重庆某化工厂污染土壤水泥窑共处置工程设计

蒲贵兵，尹洪军，吕 波

（重庆市市政设计研究院，重庆 400020）

重庆作为一个老工业城市，因历史上的粗放型生产，部分工业企业给土壤造成不同程度的污染。随着本地产业结构调整，环境保护意识的不断加强，重庆市在进行城市规划和工业企业规划中，一批污染严重、存在较大环境安全隐患的企业已关闭或迁离重庆主城区，但其遗留的部分场地达不到建设用地的环境质量要求，因此需对这些不合格的遗留工业用地进行污染修复。

土壤污染问题是目前环境科学、农业地质、沉积地质学、生态地球化学、应用化学等领域的重点研究问题之一，污染土壤的合理修复技术成为了当前的研究热点[1-9]。笔者以化工厂污染土壤为研究对象，把经过预处理（卫生填埋）的污染土作为水泥生产原料，从水泥厂干法窑烟室处喂入窑的煅烧系统中，经过入窑高温煅烧，污染土壤中原有的有害成分与水泥生产原料进行充分的化学反应，从而实现废物的有效处理和资源化利用。

1 工程设计

1.1 工程概述

重庆某化工厂位于重庆市江北区猫儿石地区，是国内最大规模的氯碱生产厂之一。主要产品有烧碱、氯气、盐酸、氯苯系列、甲烷氯化物、氟里昂、山梨醇、味精、杀虫剂等。2004年，化工厂发生爆炸事故，工厂就此停产。该地块经中国环科院三期评估，确定为需要进行修复的土壤。污染土壤的总量约为30 000 m3（约5万t）。

随着环保要求的进一步提高，鉴于废物处理需求的不断增长、填埋和农用受到的限制、专门的焚烧炉的高成本、市政垃圾焚烧炉有限的能力等原因，废物处理尤其是污染土壤处理，由于需要较大的处理能力和现成的设施，从而转向了其他替代方式。而水泥窑具有产能大，高温度的热氧化特点成为替代处理的方式之一。同时，水泥窑共处置的可靠性高，因而非常具有吸引力而快速发展[10-12]。

本项目采用填埋储存+水泥窑焚烧的组合工艺对污染土壤进行无害化及资源化处理，过程实质为固体废物的减量化处理[13]。

1.2 污染土壤

按照固体废物取样制样原则，原料取自重庆某化工厂污染土壤，针对它们进行分析，每份样品进行3次测验，数据取其平均值。

重要氧化物：均化、分散和干燥（125°C）后，采用X射线荧光分析法对重要氧化物进行分析，结果见表1。

碱类：通过火焰光度法对K2O和Na2O进行碱类分析，结果见表1。

表1 主要氧化物和碱类成分

氯：产品在热量计中进行矿化处理，然后采用电位滴定法进行测定。氯包括有机氯和矿物性氯，其中有机氯是挥发性物质的一部分。样品1～5气味最为浓重，针对其有机氯和矿物性氯进行详细分析，结果见表2。

重金属：采用ICP（电感耦合等离子体质谱仪测试）方法，测定No.1～5的混合样品的重金属浓度，结果见表3。

水分：干燥分析法测定。然而，干燥时，将蒸馏出一种有机含氯化合物，因此无法通过普通分析法测定其水分含量。其离差相对较高，平均为17.5%。

表2 氯含量

表3 重金属含量

1.3 污染土壤中的主要污染物

从表1～3可以看出，污染土壤里需要处理的主要污染物为有机化合物、重金属及氯等。

1.4 工艺流程

首先将受污染土壤转运至一个半封闭的污染土壤储库，然后将受污染土壤运至水泥厂预热器塔架旁，利用水泥厂原有干法水泥工艺，将受污染土壤以一定比例喂入回转窑分解炉下部烟室处，经窑高温焚烧处理受污染土壤，去除有毒污染物，最终成为成品水泥。其工艺流程见图1。

在进行土壤掘取、颗粒筛分及大颗粒土壤破碎时，应充分考虑到泥土水分对后续工序的影响，尽量控制土壤水分，达到本项目中土壤堆存和投加对水分的要求。

由于在喂料系统未考虑污染土的破碎，所以要求在进行污染土堆存前应进行土壤颗粒筛分，保证其细度小于50 mm。

图1 污染土壤处理工艺流程

1.5 工艺特点

在水泥生产过程中，生料需要达到1 450°C才能烧成熟料。这时空气温度可以达到2 000°C以上。另外窑的长度和窑内气体的温度决定了物料可以保持4 s以上大于1 200°C的高温，这可以充分保证最稳定的有机化合物也能被破坏。挥发性化合物将在提升机管道和分解炉高达1 000°C并且停留时间大于3 s的环境下被破坏。煅烧过程中和煅烧后，窑内物料剧烈搅动，氧气充足，所有碳、氢物质可以被完全氧化成为二氧化碳和水。水泥生产中，窑内最主要的反应是CaCO3分解成CO2和CaO，产生的自由钙有强碱性，这其实是一个巨大的清洁器。燃料、原料和废物中的硫、卤素在大量钙的作用下被充分中和。氯与原料中的碱结合后，无酸性气体产生。大多数时候，原料、矿物燃料和废物中的矿物元素会和二氧化硅或其他氧化物化合而固化在熟料的稳定晶格里。土壤中的矿物成分转变成熟料，这是一个资源充分回收利用的过程，在生产过程中不再产生任何残渣。用水泥厂共处置废物是实现可持续发展的一种方式，既减少了矿物燃料和矿物资源的消耗，又全面减少温室气体排放。废物共处置不仅替代了部分矿物燃料，消化了需要焚烧的物料，还最大化地减少了二氧化碳和氮氧化物排放。所以，从环保和技术上，水泥窑共处置工艺是可行的。

因此，从某种意义上说，水泥窑共处置工艺其实也是一个气体清洁系统。有机废物或燃料中的矿物质成分在熟料中结合成稳定的化学结构，成为产品化学结构的一部分。

1.6 主要设计

1.6.1 水泥窑共处置温度和持续时间

图2为水泥生产过程中气体和物质在旋风预热器/预分解炉系统中化合过程曲线。污染土壤在气体温度达1 000°C的提升机管道入窑，然后通过分解炉，此处的温度和停留时间保证了所有有机物被彻底破坏。

图2 气体和物质在旋风预热器/预分解炉系统中化合过程曲线

1.6.2 填埋平面设计

污染土壤储库场地为东西高的南北走向小沟渠地形。根据地形，下部作为贮存场地填埋受污染土壤，上部为轻钢结构厂房封闭贮存场区。

贮存场设计为梯台形，见图3。上底平面为东西宽50 m，南北长95 m的矩形，设计标高为327 m（即贮存最终标高）；下底平面为东西宽18 m，南北长59 m的矩形混凝土底座，设计底标高为315 m，顶标高316 m；底座到顶部四周内壁均为1∶1.5的放坡；设计库容量约为50 000 m3。贮存方式为由南向北，由下向上逐渐贮存。

图3 污染土壤储库平面布置

1）仓库主体采用钢架结构，顶部用彩钢瓦遮盖，周边用彩钢瓦封密，仅留与顶部交接处少许敞开，其余全部封闭。

2）仓库周边修建雨水沟，用于雨季收集、排放雨水，确保不让雨水流入堆棚内造成污染。

3）仓堆棚地面采用浇灌500 mm厚的防渗混凝土防止污染土壤内液体的渗出污染堆棚地面及周边土壤。地面中部建渗沥液收集沟，沟内铺设d150 mm高密度聚乙烯管，管底开孔，沟内以卵石填充，渗沥液经收集沟排入堆棚外的渗沥液收集池内。

4）仓堆棚内壁底部在挖掘成型后进行夯实处理，表面由下到上分别布高密度聚乙烯（HDPE）土工膜、土工布及土工布上层再堆砂袋。

5）仓堆棚正前方右侧修建3 m×4 m×3.15 m容积为37.8 m3的渗沥液收集池，收集的液体定期用泵抽入专用运输车中送至窑头喷入窑内煅烧处理。

6）仓堆棚正南面低于堆棚底部1 m建有渗沥液观测井用于检测污染土中液体是否有渗漏情况。

1.6.3 污染土壤储库设计

污染土壤储库见图4。场内壁底部在挖掘成型后进行夯实处理，内壁表面由下到上分别布高密度聚乙烯（1.5 mm HDPE）土工膜、土工布（200 g/m2）及土工布上层再堆装满砂的口袋，堆砂袋的目的是为了防止堆棚内进行机械作业时损坏防渗膜。底平面四周设混凝土渗沥液收集沟（0.4 m×0.4 m），沟内铺设d150 mm高密度聚乙烯管，管底开孔，沟内以卵石填充。渗沥液由污染土壤渗出，经土工布过滤后沿高密度聚乙烯（HDPE）土工膜层流入渗沥液收集沟，经渗沥液收集管道排入场外渗沥液收集池内，最后由专用潜水泵抽入污水运送车运走，然后利用窑的喷油点系统把收集液体喷入窑内处理，做到污染土壤的彻底处理。

图4 污染土壤储库剖面示意

贮存场上部设钢结构半密封厂房，厂房净高9 m，跨度50.0 m，长度95.0 m，顶部标高为336m。储库主体采用轻钢结构。柱为钢管柱，屋架为钢管组焊三肢格构式弧形屋架。屋面为0.476 mm厚单层彩钢板。檩条采用冷弯薄壁C140×50×20×2.0型钢檩条。墙体1.2 m以下为砖砌体，1.2 m以上为0.376 mm厚Y×15-225-900型彩钢板墙体。墙架梁采用冷弯薄壁C140×50×20×2.0型钢檩条。四周设置M4045铝合金卷帘2樘。设置高0.9 m一排塑钢通窗，设置C3318塑钢窗32樘。屋面排水为钢板天沟有组织排水，落水为PVC塑料管。

1.6.4 土壤投加系统设计

经理论计算并结合水泥厂的实际情况，污染土壤作为原材料，其替代率为1.6%。污染土用汽车从储料堆棚转运存料斗，为避免卸料时产生的扬尘造成二次污染，需对卸料点进行密封，卸料进口安装1道闸门，卸料完成后，该门处于密封关闭状态。卸料点旁安装1台收尘器，使之在卸料时保持负压，收尘器主拉风机出口接入窑尾煤风机进口，避免污染土粉尘外扬，造成二次污染。在进行酸化土喂料时，喂料量为2 t/h，入窑下料溜管上安装1台锁风阀，见图5。

图5 处理设备

1）卸料区和物料提升区实行全封闭，避免污染土壤在卸料时外扬造成二次污染。

2）在全封闭的卸料和物料提升区顶部加安通风管道与预热器相连，利用窑尾收尘器进行拉风，并在通风管上加安与中控联网的锁风阀（原环评中此处需安装袋收尘器，但公司出于节能、环保的角度考虑充分利用现有设备的富余能力进行收尘，故做了调整）。

3）汽车卸料时整个区域半封闭，卸完料后整个区域全封闭，无论是半封闭或全封闭时均要保证整个土壤投加系统处于负压状态。

4）通风管道上的锁风阀开度可通过中控进行远程调控，确保生产期间整个土壤投加系统的负压状态。

2 投资与效益分析

2.1 投资估算

参照当前国家及重庆市的地方估算指标，本次工程估算投资为971.3万元（见表4）。

表4 工程投资（总）估算

2.2 运行费用

项目建成投产后，根据窑的处理能力计算和污染土壤处理量的情况，系统运行按2 a计。在系统运行过程中，需对从污染土壤储存到投加的各个工序进行操作和监控及检测，保证本系统的正常运行，需要投入大量人力物力及财力。运行费用见表5。

表5 运行费用

2.3 预期收益测算

本项目的收益来自污染土壤转化为水泥产品和政府的处理补助费。

污染土壤含水率按17.5%计，水泥煅烧过程中，产量损失按5%计，则污染土壤完全处理，其有效转化为水泥的量为50 000×（1-0.175）×（1-0.05）=39 187.5（t）。

根据当前情况下，预期水泥单价为380元/t，每处理1 t污染土壤政府补助50元，则预期收益为39 187.5×（380+50）/10 000=1 685.062 5（万元）。

因此，项目净收益为1 685.062 5-971.3-163.76=550.002 5（万元）。故从财务上分析，项目是可行的。

3 结论

根据污染土壤的实际情况，采用卫生填埋储存+水泥窑焚烧的组合工艺对污染土壤进行无害化及资源化处理，从环保、技术及经济方面来看，项目都是可行的。项目总处理量为50 000 t污染土壤，水泥原材料替代率1.6%，土壤储库有效容积30 000 m3，项目运行时间为2 a，项目总投资971.3万元，运行成本163.76万元，净收益550.002 5万元。

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