一種含氯活性炭渣燒結(jié)磚工藝處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)

田 原

(湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，湖南 長沙 410004)

我國是世界制造大國，隨著工業(yè)發(fā)展和不斷創(chuàng)新，活性炭因具有成本低、結(jié)構(gòu)易于調(diào)控和物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，作為吸附材料普遍投入到生產(chǎn)工藝當(dāng)中。由于活性炭在使用過程中容易飽和而失去吸附能力，吸附飽和的活性炭渣往往成為危險(xiǎn)廢物。現(xiàn)階段全國每年危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量為6 000萬噸，其中僅危廢活性炭就占65%[1]。危廢活性炭如果處置不及時(shí)或不當(dāng)，勢必造成環(huán)境二次污染[2]。如不規(guī)范焚燒，將產(chǎn)生大量有毒有害氣體，含氯有機(jī)物的焚燒會(huì)產(chǎn)生二噁英、呋喃類環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)[3]。目前，處理危險(xiǎn)廢物的方法主要有安全填埋、焚燒法、熱解法、固化處理以及物理、化學(xué)和生化處理等[4]。我國對于危險(xiǎn)廢物處置工藝研究起步相對較晚，現(xiàn)主要處理方式以焚燒為主，而在焚燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的二噁英，其來源主要有兩條途徑：(1)前去物合成，即未完全燃燒產(chǎn)物氯酚、氯苯等小分子污染物在飛灰表面合成二噁英；(2)從頭合成，即飛灰中的殘?zhí)炕蛘咛亢谠诮饘俅呋瘎┑拇呋饔孟屡c氧、氯、氫等反應(yīng)釋放二噁英[5]。同時(shí)，焚燒產(chǎn)生的灰渣若不及時(shí)處理會(huì)造成環(huán)境二次污染。

燒結(jié)磚工藝具有處置量大、處置效果好、原料多變的特性，采用隧道式干燥窯全內(nèi)燃燒磚工藝不但能保證活性炭渣長時(shí)間高溫處置，而且出窯卸磚幾乎無塵，能保證活性炭渣資源有效利用。然而，高溫焚燒處理固體廢棄物不可避免產(chǎn)生一定量的二噁英，相較于煤矸石作為內(nèi)燃材料的燒結(jié)磚工藝，采用含氯活性炭部分替代的生產(chǎn)方式，其產(chǎn)生的二噁英生產(chǎn)和排放也會(huì)產(chǎn)生一定變化。

實(shí)驗(yàn)采用含氯活性炭渣部分替代煤矸石作為內(nèi)燃材料的方式進(jìn)行隧道式干燥窯燒結(jié)工藝，分析其二噁英產(chǎn)生量，并與同等工況下采用煤矸石燒結(jié)二噁英產(chǎn)量進(jìn)行對比，對該種處理工藝資源化利用可行性進(jìn)行分析，為含氯活性炭渣資源合理化利用工藝提供參考。

1 材料和方法

1.1 系統(tǒng)工藝

實(shí)驗(yàn)采用隧道式干燥窯進(jìn)行燒結(jié)磚生產(chǎn)，隧道窯長108 m，采用內(nèi)燃工藝，燒成周期24 h，可放置窯車24輛，磚坯重量約3 kg，碼坯數(shù)量為19×11×9/窯車，活性炭渣磚坯泥土、煤矸石、活性炭渣原料質(zhì)量比為4.5∶ 0.6∶ 0.4，煤矸石磚坯泥土、煤矸石質(zhì)量比為5∶ 2。具體工藝參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)工況

將磚坯按規(guī)格放置窯車后，在24 h燒結(jié)周期內(nèi)勻速進(jìn)入窯車直至填滿隧道窯，待工況穩(wěn)定后，于隧道窯尾氣總排口進(jìn)行二噁英監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)工況如表2所示。

表2 隧道窯不同物料實(shí)驗(yàn)工況

1.3 分析方法

對某化工廠含酸活性炭渣進(jìn)行定性分析，判定原料中揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和半揮發(fā)性有機(jī)物(SVOCs)以及元素成分，并將其工業(yè)屬性與煤矸石進(jìn)行對比分析，判定其在工藝方面的可行性。

按照《環(huán)境空氣和廢氣 二噁英類的測定 同位素稀釋高分辨氣相色譜高分辨質(zhì)譜法》(HJ—2008)對生產(chǎn)廢氣進(jìn)行采集分析，檢測儀器采用眾瑞ZR-3720型廢氣二噁英采樣器、Thermo DFS 磁式質(zhì)譜儀、ME104E-02梅特勒電子天平進(jìn)行分析。二噁英濃度每個(gè)周期采樣3次，計(jì)算煙氣樣品中17種有毒二噁英的濃度和對應(yīng)的毒性當(dāng)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 原料分析

2.1.1 GC-MS(氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀)定性分析

通過GC-MS對某化工廠含酸活性炭渣進(jìn)行了揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和半揮發(fā)性有機(jī)物(SVOCs)定性初篩，其中揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)分析方法參考《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》(GB5085.3—2007)附錄O，半揮發(fā)性有機(jī)物(SVOCs)分析方法參考《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)毒性物質(zhì)含量鑒別》(GB5085.6—2007)附錄K。

SVOCs定性結(jié)果如圖1、2和表3所示。

圖1 SVOCs 空白譜圖

圖2 廢料SVOCs 譜圖

表3 廢料SVOCs分析結(jié)果

VOCs定性結(jié)果如圖3、4和表4所示。

圖3 VOCs空白圖譜

圖4 廢料VOCs圖譜

表4 樣品VOCs分析結(jié)果

2.1.2 元素分析

對活性炭渣進(jìn)行全金屬及N、S、Cl、F元素檢測，結(jié)果如表5所示。

表5 樣品全金屬及元素分析結(jié)果

結(jié)果表明，活性炭渣中主要含有Cr、Zn、As、Pb四種重金屬元素。

2.1.3 工業(yè)分析

由表6可知：相較于廢活性廢料，煤矸石具有揮發(fā)分低、灰分高的特點(diǎn)，而活性炭渣中硫含量較低。從熱值數(shù)據(jù)分析，廢活性炭渣發(fā)熱量可到達(dá)22.93 MJ/kg，而煤矸石熱值為1.21 MJ/kg，廢活性炭熱值較高，因此廢活性炭可替代一部分燃煤作為輔助燃料使用。

表6 樣品工業(yè)分析結(jié)果

2.2 生產(chǎn)廢氣分析

本次實(shí)驗(yàn)在穩(wěn)定工況下，不加入含酸活性炭渣及加入含酸活性炭渣兩種條件下采用《環(huán)境空氣和廢氣二噁英類的測定同位素稀釋高分辨氣相色譜高分辨質(zhì)譜法》(HJ77.2—2008)方法對生產(chǎn)廢氣中二噁英產(chǎn)生情況進(jìn)行監(jiān)測，其結(jié)果如表7、表8所示。

表7 5∶ 2泥土、煤矸石原料混合廢氣處理設(shè)施進(jìn)口二噁英監(jiān)測數(shù)據(jù)

表8 4.5∶ 0.6∶ 0.4泥土、煤矸石、活性炭渣原料混合廢氣處理設(shè)施進(jìn)口二噁英監(jiān)測數(shù)據(jù)

由表8可知：用活性炭渣替代部分煤矸石作為內(nèi)燃材料工藝產(chǎn)生的二噁英換算質(zhì)量濃度為0.16 ngTEQ/Nm3，遠(yuǎn)低于《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18484—2020)規(guī)定的0.5 ngTEQ/Nm3標(biāo)準(zhǔn)?？梢?，燒結(jié)磚處理溫度高、停留時(shí)間長之外，同時(shí)在燒結(jié)磚生產(chǎn)過程中，一般需要通入大量的空氣作為助燃風(fēng)，可進(jìn)一步促進(jìn)活性炭渣的充分燃燒和二噁英的分解，也可以稀釋尾氣中二噁英等有害氣體的濃度[6]。所以，采用此種工藝促進(jìn)含氯活性炭渣綜合利用具有一定的可行性。

3 結(jié)論

隧道窯燒結(jié)工藝因溫度高、停留時(shí)間長等特點(diǎn)可作為含氯活性炭渣的一種處理方式。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)：

(1)采用某化工企業(yè)含氯活性炭渣替代部分煤矸石作為內(nèi)燃材料工藝產(chǎn)生的二噁英毒性換算質(zhì)量濃度為0.16 ngTEQ/Nm3，遠(yuǎn)低于《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18484—2020)規(guī)定的0.5 ngTEQ/Nm3標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到工藝未配套相應(yīng)廢氣處理設(shè)施，相關(guān)工藝有進(jìn)一步優(yōu)化空間。

(2)通過對比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤矸石、活性炭渣燒結(jié)產(chǎn)生的1,2,3,7,8,9-H6COF、1,2,3,4,7,8,9-H7COF變化波動(dòng)不大，這是由于煤矸石與活性炭渣中可溶性有機(jī)碳(DOC)含量相似的原因。