陶粒回轉窯特性及共處置危險廢物潛力的研究

劉振森 何 捷 聶 卿 崔敬軒 蕭 瑛 徐偉偉 趙蘭珍 宋彤彤

（中國建筑材料科學研究總院，北京 100024）

危險廢物（以下簡稱危廢），是指列入國家危險廢物名錄或者根據國家規定的危險廢物鑒別標準和鑒別方法認定的具有腐蝕性、毒性、易燃性、反應性和感染性等一種或一種以上危險特性，以及不排除具有以上危險特性的固體、液體或其他形態的固體[1]。由于危廢具有理、化、生物等特性，因此，必須對其進行處置后才能排放，以確保對人類社會和環境造成的威脅和傷害最低。

2010年，我國共產生危廢1586.8萬噸，其中綜合利用量(含利用往年貯存量)976.8萬噸，貯存量166.3萬噸，處置量512.7萬噸。當年，全國已有約1500 家單位取得了危險廢物經營許可證，持證單位的危廢年利用處置能力達2325 萬噸，實際利用處置危廢（不含鉻渣）約840萬噸，其利用處置能力僅為第一次全國污染源普查危廢產生量的50%左右，且設施負荷率不足40%[2]。據預測，2015年我國危廢產生量將超過6000 萬噸。那時，危廢產生量越來越大的現狀和我國危廢焚燒、填埋等處置能力不足的矛盾將更加明顯，促使我們不得不盡快拿出應對之策。

現有危廢處置技術，可分為焚燒處置技術、非焚燒處置技術、安全填埋技術等。其中，焚燒處置包括回轉窯焚燒、液體注射爐焚燒、流化床爐焚燒、固定床爐焚燒和熱解焚燒，適用于處置有機成分多、熱值高的危廢（不包括含汞廢物）。由于上述處置技術，均采用新建相應的設施來實現，這存在投資大，規劃時間長的不足，因此，探索利用現有的工業窯爐以共處置危廢成為研究的熱點之一。本文就陶粒行業的主要燒成設備——回轉窯進行特性研究，以探討其是否能夠用于共處置危廢。

1 陶粒及回轉窯

陶粒， 是由粘土（或淤泥）、泥質巖石、工業廢料(粉煤灰、煤矸石)等作為主要原料，經加工、熔燒而成的顆狀陶質物。由于具有質輕，耐腐蝕，抗凍，抗震和良好的隔絕性等多功能特點，陶粒在我國應用領域較廣，產量較大，2007年全國陶粒年產量為400萬m3，2011年全國陶粒年產量達到600萬m3[3]。陶粒的生產方法可分為焙燒型和養護型兩種類型，自20世紀 80年代開始，用回轉窯法燒脹陶粒成為我國陶粒生產的主要方法。

陶粒回轉窯主窯體與水平呈3°左右的傾角[4]，物料從高的一端（窯尾）進入窯內，高壓風機將煤粉(或天然氣等其他燃料）在低的一端（窯頭）噴入窯內，物料吸收燃料產生的熱量后發生物理、化學和膨脹變化，冷卻后即為陶粒。

2 陶粒回轉窯共處置危險廢棄物的潛力

2.1 回轉窯溫度制度

陶粒回轉窯的工作區可以分為兩個區域，即預熱區和燒成區。回轉窯燒結粉煤灰陶粒的溫度制度（以40m窯為例），預熱區長度為35m，其溫度為200-1000℃，停留共78-108min左右；燒成區長度為14m，其溫度為1000-1200℃，停留共10-18min左右；陶粒出窯溫度為900-1000℃，經豎式冷卻機冷卻后的陶粒溫度高于環境空氣溫度約30-40 ℃，熱風（300-400 ℃）部分用于兩次空氣助燃，部分用于烘干。

回轉窯的溫度場如圖1所示。

圖1 回轉窯溫度場（窯長40m，直徑2.5m）

依據《HJ 2042-2014 危險廢物處置工程技術導則》，與回轉窯有關的危險廢物焚燒處置溫度要求為：溫度范圍應為750～1200℃。可以看出，陶粒回轉窯溫度制度滿足危廢處置溫度的要求。

2.2 回轉窯物料停留時間

物料顆粒在回轉窯筒體內停留時間t（min），與筒體轉速n（r/min）， 筒體長度L（m）， 筒體直徑D（m），筒體對水平面傾角α（度），自然休止角θ（度）等因素有關。對于光滑而無揚料板或擋圈的筒體，且物料填充率φ=0.1～0.15， α=1o～ 6 o時，物料停留時間用公式[5]可表示為：

回轉窯（Φ2.5m×40m）固相從原材料投加到冷卻部位，平均速度為0.0056-0.0075m/s，通過時間為 90～140min， 其中，750～1200℃范圍內物料停留33-44min；燒成區（1000～1200℃）停留時間為10～15min，依據《HJ 2042-2014 危險廢物處置工程技術導則》，對回轉窯有關的危險廢物焚燒處置物料停留時間要求為：750～1200℃范圍內，固體停留時間應為30min～2h。可以看出，陶粒回轉窯滿足危廢處置物料停留時間的要求。

2.3 回轉窯氣氛和壓力制度

回轉窯燒結陶粒的氣氛，依據不同的陶粒需要有所區別，對于原料中有色離子（如Fe），氣氛影響最終陶粒的顏色，氧化氣氛下為紅色，還原氣氛為青灰色[6]。

一般正常運行情況下，回轉窯出料口壓力為-5Pa，廢氣入口壓力為-50-100Pa，出口壓力為-100-200 Pa。依據《GB 18484－2001危險廢物焚燒污染控制標準》，焚燒技術處置危險廢物必須保證系統處于負壓狀態，以避免有害氣體溢出。因此，應保證回轉窯有良好的氣密程度；同時，嚴格控制壓力制度運行，否則不能利用回轉窯進行共處置危險廢物。

2.4 回轉窯煙氣

回轉窯產生的煙氣，多是從回轉窯窯尾進入沉降室后，直接由煙囪排除，排出煙氣溫度為250-300℃[7]，煙氣的主要成分是煤粉燃燒后產生的廢氣和陶粒坯料在回轉窯內行走過程中磨損或爆炸產生的細粉，除此之外，氣體主 要 成 分 為 CO2：16.8-22.2%；O2：0.4-1.0%， CO： 0.4-1.2%， N2含量為78.6-82.4V%。

依據《HJ 2042-2014 危險廢物處置工程技術導則》要求，采用焚燒技術處置危險廢物，焚燒處置設施出口煙氣中含氧氣應為6%～10%(干氣)；同時焚燒處置系統產生的高溫煙氣應采取急冷措施，煙氣溫度應在1s內下降到200℃以下，減少煙氣在200～500℃溫度區的停留時間，防止二噁英產生或二次生成。

由于目前采用的降溫多是煙室緩慢降溫，同時煙氣成分中氧氣含量低，所以應采取經理論論證和工程實驗的相關措施，以減少煙氣在二噁英產生溫度區的停留時間和提高煙氣中氧氣含量，否則現階段陶粒回轉窯共處置危廢不滿足煙氣排放要求。

2.5 設施及管理

依據《HJ 2042-2014 危險廢物處置工程技術導則》，其他與回轉窯有關的危險廢物焚燒處置要求如下：

1）采用焚燒技術處置危險廢物，焚燒處置設施應采用技術成熟、自動化水平高、運行穩定的設備。

2）焚燒處置設施宜采取連續焚燒方式，并保證焚燒處理量在額定處理量的60%～110%內波動。

3）回轉窯等焚燒動力裝置應滿足最大負荷及各種意外情況下的最大動力輸送，宜取平均值的3～5倍或以上。

可以看出，除了回轉窯自身外，還應建立并完善廢物來源及存儲設施，提高焚燒設置技術、管理水平，擴大窯動力負荷等，以達到回轉窯共處置危險廢物的相關要求。

3 結 語

為滿足導則對處置危廢的要求，應對現有的陶粒回轉窯和配套系統進行如下改進：

1）嚴格控制現有陶粒回轉窯壓力制度，保證良好的氣密程度；

2）采取經理論論證和工程實驗的相關措施，以減少煙氣在二噁英產生溫度區的停留時間，提高煙氣中氧氣含量。

3）建立并完善廢物來源及存儲設施，提高焚燒設置技術、管理水平，擴大窯動力負荷等。

[1] 環境保護部，HJ 2042-2014危險廢物處置工程技術導則[S]，北京:中國環境科學出版社，2014

[2] 環境保護部，國家發展和改革委員會，工業和信息化部，衛生部，關于印發《“十二五”危險廢物污染防治規劃》的通知[EB/OL],，http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201210/t20121023_240228.htm，2012-10-08

[3] 李壽德,宋淑敏,陳烈芳,陶粒工業技術發展與加快產業結構調整之思考[J], 磚瓦，2012，11:P87-92

[4] 張云志，楊桂芝，劉敏，陶粒的生產工藝、生產設備及其發展前景[J]，磚瓦，2003，2:P33-34

[5] 姜煜林，水泥熱工機械設備[M], 武漢:武漢工業大學出版社，1996，P21-23

[6] 李艷君，劉曉存，立窯生產粉煤灰陶粒[J]，北京建材，1995,2:P27-29

[7] 李壽德,秦仙景,支楠,王小超, 陶粒廠工藝方案選擇與煙氣環保處理措施,P177-180