廢物焚燒與新型回轉窯鍛燒結合的探討

　　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窯鍛燒的有機結合，在生產(chǎn)優(yōu)質水泥產(chǎn)品的同時焚燒處置大量廢物。首次實現(xiàn)了利用水泥回轉窯處置廢物與環(huán)境保護的充分結合，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、國內新型回轉式焚燒爐系統(tǒng)并配備了較為完善的化驗設備及監(jiān)測設備。新型回轉式焚燒爐系統(tǒng)采用法國皮拉德公司最新技術的多通道低氮燃燒器，為國內首次使用，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)固體廢物技術和工藝。當時，利用水泥窯處置工業(yè)廢棄物的技術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)廢棄物技術系統(tǒng)的考察后，北水開始了利用水泥回轉窯處置工業(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)廢棄物的技術難題逐漸顯現(xiàn)出來。

　　1 利用水泥窯處置廢棄物的技術難題
　?。?）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。

　?。?）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“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。

　?。?）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。

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

　　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、鋁質原料，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。

　　（2）將回轉窯長度增加4米（原標準設計應為62m、現(xiàn)為66m），增加了廢棄物在系統(tǒng)內停留時間。由于回轉窯熱容大，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)。

　?。?）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，水泥回轉窯具有以下優(yōu)勢

表1 水泥回轉窯與焚燒爐的參數(shù)比較

　?。?）處理溫度高。由于摻合料焚燒的要求，水泥回轉窯內物料燒成溫度必須保證在～1450℃（爐內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。水泥回轉窯是一個旋轉的筒體，其規(guī)格4.3×66m,以每小時100～240轉的速度旋轉，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。由于水泥回轉窯筒體較長，斜度小，旋轉速度低，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，加之水泥回轉窯運轉率高（一般年運轉率大于90%），決定了水泥回轉窯的廢物處理規(guī)模較大。并且，隨著我國工業(yè)技術水平的提高，水泥回轉窯的日產(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、分解、化合、擴散。

　　（6）水泥回轉窯內呈堿性氣氛。能對燃燒后產(chǎn)生的酸性物質（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。

　?。?）水泥回轉窯系統(tǒng)是負壓狀態(tài)運轉，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。

　　（8）水泥回轉窯處理工業(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)境保護署測量結果表明，當水泥回轉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。

　?。?）水泥回轉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，熟料礦物結構中的結晶化學特征之一是在其晶格中具有分布各種雜質離子的能力，這些雜質離子以類質同晶的方式取代主要結構元素。正是這些晶體的特殊結構和雜質離子的取代行為，為利用水泥熟料固化重金屬元素在物質結構上提供了可能。故水泥熟料礦物的晶體結構為重金屬離子在其中的“固溶”提供了結構上的先決條件。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。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，安全性是有保障的。

　　另外，與建專用焚化爐相比，水泥回轉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。