水泥窯協(xié)同處置污染土壤實例分析

  0 引言

  隨著我國城市化進程的發(fā)展，各大中城市對城市功能重新科學(xué)規(guī)劃，將市區(qū)的工業(yè)企業(yè)遷至位于城市遠(yuǎn)郊的工業(yè)園區(qū)，而原廠區(qū)則用于房地產(chǎn)開發(fā)。這些工業(yè)企業(yè)一般建廠時間較長，建廠初期由于國家的法律法規(guī)要求較低，再加上當(dāng)時企業(yè)管理跟不上，跑冒滴漏等污染現(xiàn)象司空見慣，按照國家規(guī)定，工業(yè)用地轉(zhuǎn)為居民用地時，需要對原場地進行環(huán)境評價，受到污染的土壤要進行治理，達到要求后方可使用。水泥窯協(xié)同處置工藝作為“資源化、無害化”處置污染土壤的典范得到越來越多的應(yīng)用。

  我公司于2014年7～10月在第一分公司1號線共處置污染土壤約1.6萬噸，該批污染土壤的來源為河北某化工公司原廠區(qū)被污染的土地，土壤主要受到農(nóng)藥和化工產(chǎn)品等有機物污染。此項目為河北省北京以南地區(qū)第一個水泥窯協(xié)同處置污染土壤的項目，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

  1 污染土壤的主要成分組成

  污染土壤的主要無機成分和普通土壤沒有任何區(qū)別，對污染土壤的抽樣檢測數(shù)據(jù)匯總見表1。

  從表1可以看出污染土壤的堿和氯離子的含量較高，會對水泥熟料的生產(chǎn)造成不利影響。

  按照委托方提供的環(huán)評報告檢測數(shù)據(jù)，此批污染土壤中含有的主要污染成分為：二甲苯，1,2-二氯乙烷，氯仿和多環(huán)芳烴類物質(zhì)。

  水泥窯內(nèi)氣體溫度和物料溫度分別高達1 800℃和1 450℃，在這種高溫下長時間的停留，多環(huán)芳烴和乙苯、二甲苯（總）都可以完全燃燒和徹底分解。另外，污染土壤的無機成分與水泥原材料之一——粉煤灰近似，可以部分替代粉煤灰煅燒成為水泥熟料。

  2 污染土壤進場前準(zhǔn)備工作

  1）污染土壤進場前需要對其暫存場地進行環(huán)保驗收，如果不是新建的污染土壤專用充氣大棚，則需要對儲存?zhèn)}進行環(huán)保改造。首先場地需要提前鋪設(shè)防滲隔離膜層，防止二次污染場地土壤；其次要對儲存棚進行密封改造，還要增加通風(fēng)、除臭設(shè)備和監(jiān)測儀器，最終通過環(huán)保部門或業(yè)主監(jiān)理的環(huán)保驗收才能投入使用。

  2）對現(xiàn)場接觸人員進行崗前培訓(xùn)，宣講污染土壤的來源、防護措施等內(nèi)容，健全勞保、職業(yè)健康檢測等措施，消除職工的不解和抵觸情緒。

  3）對職工發(fā)放專用的活性炭口罩，按使用小時數(shù)定期更換，對接觸的崗位人員重點監(jiān)控健康狀況，處置工作完成后進行專項體檢，防止職業(yè)健康損害的發(fā)生。

  4）在正式處置前需對水泥窯進行一定的技術(shù)改造，在窯尾煙室處開口，加裝物料計量、提升、輸送裝置，還要做好密封，以保證水泥生產(chǎn)工況的穩(wěn)定。

  3 處置方案

  水泥窯處置普通廢物的方法一般有兩種：

  一是從生料磨配料添加。一般無機廢物如粉煤灰、爐渣等采用此方法處置，其優(yōu)點是經(jīng)過了生料均化配料成分可控，對熟料燒成系統(tǒng)影響小。但由于生料磨內(nèi)溫度較高（約200℃左右），可能會造成污染土壤中有機污染物的揮發(fā)，所以從生料配料添加不適合本項目。

  二是從預(yù)熱器分解爐添加。此處置方案雖然對生產(chǎn)有一定的不利影響，但適合于含有機污染物（尤其是揮發(fā)性有機污染物）的物料處置。因為本次處置的污染土壤源于化工有機原料，故選擇從預(yù)熱器分解爐添加，同時考慮煙室縮口上方氣體流速較快，最終選擇煙室縮口上方為污染土壤加入點。

  污染土壤從窯尾煙室進入水泥回轉(zhuǎn)窯，氣體（>800℃）停留時間長達20s以上，完全可以保證污染土壤中的有機污染物完全燃燒和徹底分解。在水泥窯的高溫條件下，污染土壤中的有機污染物迅速蒸發(fā)和氣化，高溫氣流與高溫、高細(xì)度、高濃度、高吸附性、高均勻性分布的堿性物料充分接觸，有效地抑制酸性物質(zhì)的排放，使得SO2和Cl等有機化學(xué)成分化合成無機鹽類固定下來。

  處置污染土壤時，將其用密閉車輛由貯存大棚倒運至污染土壤卸料點，為避免卸料時揮發(fā)性有機物的逸出以及揚塵造成的二次污染，卸料區(qū)將加裝除塵器、設(shè)置防塵簾等密閉措施。卸料完成后，卸料區(qū)域?qū)⑻幱诜忾]狀態(tài)。污染土壤經(jīng)板式喂料機進入皮帶秤計量，計量后的土壤經(jīng)提升機由密閉輸送裝置進入窯尾煙室喂料點進行高溫焚燒，完成污染土壤的整個入窯過程。

  熟料的率值控制指標(biāo)處置前后無變化，通過初步配料計算，摻加3%左右的污染土壤后，通過降低其他原材料堿含量的方式，部分抵消污染土壤帶入的堿，可使水泥熟料中鈉當(dāng)量達到內(nèi)控指標(biāo)≤0.8%的要求。為了保證水泥產(chǎn)品的質(zhì)量，減少污染土壤中水分對水泥窯工況的影響，降低處置污染土壤的成本，同時考慮水泥生產(chǎn)計劃和質(zhì)量安全隱患，本次處置過程中，按照3%的污染土壤添加量進行處置。

  4 處置污染土壤產(chǎn)生的影響及應(yīng)對措施

  4.1 對生產(chǎn)過程及熟料產(chǎn)量的影響及應(yīng)對措施

  7月15日開始摻加污染土壤，初期生產(chǎn)系統(tǒng)未見明顯影響，摻加5～6天后窯尾煙室結(jié)皮明顯增多，在系統(tǒng)拉風(fēng)不變的情況下，預(yù)熱器負(fù)壓增加，每班清煙室縮口次數(shù)增加，現(xiàn)場反映結(jié)皮偏多但不太硬；窯皮掉、掛頻繁，窯內(nèi)后部時常有結(jié)厚圈現(xiàn)象，調(diào)整系統(tǒng)后又掉落，此情況應(yīng)該與系統(tǒng)中堿含量增多有關(guān)。使用污染土壤約10天后，在頭尾煤用量不變的情況下，窯投料量從平均179.65t/h降至175.56t/h，下降約2.3%。

  在8月份的1號窯大修中檢查預(yù)熱器發(fā)現(xiàn)三次風(fēng)管道內(nèi)積灰多，三次風(fēng)閥門處結(jié)皮多，閥門兩側(cè)結(jié)皮嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響系統(tǒng)通風(fēng)；余熱鍋爐內(nèi)結(jié)皮也明顯增多。三次風(fēng)管道內(nèi)結(jié)皮多造成通風(fēng)量及風(fēng)溫不足，進而導(dǎo)致分解爐溫度低，煤粉不能完全燃燒，最終導(dǎo)致7月底8月初窯系統(tǒng)臺時產(chǎn)量降低。

  三次風(fēng)管及三次風(fēng)鍋爐結(jié)皮照片見圖1。

  經(jīng)檢驗結(jié)皮與熟料化學(xué)成分對比見表2。

  由于污染土壤存在較高的堿、氯離子等有害成分，在水泥窯及預(yù)熱器系統(tǒng)高溫環(huán)境下，易在過渡帶就熔融并揮發(fā)遇冷凝聚富集，對熟料生產(chǎn)帶來一定的負(fù)面影響。污染土壤進入分解爐后，預(yù)熱器生料中堿含量會長時間處在一個較高水平，與Cl-、SO3等高揮發(fā)成分形成氯化堿（RCl）和硫酸堿（R2SO4）等化合物，并快速在預(yù)熱器內(nèi)富集、黏附，易造成窯及預(yù)熱器中耐火材料的堿裂，影響耐火材料使用壽命；更主要的是在預(yù)熱器上大量富集極易造成結(jié)皮嚴(yán)重增多，影響系統(tǒng)通風(fēng)，導(dǎo)致人工清理次數(shù)和難度增加，結(jié)皮的頻繁脫落容易造成堵塞預(yù)熱器的工藝事故。

  有害成分的增加使熟料在窯內(nèi)的液相量提前出現(xiàn)、黏度增加，熟料容易出大塊，窯內(nèi)易結(jié)圈、結(jié)蛋，熟料煅燒困難。為盡量避免液相過早、過多出現(xiàn)，技術(shù)人員在生產(chǎn)中采取了適當(dāng)提高熟料硅率、提高燒成溫度、增加頭煤用量或減產(chǎn)等方法，通過不斷調(diào)整來降低其對熟料質(zhì)量的影響，卻又進一步使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，影響窯系統(tǒng)的臺時產(chǎn)量。

  8月份大修期間現(xiàn)場工人對系統(tǒng)結(jié)皮（包括余熱發(fā)電鍋爐及三次風(fēng)鍋爐積灰、結(jié)皮）進行了徹底清理，再次運行之后產(chǎn)量恢復(fù)到摻加污染土壤之前的水平。系統(tǒng)再次運行后，對原材料進行了調(diào)整，降低了生料其他原材料的堿含量，使生料中的K2O含量月均值從0.64%降至0.53%，從而使系統(tǒng)有害成分的總量降低。同時縮短定檢周期，定檢間隔較之前縮短了7～10天，從而使系統(tǒng)所受影響較大修之前有明顯好轉(zhuǎn)。

  4.2 對系統(tǒng)能耗的影響及應(yīng)對措施

  在處置污染土壤初期的7月底至8月初，受三次風(fēng)管結(jié)皮影響，在頭尾煤不變的情況下，投料量降低4t/h左右，從而導(dǎo)致煤耗、電耗增加。經(jīng)過核算此時熟料產(chǎn)量降低了2.74t/h，實物煤耗增加了0.84kg/t，電耗相應(yīng)增加0.67kWh/t。在8月份大修清理三次風(fēng)管結(jié)皮后，窯投料量和能耗恢復(fù)到正常水平。

  4.3 對余熱發(fā)電量的影響及應(yīng)對措施

  7月開始處理污染土壤一周后，余熱發(fā)電車間反映三次風(fēng)鍋爐風(fēng)量偏小、風(fēng)溫偏低，余熱窯頭鍋爐入口溫度逐步下降至480℃，蒸發(fā)量逐步下降至9.7t/h，相比6月份工況，鍋爐入口溫度下降了40℃，鍋爐蒸發(fā)量下降了1.27t/h。主要是由于三次風(fēng)鍋爐積灰、結(jié)皮加劇，換熱效果差造成主蒸汽溫度下降30℃左右（結(jié)皮嚴(yán)重時主蒸汽溫度僅340℃左右，清結(jié)皮后主蒸汽溫度提高到正常值370～380℃），發(fā)電機負(fù)荷同比下降0.2MW。8月3日大修后清理窯頭、三次風(fēng)鍋爐積灰、結(jié)皮后，窯頭鍋爐蒸發(fā)量上升至平均11.7t/h，比7月下旬蒸發(fā)量上升2t/h, 主蒸汽溫度升高40℃，發(fā)電機負(fù)荷上升0.6MW。正常運行至9月22日，運行參數(shù)逐步下降，窯頭鍋爐入口溫度最低僅430℃，窯頭鍋爐蒸發(fā)量7.9t/h,發(fā)電機負(fù)荷又下降至7月份發(fā)電量水平。9月底再次清理窯頭鍋爐及三次風(fēng)鍋爐積灰、結(jié)皮后，發(fā)電量恢復(fù)正常。

  4.4 對熟料、水泥強度的影響及應(yīng)對措施

  在生料中摻加污染土壤，造成生料易燒性的變化和有害成分的增加，對窯系統(tǒng)帶來一系列的不利影響，進而導(dǎo)致熟料強度尤其是28d強度出現(xiàn)明顯下滑，同時對水泥強度尤其是28d抗壓強度造成一定影響，具體數(shù)據(jù)見表3。

  從表3可看出，使用污染土壤之后熟料3d、28d平均抗壓強度分別較使用前下降2.2%和2.8%；同樣出廠水泥強度也有所下降，9月份由于調(diào)整了水泥配比使水泥強度有所恢復(fù)。

  5 總結(jié)

  水泥窯協(xié)同處置污染土壤關(guān)鍵的問題是消除或降低污染土壤中有害成分對系統(tǒng)的影響，由于本處置生產(chǎn)線沒有旁路放風(fēng)，所以只能通過加強結(jié)皮清理和縮短定檢周期來實現(xiàn)；另外，在生料配料時使用氯、堿等有害成分低的原材料也是保持系統(tǒng)穩(wěn)定的一項重要措施。本項目處置過程中的煙氣排放及周邊大氣污染物經(jīng)第三方檢測機構(gòu)檢測，排放數(shù)據(jù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

  通過本案例，我公司積累了水泥窯協(xié)同處置污染土壤的相關(guān)經(jīng)驗，為將來公司處置其他廢物奠定了基礎(chǔ)；同時本項目為我公司增加了數(shù)十萬元的經(jīng)濟效益，在水泥行業(yè)產(chǎn)能過剩、市場需求萎縮的今天，協(xié)同處置廢物無疑是水泥企業(yè)轉(zhuǎn)型升級、探索循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式的重要出路。