣制備焚燒系統(tǒng)
　　本系統(tǒng)可將工業(yè)垃圾、工業(yè)污泥、廢液、廢漆渣等多種廢棄物經(jīng)過破碎后，進入混合設備內(nèi)攪拌成漿渣狀，最后經(jīng)過漿體輸送設備噴入窯尾煙室焚燒。處置能力:3萬噸/年。

　　2.2 替代燃料制備焚燒系統(tǒng)
　　本系統(tǒng)可將收集來的具有熱值的工業(yè)廢棄物經(jīng)過多級破碎后，制成粒徑小的替代燃料，然后作為燃料從窯頭多通道燃燒器噴入窯內(nèi)焚燒，可節(jié)約大量能源（煤粉）。處置能力1萬噸/年。

　　2.3 廢液處置系統(tǒng)
　　本系統(tǒng)是在原廢液處置系統(tǒng)的基礎上經(jīng)過改造而成，可將廢酸液、廢堿液在預處理中心中和后，與收集來的廢有機溶劑、廢礦物油、廢乳化液調(diào)配成具有一定熱值的廢液，然后作為燃料從多通道燃燒器噴入窯內(nèi)焚燒，可替代部分煤粉，實現(xiàn)了資源的再利用。處置能力：1萬噸/年。

　　2.4 工業(yè)污泥處置系統(tǒng)
　　本系統(tǒng)將各種工業(yè)污泥用穩(wěn)定劑攪拌后，喂入窯尾預燃爐，可替代部分原料。處理能力：1萬噸/年。

　　2.5 焚燒殘渣處置系統(tǒng)
　　將各垃圾焚燒廠產(chǎn)生的焚燒殘渣經(jīng)過粉磨后，替代熟料生產(chǎn)使用的硅質(zhì)、鋁質(zhì)原料，可徹底將焚燒殘渣無害化處置。處置能力：3000t/a。

　　2.6 飛灰處置系統(tǒng)
　　將各垃圾焚燒廠產(chǎn)生的毒性強、含有害成分多的飛灰，通過氣力輸送經(jīng)燃燒器噴入窯內(nèi)焚燒，徹底消除其危害。處置能力：1.7萬噸/年。

　　3 采取六項技術(shù)措施，保證處置系統(tǒng)安全高效運行
　?。?）在窯尾增加了一個預燃爐系統(tǒng)，增強了焚燒系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。確保廢棄物處置的連續(xù)和穩(wěn)定。

　?。?）將回轉(zhuǎn)窯長度增加4米（原標準設計應為62m、現(xiàn)為66m），增加了廢棄物在系統(tǒng)內(nèi)停留時間。由于回轉(zhuǎn)窯熱容大，穩(wěn)定性高，使得系統(tǒng)適于處置液體、固體等多種形態(tài)的危險廢物，而且可以實現(xiàn)廢物的大量處置。

　　（3）回轉(zhuǎn)窯前后均采用低氮燃燒系統(tǒng)，減少氮氧化物的排放。窯頭采用低一次風的大推力燃燒器，這樣可以使燃料在較低的空氣含量條件下進行正常的燃燒，并提高火焰空間的溫度分布均齊性，從而有效地降低氮氧化物形成。爐尾分解爐采用了具有國家實用新型專利的低氮氧化物在線分解爐，能起到很好的脫硝效果，確保廢氣中氮氧化物的排放達到國家標準。

　?。?）對廢氣處理系統(tǒng)進行了技術(shù)改進，修正了工藝參數(shù)，并采用了進口設備，確保了廢棄物的安全無害化處置。

　?。?）建立了工業(yè)廢棄物實驗室，并配備了先進的檢驗和分析儀器，如質(zhì)譜儀、色譜儀、熒光分析儀等。對所有進廠的工業(yè)廢棄物進行檢驗分析，確定廢棄物的成分、熱值、重金屬含量、廢棄物毒性等等，為后續(xù)處理分類提供基礎數(shù)據(jù)。

　　（6）安裝了廢氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，并與環(huán)保部門實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。

　　4 從焚燒工藝來看，水泥回轉(zhuǎn)窯具有以下優(yōu)勢

表1 水泥回轉(zhuǎn)窯與焚燒爐的參數(shù)比較

　　（1）處理溫度高。由于摻合料焚燒的要求，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料燒成溫度必須保證在～1450℃（爐內(nèi)最高的氣流溫度可達1800℃或更高），在如此高溫下廢物中主要有機物的有害成分焚毀率可達99.99999％以上，即使很穩(wěn)定的有機物也能被完全分解。而一般專業(yè)焚燒爐溫度僅為850～1100℃。

　?。?）焚燒空間大。水泥回轉(zhuǎn)窯是一個旋轉(zhuǎn)的筒體，其規(guī)格4.3×66m,以每小時100～240轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，焚燒空間很大。因此它不僅可以接受處理大量的廢料，而且可以維持均勻的、穩(wěn)定的焚燒氣氛。

　?。?）焚燒停留時間長。由于水泥回轉(zhuǎn)窯筒體較長，斜度小，旋轉(zhuǎn)速度低，物料在爐中高溫下停留時間長，物料從爐尾到爐頭總停留大于30分鐘；氣體在高于1300℃溫度的停留時間大于4s，焚燒停留時間長是一般專用焚燒爐所無法比擬的。而一般專業(yè)焚燒爐煙氣停留時間為2秒。

　　（4）處理規(guī)模大。正是由于水泥回轉(zhuǎn)窯具有處理溫度高、焚燒空間大、熱容量大以及焚燒停留時間長等特點，加之水泥回轉(zhuǎn)窯運轉(zhuǎn)率高（一般年運轉(zhuǎn)率大于90%），決定了水泥回轉(zhuǎn)窯的廢物處理規(guī)模較大。并且，隨著我國工業(yè)技術(shù)水平的提高，水泥回轉(zhuǎn)窯的日產(chǎn)能力逐步提高，其熱穩(wěn)定性和抗波動能力不斷加強，從而在處理廢物的規(guī)模和采用可替代原燃料的數(shù)量也有較大的空間。

　?。?）湍流程度良好。水泥窯內(nèi)高溫氣體與物料流動方向相反，湍流強烈，有利于氣固相的混合、傳熱、傳質(zhì)、分解、化合、擴散。

　　（6）水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)呈堿性氣氛。能對燃燒后產(chǎn)生的酸性物質(zhì)（如HCl、SO2和CO3-2等）起中和作用，使它們變成鹽類固定下來，可避免普通焚燒爐燃燒廢氣產(chǎn)生的“二次污染”問題。

　?。?）水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)是負壓狀態(tài)運轉(zhuǎn)，煙氣和粉塵不會外溢，從根本上防止了處理過程中的再污染。

　?。?）水泥回轉(zhuǎn)窯處理工業(yè)廢物完全可以利用水泥生產(chǎn)的廢氣處理系統(tǒng)，粉塵排放濃度很低，污染物排放量少。特別是由于焚燒過程有吸硫作用，所以整個系統(tǒng)不需采取特殊措施，二氧化硫的實際排放濃度也很低。美國國家環(huán)境保護署測量結(jié)果表明，當水泥回轉(zhuǎn)窯使用有害物作為代替原燃料時，空氣中的有害物排放量不會增加，不造成新的污染，對空氣質(zhì)量無影響，有時甚至有改善和降低污染物綜合排放量的作用。

　　（9）水泥回轉(zhuǎn)窯焚燒有毒有害廢料，可使有害廢料中可能存在的金屬元素（包括重金屬）固化在摻合料礦物中，并且固化穩(wěn)固，因而水泥回轉(zhuǎn)窯起到了尾氣凈化和重金屬高溫固化的雙重作用。下面是我們對熟料及水泥制品的重金屬浸出試驗報告。我們做了七種重金屬As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的試驗數(shù)據(jù)：

  表2 北水生料、熟料及水泥中各重金屬的浸出率（%）

                         注：浸出率為0是由于浸出液中未檢出。

　　從表看出各種重金屬的浸出率都不是很高，基本都在1%以下。上述數(shù)據(jù)所反映的更重要信息是經(jīng)過生料→熟料這一轉(zhuǎn)化過程，各種重金屬的浸出率都下降了，即重金屬的浸出難度增加、穩(wěn)定性增強了；同時還應看到這是重金屬在熟料當中“濃縮”了之后所得到的結(jié)果，進一步說明經(jīng)過生料→熟料這一復雜的物理化學變化，重金屬的穩(wěn)定性和環(huán)境安全性都大大提高了。

　　下面表3是我廠加入一定量的重金屬元素后的最大浸出率。

表3 我廠熟料中各重金屬的最大可浸出率（%）

　　熟料中各種重金屬的最大可浸出率基本上都在10%以下，最大也不超過20%。

　　對水泥熟料產(chǎn)品的研究表明，熟料礦物結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶化學特征之一是在其晶格中具有分布各種雜質(zhì)離子的能力，這些雜質(zhì)離子以類質(zhì)同晶的方式取代主要結(jié)構(gòu)元素。正是這些晶體的特殊結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)離子的取代行為，為利用水泥熟料固化重金屬元素在物質(zhì)結(jié)構(gòu)上提供了可能。故水泥熟料礦物的晶體結(jié)構(gòu)為重金屬離子在其中的“固溶”提供了結(jié)構(gòu)上的先決條件。且不同重金屬離子的具體取代情況有很大差別，這主要和這些離子的離子半徑，離子價態(tài)，離子極性，離子配位數(shù)，離子電負性以及所形成的化學鍵的強度有關(guān)。以上即水泥窯固定重金屬的“熟料礦物晶格取代理論”。重金屬被固定在熟料礦物相晶格中之后，存在形態(tài)不再是某種簡單的化合物形式，而是分布在熟料礦物相晶格的主要金屬元素如Ca、Al以及Si之間，即在晶格中某處取代了這些元素的位置，此時重金屬若再想從體系中遷移出，必須在礦物相再此被破壞的情況下才可能發(fā)生，即高溫、酸堿腐蝕等；而熟料中礦物相的存在形態(tài)又是相當穩(wěn)定的，重金屬被“固溶”在內(nèi)，安全性是有保障的。

　　另外，與建專用焚化爐相比，水泥回轉(zhuǎn)窯處理廢物除具上述優(yōu)越性外，還有它的獨特性，即：所有其他的處理方式都存在焚燒灰渣的二次處理問題，水泥回轉(zhuǎn)窯可直接利用灰渣。摻合料是以氧化鈣、氧化硅、氧化鐵等為主要成份的無機礦物。摻合料需消耗一定燃料，某些含熱值的廢物在水泥回轉(zhuǎn)窯上焚燒，可替代部分摻合料生產(chǎn)所需燃料。廢物焚燒后殘渣（例如污泥殘渣），均成為無害鹽類，往往具有可利用的組分，替代部分摻合料生產(chǎn)的天然原料，并且在廢物的處理過程中，直接參與了摻合料的固相反應、液相反應和摻合料燒結(jié)過程，參與摻合料的形成。

　　經(jīng)中科院生態(tài)環(huán)境研究中心和北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心連續(xù)監(jiān)測表明：在處理過程中，無機廢物中微量元素被固化于水泥熟料晶格體系中，不再逸出；有機廢物的基本被徹底焚毀，煙氣中有毒有害物質(zhì)含量遠遠低于國家允許排放標準。該項目的立足于我國國情，針對我國處于工業(yè)快速發(fā)展階段，工業(yè)及生廢物產(chǎn)生量很大，其中僅危險工業(yè)廢物年產(chǎn)生量就有3000萬噸左右，目前很多工業(yè)廢物沒有得到妥善處置，污染環(huán)境現(xiàn)象嚴重。危險工業(yè)廢物應該全部采取無害化焚燒處理，若建專業(yè)焚燒爐處理，需要建100座規(guī)模為1000t/d的焚燒爐，每座焚燒爐須投資4～7億元人民幣，總投資400～700億元人民幣，而且建設周期長，另外還要占用大量的土地資源，焚燒過程由于溫度不高，易產(chǎn)生二次污染，焚燒后的飛灰和殘渣還需要進行填埋或送至水泥廠再次焚燒。而我國是一個水泥生產(chǎn)大國，擁有2000t/d以上新型干法水泥生產(chǎn)線三百多條，如采用該技術(shù)對廢物進行焚燒處置，每條生產(chǎn)線年可焚燒處置廢物10萬噸左右，總焚燒能力可達到3000萬噸/年以上，這樣僅投入少量資金即可實現(xiàn)利用水泥窯焚燒處理工業(yè)廢物，可以說發(fā)展前景非常廣闊。