陶粒回转窑特性及共处置危险废物潜力的研究

刘振森 何 捷 聂 卿 崔敬轩 萧 瑛 徐伟伟 赵兰珍 宋彤彤

（中国建筑材料科学研究总院，北京 100024）

危险废物（以下简称危废），是指列入国家危险废物名录或者根据国家规定的危险废物鉴别标准和鉴别方法认定的具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性和感染性等一种或一种以上危险特性，以及不排除具有以上危险特性的固体、液体或其他形态的固体[1]。由于危废具有理、化、生物等特性，因此，必须对其进行处置后才能排放，以确保对人类社会和环境造成的威胁和伤害最低。

2010年，我国共产生危废1586.8万吨，其中综合利用量(含利用往年贮存量)976.8万吨，贮存量166.3万吨，处置量512.7万吨。当年，全国已有约1500 家单位取得了危险废物经营许可证，持证单位的危废年利用处置能力达2325 万吨，实际利用处置危废（不含铬渣）约840万吨，其利用处置能力仅为第一次全国污染源普查危废产生量的50%左右，且设施负荷率不足40%[2]。据预测，2015年我国危废产生量将超过6000 万吨。那时，危废产生量越来越大的现状和我国危废焚烧、填埋等处置能力不足的矛盾将更加明显，促使我们不得不尽快拿出应对之策。

现有危废处置技术，可分为焚烧处置技术、非焚烧处置技术、安全填埋技术等。其中，焚烧处置包括回转窑焚烧、液体注射炉焚烧、流化床炉焚烧、固定床炉焚烧和热解焚烧，适用于处置有机成分多、热值高的危废（不包括含汞废物）。由于上述处置技术，均采用新建相应的设施来实现，这存在投资大，规划时间长的不足，因此，探索利用现有的工业窑炉以共处置危废成为研究的热点之一。本文就陶粒行业的主要烧成设备——回转窑进行特性研究，以探讨其是否能够用于共处置危废。

1 陶粒及回转窑

陶粒， 是由粘土（或淤泥）、泥质岩石、工业废料(粉煤灰、煤矸石)等作为主要原料，经加工、熔烧而成的颗状陶质物。由于具有质轻，耐腐蚀，抗冻，抗震和良好的隔绝性等多功能特点，陶粒在我国应用领域较广，产量较大，2007年全国陶粒年产量为400万m3，2011年全国陶粒年产量达到600万m3[3]。陶粒的生产方法可分为焙烧型和养护型两种类型，自20世纪 80年代开始，用回转窑法烧胀陶粒成为我国陶粒生产的主要方法。

陶粒回转窑主窑体与水平呈3°左右的倾角[4]，物料从高的一端（窑尾）进入窑内，高压风机将煤粉(或天然气等其他燃料）在低的一端（窑头）喷入窑内，物料吸收燃料产生的热量后发生物理、化学和膨胀变化，冷却后即为陶粒。

2 陶粒回转窑共处置危险废弃物的潜力

2.1 回转窑温度制度

陶粒回转窑的工作区可以分为两个区域，即预热区和烧成区。回转窑烧结粉煤灰陶粒的温度制度（以40m窑为例），预热区长度为35m，其温度为200-1000℃，停留共78-108min左右；烧成区长度为14m，其温度为1000-1200℃，停留共10-18min左右；陶粒出窑温度为900-1000℃，经竖式冷却机冷却后的陶粒温度高于环境空气温度约30-40 ℃，热风（300-400 ℃）部分用于两次空气助燃，部分用于烘干。

回转窑的温度场如图1所示。

图1 回转窑温度场（窑长40m，直径2.5m）

依据《HJ 2042-2014 危险废物处置工程技术导则》，与回转窑有关的危险废物焚烧处置温度要求为：温度范围应为750～1200℃。可以看出，陶粒回转窑温度制度满足危废处置温度的要求。

2.2 回转窑物料停留时间

物料颗粒在回转窑筒体内停留时间t（min），与筒体转速n（r/min）， 筒体长度L（m）， 筒体直径D（m），筒体对水平面倾角α（度），自然休止角θ（度）等因素有关。对于光滑而无扬料板或挡圈的筒体，且物料填充率φ=0.1～0.15， α=1o～ 6 o时，物料停留时间用公式[5]可表示为：

回转窑（Φ2.5m×40m）固相从原材料投加到冷却部位，平均速度为0.0056-0.0075m/s，通过时间为 90～140min， 其中，750～1200℃范围内物料停留33-44min；烧成区（1000～1200℃）停留时间为10～15min，依据《HJ 2042-2014 危险废物处置工程技术导则》，对回转窑有关的危险废物焚烧处置物料停留时间要求为：750～1200℃范围内，固体停留时间应为30min～2h。可以看出，陶粒回转窑满足危废处置物料停留时间的要求。

2.3 回转窑气氛和压力制度

回转窑烧结陶粒的气氛，依据不同的陶粒需要有所区别，对于原料中有色离子（如Fe），气氛影响最终陶粒的颜色，氧化气氛下为红色，还原气氛为青灰色[6]。

一般正常运行情况下，回转窑出料口压力为-5Pa，废气入口压力为-50-100Pa，出口压力为-100-200 Pa。依据《GB 18484－2001危险废物焚烧污染控制标准》，焚烧技术处置危险废物必须保证系统处于负压状态，以避免有害气体溢出。因此，应保证回转窑有良好的气密程度；同时，严格控制压力制度运行，否则不能利用回转窑进行共处置危险废物。

2.4 回转窑烟气

回转窑产生的烟气，多是从回转窑窑尾进入沉降室后，直接由烟囱排除，排出烟气温度为250-300℃[7]，烟气的主要成分是煤粉燃烧后产生的废气和陶粒坯料在回转窑内行走过程中磨损或爆炸产生的细粉，除此之外，气体主 要 成 分 为 CO2：16.8-22.2%；O2：0.4-1.0%， CO： 0.4-1.2%， N2含量为78.6-82.4V%。

依据《HJ 2042-2014 危险废物处置工程技术导则》要求，采用焚烧技术处置危险废物，焚烧处置设施出口烟气中含氧气应为6%～10%(干气)；同时焚烧处置系统产生的高温烟气应采取急冷措施，烟气温度应在1s内下降到200℃以下，减少烟气在200～500℃温度区的停留时间，防止二噁英产生或二次生成。

由于目前采用的降温多是烟室缓慢降温，同时烟气成分中氧气含量低，所以应采取经理论论证和工程实验的相关措施，以减少烟气在二噁英产生温度区的停留时间和提高烟气中氧气含量，否则现阶段陶粒回转窑共处置危废不满足烟气排放要求。

2.5 设施及管理

依据《HJ 2042-2014 危险废物处置工程技术导则》，其他与回转窑有关的危险废物焚烧处置要求如下：

1）采用焚烧技术处置危险废物，焚烧处置设施应采用技术成熟、自动化水平高、运行稳定的设备。

2）焚烧处置设施宜采取连续焚烧方式，并保证焚烧处理量在额定处理量的60%～110%内波动。

3）回转窑等焚烧动力装置应满足最大负荷及各种意外情况下的最大动力输送，宜取平均值的3～5倍或以上。

可以看出，除了回转窑自身外，还应建立并完善废物来源及存储设施，提高焚烧设置技术、管理水平，扩大窑动力负荷等，以达到回转窑共处置危险废物的相关要求。

3 结 语

为满足导则对处置危废的要求，应对现有的陶粒回转窑和配套系统进行如下改进：

1）严格控制现有陶粒回转窑压力制度，保证良好的气密程度；

2）采取经理论论证和工程实验的相关措施，以减少烟气在二噁英产生温度区的停留时间，提高烟气中氧气含量。

3）建立并完善废物来源及存储设施，提高焚烧设置技术、管理水平，扩大窑动力负荷等。

[1] 环境保护部，HJ 2042-2014危险废物处置工程技术导则[S]，北京:中国环境科学出版社，2014

[2] 环境保护部，国家发展和改革委员会，工业和信息化部，卫生部，关于印发《“十二五”危险废物污染防治规划》的通知[EB/OL],，http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201210/t20121023_240228.htm，2012-10-08

[3] 李寿德,宋淑敏,陈烈芳,陶粒工业技术发展与加快产业结构调整之思考[J], 砖瓦，2012，11:P87-92

[4] 张云志，杨桂芝，刘敏，陶粒的生产工艺、生产设备及其发展前景[J]，砖瓦，2003，2:P33-34

[5] 姜煜林，水泥热工机械设备[M], 武汉:武汉工业大学出版社，1996，P21-23

[6] 李艳君，刘晓存，立窑生产粉煤灰陶粒[J]，北京建材，1995,2:P27-29

[7] 李寿德,秦仙景,支楠,王小超, 陶粒厂工艺方案选择与烟气环保处理措施,P177-180