利用水泥窑协同处置危废对熟料煅烧的影响

邢立军 耿欣 段怡彤 袁松 景国瑞

（中国城市建设研究院有限公司， 北京 100032）

在城市化和工业化进程的快速发展下， 城市中危险废物的产量也随之急剧增加， 并呈现多样化和复杂性的特点。 水泥窑协同处置工艺在经过多年的改进和优化之后， 呈现出极强的优势表现， 如处置量大、 处置彻底、 环保性强、 投资少、 利用率高等， 都是保证危废处置安全性和高效性的重要特征， 已经逐渐成为危废处置的主流选择。 因水泥窑处置危废与水泥生产二者为协同运作， 在处置危废的过程中会对水泥熟料的煅烧产生一定影响， 本文主要对该内容进行一定的分析。

1 水泥窑协同处置危废的概念

以当前市场上所常见的危废种类为例， 其化学性质的复杂程度已经变得越来越高， 根本无法直接将其放入到焚烧炉当中， 容易产大量的有害废气。 因此，需要将这些危废物按照一定的比例， 做好配伍处理，对其中有害元素进行降低处理， 然后再实施焚烧处置。 在危废物处置的各类工艺技术当中， 水泥窑协同处置凭借着无害化、 资源化和减量化的特征， 成为主流的危废处置方法。 这种方式是对水泥窑特有的高温性、 停留时间长与碱性环境的特征进行积极地利用， 以此种特征来实现对各种有害性的化学物质的分解和降解， 让大部分的有害重金属元素可以被固化在水泥熟料当中， 不需要经过二次处理即可完成焚烧处置， 水泥窑中的各废气均经过高温焚烧和水泥窑尾气处理系统的处理， 其排放符合相关的标准和要求， 污染低、 环保性高。

2 水泥窑协同处置危废的优势

发达国家将水泥窑协同处置危险废物作为国际公认的环保型危废处置手段， 在水泥行业已安全运行三十多年， 在很多方面都表现出不可比拟的优势特征。

2.1 危废物无害化彻底

水泥窑中的气体温度最高可达1700℃以上， 物料温度最高可达到1450℃， 危废物可以在其中的停留超过30min 的时间， 让整个焚烧过程都处于较高温度和较长的焚烧时间当， 具有良好的焚烧效果。 加之水泥窑属于气固两相混合的状态， 此种氛围对危废物的分解具有一定的促进性作用， 同时窑内所呈现出的碱性氛围， 也可以对焚烧所产生酸性气体进行有效吸收。 总言之， 使用水泥窑协同处置危废， 可以有效保证危废物的处置的彻底性和无害化。

2.2 无灰渣二次处理问题

水泥窑协同处置危废时， 对危废物焚烧之后所产生的灰渣， 会直接地参与到水泥熟料的煅烧过程当中， 从而成为熟料的基本组成。 其中的一些重金属元素也会被固化在水泥熟料的矿物质晶体当中， 以固化的形态存在于炉中， 最大化地减少污染性问题， 让焚烧中的灰渣得到直接的利用， 减少了灰渣二次处理的问题， 属于无害化处置工艺。

2.3 危废物中各类成分均被充分利用

使用水泥协同处置技术， 让危废物中所存在的有机和无机成分都得到了充分地利用。 因为其中的有机质和可燃性成分在窑内煅烧时， 会形成一定的热量，足够满足自身的水分蒸发。 焚烧后所产生的残渣刚好是水泥生产中所使用的原料组成， 无任何浪费现象，各类成分均可得到有效利用。

2.4 排放气体高效处置

使用水泥窑协同处置方式时， 其中水泥生产为碱性环境， 能够对危废物中的硫、 氯等有害物质进行有效的吸收， 对改善污染排放和环保质量提升具有重要的意义。 水泥窑工艺中所使用的各类新型技术内容， 以干法水泥窑工艺为例， 更是减少了烟气和粉尘的外溢问题， 最大限度地减少了危废物处置过程中可能出现的再污染问题。

2.5 危废物处理稳定性

使用水泥窑协同处置危废的过程中所使用到的回转窑， 其规格要明显大于普通的焚烧炉， 具有较高的热稳定性特征， 能够为水泥生产和危废物的处理提供稳定且连续的焚烧环境（1000 ～1450℃高温）， 具有抵抗危险废物处理量波动和进料温度波动的重要作用。 简言之， 水泥窑协同处置危废具有热容量大、 工况稳处理量大的重要优势。

2.6 投资费用低

水泥窑协同处置危废的方式， 是对已有的水泥回转窑进行利用， 让危废物处置和水泥的生产过程实现同时进行， 以这种处置方式来实现对现有工艺设备的充分利用， 最大限度地减少投资和运行方面的费用。

3 水泥窑协同处置危废对熟料煅烧的影响

3.1 窑头处置危废对熟料煅烧的影响

窑头处置废弃物所处置的内容主要垃圾焚烧所产生的飞灰和废液。

3.1.1 窑头处置飞灰对熟料煅烧的影响

首先， 在对垃圾焚烧的飞灰进行窑头处置时， 会将固体颗粒物从窑头的位置喷入进去， 使其经过窑内并保持在燃烧状态。 在此阶段当中， 颗粒物会在窑内占据煤粉的燃烧空间， 对窑头火焰形状与煤粉燃烧效果都会产生影响， 进而影响到水泥熟料的煅烧效果；其次， 在开展窑头处置飞灰的危废处理工作时， 固体的颗粒物在进入到窑内之后， 经过一定的停留之后会产生一定的阻力， 让窑内的差压出现增大的现象， 易对窑内的通风产生不良影响。 若窑内风速过快， 会对窑头的煤粉燃烧产生不利影响， 不利于其充分燃烧， 进而导致烧成带温度的下降和窑内结圈现象的发生， 对水泥熟料煅烧效果产生不利影响； 最后是对飞灰进行处置的过程当中， 会存在一部分飞灰从三次风管进入到分解炉当中的现象， 易对其工况产生不良的影响。

3.1.2 窑头处置废液对熟料煅烧的影响

对于窑头处置中的危废物废液而言， 其对水泥煅烧所产生的影响主要表现在废液的水分和热值两个方面。 一般而言， 如果废液中的水分含量越大， 那么入窑二次风温就会表现得越低， 会对熟料煅烧的效果产生不利的影响。 对于废液中的水分而言， 当煤粉燃烧时， 废液中的水分能够从其中吸收大量的热量， 导致出现降低燃烧温度和二次风温的效果。 水分在受到热汽化影响后会出现体积增大的现象， 并且会伴有水蒸气， 对空气进入到燃烧区的过程产生一定的阻碍。 总体而言， 窑内的水蒸气增多会让窑内差压随之增大，且对煤粉的燃烧程度产生不利影响， 造成熟料煅烧效果差的现象。

3.1.3 窑头处置沾染物对熟料煅烧的影响

常见的废油沾染物主要包括废弃油桶、 废油滤芯以及被油类等危险物质所沾染的用品， 大部分都具有形状不规则且燃烧速度比较慢的表现特点。 窑头处置沾染物时， 大都是采用人工加入的方式， 其中的一些可燃烧的部分会为水泥熟料的煅烧提供少量热量， 而不可燃烧的部分会经由篦冷机被排放到熟料库当中。沾染物入窑头一般是由工作人员将其通过窑头罩清料孔门之后进行燃烧， 并且需要将孔门保持在适当的大小， 避免给系统的负压产生不良影响， 给工作人员的正常工作造成一定的安全隐患。 大部分的沾染物都是带有热值的废弃物， 因此焚烧的过程中容易对二次风温和三次风温进行提升， 能够实现对水泥熟料煅烧环境有的改善， 在提高烧成温度方面也可发挥出重要意义。 但是在处置过程中， 若出现沾染物燃烧不够充分的现象， 就易给处置系统的一氧化碳含量造成影响， 会因一氧化碳浓度过高导致报警现象的发生， 进而造成窑尾电收尘跳停的问题。 因此， 为了对沾染物的燃烧充分性进行保证， 需对其实施粉碎处理， 并且需要在出熟料的库皮带上增加除铁器， 以此种方式来减少对后续工序所产生的不利影响。

3.2 窑尾处置固体废弃物对熟料煅烧的影响

现阶段的窑尾固体废弃物处置工作， 主要有可燃固态废弃物（沾染物为主） 和浆渣废弃物（固液混合物为主） 两个大的部分。

3.2.1 窑尾处置沾染物对熟料煅烧的影响

窑尾对沾染物为主的可燃固体危废的处置， 需要将沾染物进行的处置量进行合理控制， 保证其可以经过小孔之后进入到分解炉当中。 在具体的处置过程当中， 需要对清料孔门的开度进行合理的控制， 容易给系统风量产生影响， 需要将其控制在20cm以内。 另外， 需要对粒度大和不容易分散的沾染物进行关注，容易出现燃烧时间长和燃尽率的问题， 导致一氧化碳出现， 影响到分解炉的温度， 对窑况稳定性和水泥熟料的煅烧效果都会产生不利影响， 也会在一定程度上影响到系统整体运行的安全性， 对整体的操作调整也会产生不良影响。 分解炉中的燃烧空气主要可以为一次风和三次风， 其中一次风会将燃料携带到分解炉当中， 但因受到风速比较低且燃烧量比较少的影响， 使得二者无法形成流股， 受到高速旋转气流的冲击性影响之后， 导致燃料颗粒常以悬浮状分散在气流当中，表现出各颗粒独立燃烧的现象， 最终形成辉焰燃烧。

3.2.2 窑尾处置浆渣对熟料煅烧的影响

漆渣、 废胶、 沾染物、 催化剂、 活性炭有机淤泥等属于常见的浆渣危废。 窑尾对砂浆的处置过程当中， 对熟料煅烧产生影响的因素主要有水分、 热值和有害成分等， 容易导致烟室结皮现象， 进而对系统通风性产生不良影响。 因此， 在对浆渣废弃物进行处置时， 一定要将水分做出合理控制。 将以往的生产经验作为主要的依据来看， 当水分的含量超出50%时， 容易给分解炉的工况产生较大的影响， 对熟料煅烧的效果会有很大影响。 另外， 开展处置工作时， 需要以国家标准为前提， 尽可能地减少有害成分， 对烟室结皮或者窑内结后圈的现象进行有效规避， 避免给系统的通风性产生不良的影响。 此外， 高热值的浆渣还可以实现降低煤耗的重要作用， 对浆渣热值与分解炉用煤的对应关系进行分析， 可以见表1， 由此可知， 热值低的浆渣不具备降低煤耗的作用， 甚至还会导致煤耗出现上涨的现象， 浆渣热值低于6360kJ/kg时， 不会对系统降耗产生较大影响， 当浆渣热值被控制在8450kJ/kg以上时， 才会对熟料煅烧的效果进行有效的改善， 并对系统运行起到一定的节能作用。

表1 浆渣热值与分解炉用煤的关系

3.2.3 浆渣入口位置对熟料煅烧的影响

将浆渣入口点设计在烟室斜坡顶部正中央的位置， 当浆渣投入量超过2.0t/h 时， 就会出现燃尽率低的问题， 并在烟室斜坡处出现堆积问题， 因为流动性较差， 很容易就会影响到通风性， 与烟气一起逐步地形成大块的结皮现象， 给熟料的煅烧效果造成不利影响。 将浆渣入口设计在三次风管处， 能够让危废物在此处燃尽之后进入到分解炉或掉落到烟室斜坡当中，避免出现烟室结皮和斜坡积料现象的发生。 一般而言， 落料点与分解炉距离1m左右方便浆渣燃尽， 并最大程度地减少对系统运行的影响。 此外， 还需要对炉型的选择进行综合的考量， 需以单双风道的风量为依据来做出具体的选择。 一般而言， 单风道具有入口风量大的特点， 富氧环境下的浆渣可以得到更为充分的燃烧； 双风道具有入口风量小的特征， 其落料点可以适当地向三次风管侧进行移动， 以助于浆渣的有效燃烧。

3.3 危废中有害成分对熟料煅烧的影响

危废中影响熟料煅烧的有害化学成分主要有： S、Cl、 重金属、 碱金属等。

3.3.1 窑尾结皮对熟料煅烧的影响

危废浆渣中的碱金属和含硫物质等有害成分会对水泥熟料中的硫碱比产生影响， 其中的Cl在窑内循环富集会有起到催生结皮的作用， 尤其容易在关键部位形成结皮， 会给整个系统的通风面积都产生影响，使得窑内的温度场受到一定的变化， 造成系统风速的加快， 缩短了窑头和分解炉中的内部物料和燃料的停留时间， 对熟料煅烧的效果产生不良的影响。 对浆渣投入前后系统各处结皮的成分进行一定的分析可以看出， 如表2 所示（结皮1 为73m窑结圈处窑皮样，结皮2 为C溜管结皮样， 结皮3 为浆渣投入前C溜管结皮样）： 将浆渣投入后， 结皮中的硫碱比出现明显增大的现象， 结皮有明显的增多现象， 其中的含硫物质最容易催生结皮现。 浆渣投入之后的有害成分也表现出不断循环和富集的现象， 会有在结皮中表现为沉积的现象。

表2 浆渣投入前后系统结皮的成分（%）

3.3.2 氯离子催生预热器结皮生长

危废中的有害成分Cl容易在烧成系统中产生RCl， 在高温下表现为极高的挥发特性， 挥发后的RCl以气态形式进入预热器系统， 当窑气向窑尾移动时，温度降低， 又会附着在物料上回到回转窑， 反复循环， 逐渐形成氯碱循环富集， 将预热器的生料氯化物提高百倍， 对其危害性程度进行增强， 致预热器中出现结皮现象。 其中， 以KCl为例， 它的存在会直接促进矿物的形成， 促使预热器中的结皮生长。 此外， 这种类型的矿物在高温时会表现为非常大的强度， 使得预热器中已经形成的结皮无法得到良好地清理， 很容易导致通风不良和预热器堵塞的现象， 严重的情况甚至可能会出现逼火现象发生， 造成熟料煅烧过程中的短焰急烧、 黄心料多等问题的出现。

3.3.3 碱金属、 硫元素催生结皮

水泥熟料煅烧中的晶体经常会有以硫元素和碱金属的形态出现， 并发挥出各自的作用。 其中的硫元素经常是以SO形式来产生相应的作用， 具有降低熟料液相出现温度和黏度概率的作用。 若碱金属 （钾、钠、 镁等） 与硫元素发生反应之后还存在过剩的硫元素， 就会造成硫酸碱（RSO） 现象的发生， 粘附在预热器的上升烟道或卸料溜子上， 以结皮的形式表现出来， 甚至会形成堵塞现象， 对正常的水泥熟煅烧生产产生极大影响。

4 结语

综上所述， 在对危废物进行处置时， 选用水泥窑协同处置的方式， 能够在不少方面表现出良好的效果， 处置量大、 处置彻底、 环保性强、 投资少、 利用率高等， 都是保证危废处置安全性和高效性的重要特征。 在对固体危废物进行处置后， 结皮中硫碱比会有增大且结皮增多的现象， 这说明有害成分依旧会对水泥窑产生一定的影响， 需要对有害成分实施一定的控制， 以保证系统的长期稳定运行。