水泥回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置垃圾危廢的工藝及應(yīng)用
現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致工業(yè)廢棄物的產(chǎn)生量不斷增長，這些廢棄物，尤其是危險(xiǎn)廢棄物，若得不到安全有效的處置，勢必會嚴(yán)重危害人類健康及自然環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年產(chǎn)生的各類工業(yè)固體廢棄物6億多t，其中危險(xiǎn)工業(yè)廢棄物3000多萬t，而無害化處置量不足1000萬t。如何尋求科學(xué)、合理的危廢處置方法，是當(dāng)下工業(yè)和環(huán)保領(lǐng)域急需解決的問題。
我國危廢產(chǎn)生及處置現(xiàn)狀
各個國家及組織對危險(xiǎn)廢物有不同的界定，巴塞爾公約規(guī)定：危險(xiǎn)廢棄物包括有毒性、反應(yīng)性、腐蝕性和易燃易爆性的廢棄物。在我國，危險(xiǎn)廢棄物是指被納入國家危險(xiǎn)廢物名錄或經(jīng)國家鑒定具有危險(xiǎn)廢物特性的廢物。2016年3月30日，國家環(huán)保部修訂的《國家危險(xiǎn)廢物名錄》共列出了46大類另1]479種危廢，其中362種來自原名錄，新增117種，主要來源于電子、化工、印染、醫(yī)療等行業(yè)。
1.我國危廢產(chǎn)生量
根據(jù)2015年《全國環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，2014年我國工業(yè)危廢產(chǎn)生量3634萬t，山東、湖南、四川、浙江、江蘇、上海等地產(chǎn)生量最大，2003～2014年中國工業(yè)危險(xiǎn)廢物處置情況見表1。從處置情況來看，綜合利用量2062萬t，無害化處置量929萬t，綜合利用率為56%，無害化處置率僅為25%，大量危廢得不到安全、有效的處置。這些危險(xiǎn)廢棄物具有腐蝕性、可燃性和浸出毒性，會嚴(yán)重污染大氣、水源和土壤?，F(xiàn)有的處置方式及能力已不堪重負(fù)，尋求一條新的出路迫在眉睫。 表1：2003—2014年中國工業(yè)危險(xiǎn)廢物處置情況
2 .我國危廢處置現(xiàn)狀
我國目前危險(xiǎn)廢棄物的處置方法主要以焚燒和安全填埋為主。安全填埋處置方式的缺陷在于需占用大量的土地且選址嚴(yán)格，廢棄物入場前需進(jìn)行固化、穩(wěn)定化預(yù)處置，導(dǎo)致填埋成本高，且長期的環(huán)境安全性不好，一旦滲漏，勢必會對土壤和地下水造成不可挽回的嚴(yán)重污染。
焚燒法的缺陷在于設(shè)備投資及運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用很高。
現(xiàn)有焚燒爐的焚燒溫度一般在850—1200℃，物料停留時間一般為2S，這樣的燃燒工況對一般的廢棄物尚可，但對于危險(xiǎn)廢棄物，存在分解不徹底，產(chǎn)生二惡英劇毒物的風(fēng)險(xiǎn)。且焚燒處置后的飛灰及爐渣，仍為危險(xiǎn)廢棄物，還需進(jìn)一步處置。
新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯由于其獨(dú)有的先天優(yōu)勢，在處置廢棄物領(lǐng)域越來越受到重視，目前國內(nèi)已進(jìn)入到了水泥窯協(xié)同處置危廢的工業(yè)化實(shí)際應(yīng)用階段，工程項(xiàng)目陸續(xù)投產(chǎn)。
水泥窯協(xié)同處置危廢的優(yōu)勢及應(yīng)用情況
1 .水泥窯協(xié)同處置危廢的優(yōu)勢分析
水泥窯協(xié)同處置危險(xiǎn)廢物是國際公認(rèn)的處置危險(xiǎn)廢物的終極手段，具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，在發(fā)達(dá)國家的水泥行業(yè)已有三十多年安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
具體優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)煅燒溫度高，高溫停留時間長，湍流堿性工況，危險(xiǎn)廢物無害化徹底。水泥窯內(nèi)氣體最高溫度可以達(dá)到1800℃以上，物料溫度1450℃，可保證廢棄物焚毀安全;危險(xiǎn)廢物在爐中停留時間長，氣體在窯內(nèi)停留時間4S以上，物料停留時間超過30min，有充分的焚燒時間;水泥窯內(nèi)高溫氣體呈強(qiáng)烈的湍流狀態(tài)，氣固兩相混合均勻，有利于廢棄物的分解;水泥窯內(nèi)呈堿性氣氛，可以吸收廢棄物焚燒過程中產(chǎn)生的酸性氣體。
(2)焚燒灰渣直接利用，無灰渣二次處理問題。在水泥熟料燒成過程中，危險(xiǎn)廢物焚燒灰渣參與了熟料形成過程的反應(yīng)，進(jìn)入了熟料組成，可使有害廢料中的重金屬元素固化在水泥熟料礦物晶格中，達(dá)到被固化的效果，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)廢物的徹底無害化處置，避免了二次處理。
(3)危險(xiǎn)廢物中的有機(jī)成分和無機(jī)成分得到了充分利用。危險(xiǎn)廢物所含有機(jī)質(zhì)和可燃成分在水泥窯中煅燒時會產(chǎn)生熱量，可部分滿足自身水分蒸發(fā)的需要，焚燒后的殘?jiān)饕枪桎X無機(jī)質(zhì)，恰好是水泥組份需要的硅鋁質(zhì)原料。因此，危險(xiǎn)廢物中的有機(jī)成分和無機(jī)成分均能得到充分利用。
(4)排放氣體高效處置，環(huán)保指標(biāo)好。水泥生產(chǎn)時分解爐內(nèi)為高濃度堿性氧化鈣微粉環(huán)境，對處理廢物的過程有吸硫、氯作用，因此能改善和降低污染物綜合排放量。新型干法水泥窯工藝技術(shù)特點(diǎn)決定了出窯熟料和窯尾廢氣處于急冷狀態(tài)，不存在二惡英再析出的溫度條件。新型干法水泥窯系統(tǒng)是負(fù)壓狀態(tài)運(yùn)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。
(5)回轉(zhuǎn)窯熱容量大，工況穩(wěn)定，危險(xiǎn)廢物處理量大。水泥回轉(zhuǎn)窯規(guī)格比一般焚燒爐要大的多，熱穩(wěn)定性好，可提供連續(xù)穩(wěn)定的焚燒環(huán)境。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度為1000—1450cC的高溫物料近百噸，可以作為危險(xiǎn)廢物燃燒的熱穩(wěn)定填料，能抵抗危險(xiǎn)廢物處理量的波動和進(jìn)料溫度波動。因此，處理量大，處理穩(wěn)定、徹底。
(6)利用已有回轉(zhuǎn)窯，投資低。焚燒廢棄物與水泥生產(chǎn)同時進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)廢棄物的協(xié)同處置?？梢猿浞掷矛F(xiàn)有的工藝設(shè)備，減少投資和運(yùn)行費(fèi)用。
2.水泥窯協(xié)同處置危廢的應(yīng)用
發(fā)達(dá)國家在上世紀(jì)70～90年代就開始使用水泥窯處置可燃性廢棄物的試驗(yàn)研究及初步工業(yè)化嘗試。1974年加拿大的Lawrence水泥廠進(jìn)行了首次試驗(yàn)。隨后美國的Peerless、LoneStar、Alpha、Pauld—ing等10多家工廠亦隨后進(jìn)行了這方面的試驗(yàn)。
試驗(yàn)結(jié)果表明，回轉(zhuǎn)窯處置可燃性危險(xiǎn)廢棄物，對環(huán)境和水泥質(zhì)量無不良影響，且節(jié)約了能源。之后開始大規(guī)模推廣應(yīng)用，至1989年，美國、加拿大已有100多家水泥廠、石灰廠參與處置可燃性廢液;德國1999年替代燃料的比例已達(dá)全國熟料總熱耗的20%;2000年，西、北歐各國水泥工業(yè)燃燒處理的危險(xiǎn)陛可燃廢棄物總量為120萬t，全地區(qū)水泥工業(yè)利用可燃廢料的替代率為15%。
我國水泥行業(yè)從上世紀(jì)90年代后期開始了水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾、污泥級固體廢棄物的研究及工業(yè)試驗(yàn)工作。2005年11月，北京水泥廠處理10萬t/年工業(yè)廢棄物示范線投入生產(chǎn)，在國內(nèi)水泥行業(yè)首次實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模利用水泥窯協(xié)同處置廢棄物的良好開端。在處置一般工業(yè)固體廢棄物實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，之后處置對象發(fā)展到危險(xiǎn)廢物。上海萬安企業(yè)總公司，早在1996年就開始進(jìn)行利用水泥窯處置制藥廠含氟有毒廢液的試驗(yàn)。目前北京金隅集團(tuán)、上海萬安企業(yè)總公司、華新水泥、中材國際等多家企業(yè)已經(jīng)利用水泥窯處置各種危險(xiǎn)廢物，處置危險(xiǎn)廢物后，水泥窯排放的廢氣達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，同時水泥產(chǎn)品的質(zhì)量也符合國家標(biāo)準(zhǔn)。
3.水泥窯可處置的危廢類別
危險(xiǎn)廢棄物種類繁多，成分復(fù)雜，存在多種形態(tài)，在利用水泥窯進(jìn)行處置時必須遵守兩個基本準(zhǔn)則，其一：處置要絕對安全可靠，不能帶來新的環(huán)境污染或污染轉(zhuǎn)移;其二：不能影響水泥熟料正常的生產(chǎn)質(zhì)量。大量實(shí)驗(yàn)研究及工業(yè)化試生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，水泥窯可以處置的類別有：廢酸、廢堿、有機(jī)溶劑廢物、乳化液、固體危險(xiǎn)廢物、醫(yī)藥廢物、廢藥物藥品、精餾殘?jiān)U礦物油等，約占《國家危險(xiǎn)廢物名錄》總數(shù)的50%左右。各類危廢是否可采用水泥窯處置的具體分類見表2。 表2  水泥窯共處置危險(xiǎn)廢物種類
水泥窯協(xié)同處置危廢的工藝分析
危廢種類繁多、性狀各異，利用水泥窯處置時，必須把握一個最基本的處置原則，既要做到最大程度的無害化，又要采取措施將焚燒過程中對水泥生產(chǎn)造成的影響降至最低。實(shí)際操作時，需對進(jìn)廠廢棄物的類別、形態(tài)、成分、危害性等信息進(jìn)行嚴(yán)格的分析和把握，根據(jù)不同特性，分別制定無害化、資源化的處置方案。不同特性類別的危險(xiǎn)廢物，輔以預(yù)處理工藝，再通過不同的處置系統(tǒng)和位置入窯焚燒。危廢入窯的位置包括窯尾分解爐、窯尾上升煙道、回轉(zhuǎn)窯、窯頭罩及窯頭燃燒器。以上幾種入窯方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，從窯頭主燃燒器噴入對廢棄物預(yù)處理的要求較高;從窯頭喂入，對有害成分的焚毀率最高;從窯尾喂入，廢棄物停留時間最長。
處置措施及入燒成系統(tǒng)的位置首先取決于危廢的存在狀態(tài)。對于固態(tài)危廢，常規(guī)做法是先進(jìn)行破碎處理，再由皮帶機(jī)輸送至窯尾分解爐高溫位置。半固體危廢，經(jīng)預(yù)處理、攪拌混合后泵送至窯尾分解爐高溫處。液態(tài)危廢，則經(jīng)調(diào)質(zhì)混合后，由泵送至窯頭高溫處置。待處置廢棄物的燃燒特性，也是決定入窯位置的另一因素。可燃廢棄物應(yīng)在窯頭噴入，不可燃或低熱值的廢棄物應(yīng)從窯尾加入。
當(dāng)廢棄物的處置量過大，勢必會影響生料配料和燒成工況。在這種情況下，須根據(jù)廢棄物的成分和熱值，對生料配料和燒成系統(tǒng)工藝參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)處置堿、氯、硫等有害組份含量過高的廢棄物時，若有害組份含量超出水泥生產(chǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)，會造成預(yù)分解系統(tǒng)結(jié)皮堵塞，影響生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，此時除了嚴(yán)控配料外，還可同時實(shí)施旁路放風(fēng)措施，以減少有害組份的循環(huán)富集。
結(jié)語
利用水泥回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處理危險(xiǎn)廢物技術(shù)成熟、可靠，可處置《國家危險(xiǎn)廢物名錄》中一半以上的危險(xiǎn)廢棄物，水泥窯特有的高溫堿性工況可確保實(shí)現(xiàn)廢棄物處置的無害化。且較現(xiàn)有焚燒方式相比，投資省、運(yùn)行費(fèi)用低，具有很好的社會效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益，符合國家產(chǎn)業(yè)政策和發(fā)展規(guī)劃。處置時需先對廢棄物的組份、性狀及燃燒特性進(jìn)行嚴(yán)格的分析，以確定合理的入窯方式和位置。