危險(xiǎn)固體廢棄物對水泥窯工況的影響

王玉楷，朱志領(lǐng)

1 引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的危險(xiǎn)固體廢棄物（簡稱“危固廢”）日益增多，日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)使工業(yè)企業(yè)對危固廢的管理與處置壓力逐漸增大。由于危固廢處置的特殊性和危險(xiǎn)性，若處置工藝技術(shù)和設(shè)備選擇不當(dāng)，極易造成嚴(yán)重二次污染。相比較而言，新型干法水泥生產(chǎn)線回轉(zhuǎn)窯具有溫度高、熱容量大、工況穩(wěn)定、氣（料）流在窯系統(tǒng)滯留時(shí)間長、湍流強(qiáng)烈、堿性氣氛等特點(diǎn)，以及最終水泥熟料產(chǎn)品具有有效固化作用，均使得水泥窯協(xié)同處置技術(shù)在處置含重金屬危固廢時(shí)，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。但是危固廢入窯系統(tǒng)的處置量、熱值及水分，對水泥窯的熱工工況有一定影響，易造成窯系統(tǒng)風(fēng)、煤、電、一氧化碳及氮氧化物排放量的波動(dòng)。針對以上問題，我公司在4 500t/d水泥熟料生產(chǎn)線上進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，研究危固廢經(jīng)固態(tài)系統(tǒng)（對危固廢進(jìn)行破碎混合預(yù)處理的系統(tǒng)）預(yù)處理后，其熱值和水分對水泥窯風(fēng)溫、煤耗、氮氧化物排放等的影響。

2 危固廢固態(tài)系統(tǒng)工藝流程及試驗(yàn)方法

2.1 危固廢固態(tài)系統(tǒng)工藝流程

危固廢固態(tài)系統(tǒng)主要適用于處置水分<30%的危固廢。危固廢固態(tài)系統(tǒng)工藝流程見圖1。如圖1所示，危固廢經(jīng)破碎、混合、計(jì)量后，通過膠帶輸送機(jī)送至水泥窯分解爐內(nèi)進(jìn)行焚燒處置。危固廢物料在儲(chǔ)坑內(nèi)進(jìn)行預(yù)均化處理時(shí)，應(yīng)確保危固廢在混合過程中，不發(fā)生急劇增溫、爆炸、燃燒的化學(xué)反應(yīng)，不產(chǎn)生有害氣體，同時(shí)禁止將不相容的危固廢進(jìn)行混合。

圖1 危固廢固態(tài)系統(tǒng)工藝流程

2.2 試驗(yàn)材料及測定方法

入窯危固廢主要包括污泥、除塵灰、大修渣、精餾殘?jiān)取檠芯课９虖U入窯對窯工況的影響，在2021 年處置危固廢的過程中，每日對危固廢固態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)坑物料取樣檢測2次，對危固廢含水率的測定采用減重法，對危固廢熱值的分析測定采用GB/T 212-2008《煤的工業(yè)分析方法》，同時(shí)，持續(xù)對窯工況及氮氧化物排放進(jìn)行監(jiān)測。

2.3 危固廢的搭配、混合及化學(xué)特性

危固廢的預(yù)處理，以除塵灰和大修渣為基底物料，搭配其他含水率及熱值偏高的精餾殘?jiān)Ｒ蛭９虖U中的重金屬含量很低，在研究試驗(yàn)時(shí)可忽略不計(jì)。為避免危固廢入窯導(dǎo)致窯系統(tǒng)下料不穩(wěn)定，造成CO 和氮氧化物排放量波動(dòng)，固態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)坑中危固廢物料混合均勻后，應(yīng)疏松分散。入窯危固廢物料的配比應(yīng)以物料實(shí)際狀態(tài)為準(zhǔn)，并確保水分在固態(tài)系統(tǒng)要求范圍內(nèi)。固態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)坑危固廢理化特性分析見表1，由表1可知，危固廢的主要理化性能差異在于其熱值及水分、氯、堿含量。

表1 固態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)坑危固廢理化特性分析

3 結(jié)果與分析

3.1 窯運(yùn)行及危固廢監(jiān)測指標(biāo)情況

協(xié)同處置期間，窯系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)及危固廢監(jiān)測指標(biāo)情況見表2。由表2 可以看出，2021 年生產(chǎn)期間，在1~10月份的危固廢處置過程中，水泥窯產(chǎn)量在176.02~189.93t/h，平均產(chǎn)量為182.72t/h；窯頭喂煤量在6.86~7.61t/h，平均窯頭喂煤量為7.30t/h；窯尾喂煤量在 11.43~13.16t/h，平均窯尾喂煤量為12.36t/h。熟料煅燒及危固廢處置過程中，CO排放濃 度 在 0.04%~0.10%，NOX排 放 濃 度 在 73.97~84.86mg/Nm3，整體排放濃度低于限值100mg/Nm3。

危固廢處置期間，窯二次風(fēng)平均溫度為1 123.30℃，高出限定溫度23.30℃；三次風(fēng)平均溫度為1 012.98℃，高出限定溫度12.98℃，且風(fēng)溫整體隨著危固廢投加量的增加呈上升趨勢，表明危固廢入窯后，喂煤量仍有下降空間。

由表2 還可看出，生產(chǎn)期間，在危固廢投加過程中，進(jìn)廠危固廢性狀與生產(chǎn)匹配不佳，儲(chǔ)坑物料熱值和水分波動(dòng)較大，儲(chǔ)坑物料熱值總體在735.68~10 710.62kJ/kg，平均熱值為5 862.91kJ/kg，含水率在1.90%~44.90%，危固廢月平均處置量為1 032.70t。因危固廢水分和熱值波動(dòng)，造成水泥窯CO和氮氧化物排放量波動(dòng)。

表2 窯系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)及危固廢監(jiān)測指標(biāo)情況（2021年）*

我公司持續(xù)對危固廢物料入爐量進(jìn)行優(yōu)化，確保連續(xù)穩(wěn)定少量投料，以減少其對窯熱工制度的影響。在6~8月份的實(shí)際生產(chǎn)過程中，危固廢儲(chǔ)坑物料水分整體<30%，危固廢處置量單日最高達(dá)7t/h，其他時(shí)間的危固廢處置量穩(wěn)定在4t/h以上。

3.2 危固廢入窯后熟料氯堿含量的變化

為確保熟料氯離子含量在國標(biāo)限值內(nèi)（0.060%），同時(shí)實(shí)現(xiàn)危固廢處置量的最大化，我公司在處置危固廢期間，將固態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)坑物料氯離子含量控制在1%以內(nèi)，堿含量控制在4%以內(nèi)，確保危固廢入窯后熟料氯離子含量<0.040%，堿含量<0.085%。因生料及危固廢中的硫含量較少，危固廢入窯硫含量對熟料的影響可忽略不計(jì)。

危固廢處置對熟料氯離子含量的影響見圖2。由圖 2 可知，2021 年 1~10 月，生料氯離子含量在0.024%~0.031%，危固廢投加后，熟料氯離子含量在0.019%~0.026%，且多低于生料氯離子含量。通過對生料、熟料氯離子含量分析可知，危固廢入窯后（未開旁路放風(fēng)系統(tǒng)），部分氯離子會(huì)在水泥窯中循環(huán)富集，且循環(huán)富集率為47%~54%，平均循環(huán)富集率為51%，其余的氯離子最終富集到熟料中。

圖2 危固廢處置對熟料氯離子含量的影響

觀察8月份水泥窯生產(chǎn)情況發(fā)現(xiàn)，窯系統(tǒng)當(dāng)月共運(yùn)行20d，其中，有12d 的二次風(fēng)溫波動(dòng)較大，熟料游離氧化鈣偏高，窯結(jié)皮垮落，熟料綜合樣氯離子含量高達(dá)0.046%。

危固廢處置對熟料堿含量的影響見圖3。由圖3可知，生料堿含量在0.43%~0.79%，熟料堿含量在0.51%~0.83%，整體低于內(nèi)控限值。

圖3 危固廢處置對熟料堿含量的影響

由此可見，目前對于儲(chǔ)坑有害元素的控制，可以保證熟料質(zhì)量的穩(wěn)定，且對水泥窯氯離子的循環(huán)富集能力影響較小，但窯風(fēng)溫控制不好，易造成窯工況波動(dòng)和窯結(jié)皮垮落，進(jìn)而影響熟料質(zhì)量。

3.3 危固廢入窯后窯工況指標(biāo)的變化

危固廢性能指標(biāo)與水泥窯工況指標(biāo)的方差分析見表3。由表3 可知，危固廢入窯的熱值和水分顯著影響水泥窯喂煤量、一氧化碳及氮氧化物排放量（P<0.01）。窯頭、窯尾喂煤量及氮氧化物排放量隨危固廢熱值的升高呈降低趨勢，而二次風(fēng)溫、三次風(fēng)溫及一氧化碳排放量隨危固廢熱值的升高逐漸增加；水分對窯喂煤量、風(fēng)溫、一氧化碳排放量的影響與熱值相反，即窯喂煤量、二次風(fēng)溫、三次風(fēng)溫及一氧化碳排放量隨危固廢水分的增加呈降低的趨勢，表明危固廢入窯協(xié)同處置有顯著的減煤作用，且危固廢的熱值利于氮氧化物減排。

表3 危固廢性能指標(biāo)與水泥窯工況指標(biāo)的方差分析

水泥窯氮氧化物主要有熱力型、燃料型和快速型氮氧化物三種類型。氮氧化物減排所需氨水用量取決于氮氧化物的總量及分解爐內(nèi)氨水與氮氧化物的反應(yīng)效率，在此暫不作理論分析。在實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)行危固廢協(xié)同處置前，單位熟料氨水平均用量為980L/h；協(xié)同處置后，單位熟料氨水平均用量為960L/h。危固廢儲(chǔ)坑的主要物料為大修渣和除塵灰，此類危固廢為鋁工業(yè)產(chǎn)生，多含氮化鋁，與含水率大的污泥和精餾殘?jiān)旌虾笠桩a(chǎn)生氨氣，能夠促進(jìn)氮氧化物還原。但入窯危固廢物料熱值需<10 450kJ/kg，水分<40%，若熱值和水分過高，則會(huì)使窯系統(tǒng)一氧化碳和氮氧化物排放量波動(dòng)較大，窯內(nèi)易形成還原氣氛。

水泥窯工況指標(biāo)相關(guān)系數(shù)見表4。窯系統(tǒng)各指標(biāo)的相關(guān)分析表明，窯尾氮氧化物的排放量與用煤量呈顯著正相關(guān)，尤其受窯尾喂煤量的影響（Corr=0.796 5）。窯系統(tǒng)氮氧化物排放量整體隨著用煤量的增加而增加，而隨著危固廢（除塵灰和大修渣）處置量的增加，窯喂煤量顯著降低，氮氧化物排放量則有降低的趨勢，表明氮氧化物排放主要與煤耗相關(guān)而危固廢（除塵灰和大修渣）的投加，有助于窯系統(tǒng)煤耗的降低，緩解了煤對氮氧化物的影響，減少了氮氧化物的生成量。

表4 水泥窯工況指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

3.4 危固廢入窯后煤耗的變化

3.4.1 理論計(jì)算

因窯系統(tǒng)熱傳導(dǎo)率波動(dòng)較大，且窯體溫度變化不一，本文以熱傳導(dǎo)效率為60%來計(jì)算處置危固廢期間的煤耗。

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)可知，處置危固廢期間，月平均處置量為 1 032.70t，平均熱值為 5 862.90kJ/kg，平均水分為25.98%，平均燒失量為21.91%。按進(jìn)入水泥窯1kg水，消耗的熱量為4 267.68kJ計(jì)，相當(dāng)于消耗0.146kg標(biāo)煤[3]。由此計(jì)算：

（1）每月危固廢水分從常溫20℃升至分解爐870℃，所需要消耗的熱量為：

（2）每月危固廢灰分需要消耗的熱量為：

（3）每月危固廢燃燒放熱為：

（4）每月處置危固廢凈生成的熱量為式（3）-式（2）-式（1），即：

生成的熱量相當(dāng)于每月可節(jié)省標(biāo)煤 203 969.39kg。月平均熟料產(chǎn)量按87 264.99t計(jì)，噸熟料可節(jié)省標(biāo)煤2.34kg。

3.4.2 生產(chǎn)驗(yàn)證

危固廢處置前后窯系統(tǒng)標(biāo)煤耗變化見圖4。由圖4可知，2020 年未處置危固廢前，窯系統(tǒng)噸熟料標(biāo)煤消耗為99.24~103.21kg，平均為 101.90kg；協(xié)同處置危固廢后，窯系統(tǒng)噸熟料 標(biāo) 煤 耗 為 96.77~101.03kg，平均為98.19kg，整體噸熟料標(biāo)煤耗降低了3.21kg。由此可見，協(xié)同處置危固廢后，窯系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)減煤量比理論減煤量多0.87kg/t.cl，主要是因?yàn)槲９虖U處置期間，水泥窯錯(cuò)峰停窯，月熟料產(chǎn)量、危固廢處置量、水分和熱值有較大差異，以平均值計(jì)算會(huì)造成部分誤差。

圖4 危固廢處置前后窯系統(tǒng)標(biāo)煤耗變化

4 結(jié)語

（1）窯系統(tǒng)用煤量是氮氧化物排放量的主要影響因素，而大修渣和除塵灰的入窯，提高了系統(tǒng)風(fēng)溫，有顯著的減煤作用，進(jìn)而減排了氮氧化物。危固廢月處置量為1 000t時(shí)，理論計(jì)算窯系統(tǒng)減煤量達(dá)到2.34kg/t。

（2）入窯危固廢處置量為4t/h 時(shí)，為避免窯內(nèi)產(chǎn)生還原氣氛，入窯危固廢氯離子含量應(yīng)<1%，堿含量<4%。此控制指標(biāo)下的有害元素在窯內(nèi)循環(huán)富集，不會(huì)影響水泥窯的正常運(yùn)行，氯離子循環(huán)富集率平均為51%。