水泥窯協同處置垃圾焚燒飛灰的技術途徑

張冬冬，王朝雄，方明

1 前言

隨著我國經濟的快速發展及城市化工作的持續推進，生活垃圾的產生量增長迅速，各種處理生活垃圾的方法應運而生。其中垃圾焚燒的處理方法，因具有減容效果好、無害化處置徹底、能量可熱回收利用等優點而發展迅速，近年來垃圾焚燒量呈現爆發式增長。據統計，截至2019年底，我國（港澳臺除外）在運行的生活垃圾焚燒廠數量已達418座，另有167座正在建設，預計至2020年底，國內垃圾焚燒總量每日可達63萬噸。在垃圾焚燒的過程中，通過煙氣凈化系統捕集的粉體物質即焚燒飛灰，屬于危險廢物。該物質不僅含有大量重金屬有害物，還富集了高濃度的、具有很強毒性的二惡英等有機致癌物。若以垃圾焚燒量的5%來估算，我國每年產生的焚燒飛灰總量高達1 000萬噸，焚燒飛灰的處置已成為垃圾焚燒可持續發展過程中亟待解決的難題[1]。

目前焚燒飛灰的處置方式主要有固化、穩定化填埋和水泥窯協同處置等。《危險廢物豁免管理清單》指出，在滿足相應標準及要求下，飛灰在進入填埋場填埋和水泥窯協同處置時，可不按危險廢物管理。就飛灰填埋的處置方式而言，該方法成本低，但場地選址要求非常嚴格，且填埋后重金屬和二惡英污染問題仍存在；另外，由于早期對飛灰填埋監管的缺失，現有填埋場地頻繁出現滲透污染報道，給周邊人群的生命健康帶來重大安全隱患[2]。而水泥窯具有煅燒溫度高、工藝時間長及堿性氣氛強等特性，高溫下可徹底分解飛灰中二惡英，同時能將飛灰中大部分有害重金屬固化；并且飛灰的化學成分與水泥原料成分相近，能替代水泥生產原料。因而，水泥窯協同處置飛灰的路線被認為是將飛灰資源化并且環境安全風險最小的最佳處置方式[3]。

2 水泥窯協同處置飛灰控制要求

水泥原料中的氯元素及鉀、鈉鹽等是水泥生產過程中的有害成分，國家標準對水泥中這些成分的含量均有限定值。上述有害元素在窯系統內不斷循環富集，給水泥質量及系統穩定運行帶來嚴重后果，主要影響如下：

（1）水泥熟料中氯含量較高，對混凝土中的鋼筋具有腐蝕性，進而影響建筑物的結構強度。

（2）窯尾分解爐下的煙室及下料斜坡、縮口等部位極易結皮堵塞，嚴重時會影響到水泥燒成系統的正常運行。

（3）熟料堿含量過高會導致砂漿發生膨脹性的堿骨料反應，影響水泥質量。美國ASTM標準規定低堿水泥熟料中鈉含量≯0.6%，普通水泥目前無最大含堿量規定；我國生產經驗熟料堿含量一般≯1.3%[4]。

我國垃圾焚燒飛灰氯含量通常在5%～10%，經濟發達地區高達20%以上。高氯飛灰入窯會加劇系統結皮、堵塞，進而影響熟料質量。國外水泥企業對入窯物料中硫、氯、堿含量的限制見表1，國內水泥行業目前可接受的限值是生料中總堿量（K2O+Na2O）≤1%，氯含量≤0.015%～0.020%或者硫堿比≤1.0[5]。HJ662-2013《水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》規定，入窯氯含量≯0.04%，氟元素含量應≯0.5%，且各種重金屬含量也必須低于限定指標。

水泥窯協同處置飛灰量應根據入窯物料氯、堿元素及重金屬的控制指標，常規燃料及常規原料有害元素投加量，結合飛灰及常規原燃料的取樣分析數據，計算得出。

3 水泥窯協同處置焚燒飛灰的技術

水泥窯協同處置焚燒飛灰技術的核心是，在飛灰入窯處置前或入窯后，采取技術措施控制窯內循環總氯量。通過查詢及調研國內外水泥窯協同處置飛灰的技術資料和生產情況可知，現有水泥窯協同處置飛灰的工藝方式可分為調質除氯用作水泥混合材的處置方式、水泥窯旁路放風的處置方式及水泥窯協同處置水洗飛灰的方式等。

表1 部分企業對入窯生料中有害成分含量的規定

3.1 調質除氯用作水泥混合材

（1）工藝流程

飛灰調質除氯用作水泥混合材的典型工藝技術是水泥窯協同兩段式預處理飛灰技術[6]。在水泥窯煙室處連接兩段式預處理裝置，飛灰進入預處理裝置后，借助回轉裝置和預設坡度向前送料，與來自煙室的高溫煙氣逆向換熱。換熱后分階段添加輔料，實現焚燒飛灰的在線除氯、解毒及配料燒結等。煙氣經回收余熱后，送入煙氣處理系統處置后排放。采取該工藝技術對飛灰進行預處理后，飛灰化學成分和水泥熟料類似，可直接用作水泥混合材。工藝流程見圖1。

（2）技術特點

焚燒飛灰預處理裝置由兩段回轉缸筒組成，該裝置與水泥窯接口的位置選在煙室部位，煙氣入口溫度控制在1 100℃左右。飛灰預處理時，分段加入輔料，輔料1的主要成分為螢石、環氧樹脂，起降低飛灰熔融溫度、加速二惡英分解的作用；輔料2的主要成分為高嶺石和鐵尾礦，添加目的在于吸附第一段揮發出的重金屬和蒸發出的飛灰中的氯化鉀鹽，并形成水泥熟料類似的礦物相。系統熱煙風引入量，根據飛灰量及輔料添加量計算確定。

水泥窯熱力系統在線結合預處理裝置能使飛灰中的有害元素在高溫下直接脫除，含氯煙氣不進入窯系統內，對維持窯系統穩定、提高水泥窯協同處置飛灰量有積極作用。但調質除氯后的飛灰作水泥混合材，因燒結煙氣溫度低于水泥回轉窯內煅燒溫度，不易揮發的重金屬固化效果相對較差，導致水泥重金屬元素有超標風險。

某企業曾著手利用水泥窯綜合處置飛灰，但飛灰入窯前無法滿足預處理要求，技術實施可行性目前不明確。此外，北京建材總院也曾提出利用離線噴騰爐協同處置飛灰的技術路線，其脫氯原理與兩段式預處理飛灰類似，但目前也無相關產業化應用案例[7]。

3.2 水泥窯旁路放風處置飛灰

（1）工藝流程

水泥窯旁路放風協同處置飛灰的主要技術方案是，焚燒飛灰不經過預處理，直接通過氣力輸送進入窯尾分解爐內進行高溫焚燒處置；也有部分技術方案是將焚燒飛灰直接加入窯頭煅燒。采取旁路放風處置飛灰方式，有害元素在窯內循環富集后，從煙室抽取部分煙氣，通過驟冷風機鼓入適量冷風對煙氣進行快速冷卻降溫，使KCl、NaCl等成分冷卻結晶固化到粉塵上；然后經過旋風分離器、布袋除塵器依次實現粉塵收集，最后將降溫除塵后的煙氣送入窯尾廢氣處理系統或篦冷機，實現尾氣的環保排放。圖2為水泥窯旁路放風處置飛灰技術流程簡圖[8]。

（2）技術特點

圖1 水泥窯協同兩段式預處理飛灰技術

圖2 水泥窯旁路放風處置飛灰技術工藝流程

放風位置通常考慮兩點，第一，抽氣口廢氣中有害成分濃度應盡量高，含塵濃度應盡量低；第二，抽氣口風速適宜，一般選取10m/s以下。這樣既能保證定量的粉塵表面積供氣態物質凝結，又不會帶來過多粉塵外排。依據現場情況，放風位置通常可選在窯尾下料溜子前段、煙室兩側及煙室后側。放風量根據飛灰化學成分、水泥原料及燃料情況計算確定。放風煙氣溫度在1 000℃左右，熱損耗不容忽視，每1%放風量通常會使熟料熱耗、料耗和電耗分別增加17～21kJ/kg熟料、1～3kg/t熟料和0.1～0.2kW·h/t熟料。有文獻提出，旁路放風裝置采用5%～20%放風量的間歇放風方式運行，可在特定放風量下排出更多的揮發成分，但間歇式放風不利于窯系統穩定運行。為保證水泥生產線穩定，宜采用小風量連續放風的方式。

水泥窯旁路放風處置飛灰工藝因焚燒飛灰氣力輸送直接入窯，設備成本和建設成本均投入較少，運行成本主要來自于旁路放風帶來的熱損耗，也較少，整個工藝的建設和運行費用相對較低。旁路放風系統設備直接布置在窯尾塔架上，不需要過多占用現場場地，尤其適用于老廠的改造。系統飛灰處置能力方面，雖然新版《通用硅酸鹽水泥》將水泥氯離子含量從0.06%提高至0.1%，但我國垃圾焚燒飛灰中氯含量高，且窯系統對飛灰入窯均勻性要求高，水泥質量和窯況穩定性均限制了飛灰的協同處置量。以5 500t/d的水泥生產線為例進行飛灰處置能力計算，假設原料帶入的氯離子占原料總量0.015%，協同系統氯元素含量控制在0.04%，系統對不同含氯量飛灰的處置能力見表2。

3.3 水泥窯協同處置水洗飛灰

（1）工藝流程

水泥窯協同處置水洗飛灰系統典型工藝流程如圖3所示。垃圾焚燒飛灰通過多級逆流水洗工藝，將飛灰中的可溶性氯鹽脫除，水洗后的飛灰氯離子含量降至1%以下，實現了飛灰的高效脫氯效果。預處理后的飛灰進入窯尾，水泥窯高溫堿性條件使水洗飛灰中剩余的有毒有害物質分解，重金屬固化在熟料晶格內。飛灰水洗廢水可通過去除重金屬等，在滿足制鹽水質要求后蒸發制鹽，可得到高純度鉀鹽和鈉鹽，為企業生產帶來附加經濟價值[9]。

（2）技術特點

水泥窯協同處置水洗飛灰工藝中，洗滌次數與水灰比不僅影響飛灰的水洗效果，而且還決定了飛灰水洗工藝的處置成本。不同的企業洗滌次數與水灰比也不同，主要工藝對比情況見表3。現有項目表明，水灰比在3：1、水洗次數為3次時，水洗經濟性較好，飛灰中＞95%的氯離子及70%以上的堿金屬能夠被去除。水洗工藝為水泥窯運行創造了低氯條件，窯況穩定性及飛灰處置量顯著提高，金隅琉璃河水泥廠2 500t/d的水泥窯協同處置示范線日平均處理飛灰120t，最高達150t[10]。

表2 不同含氯量飛灰的處置能力

圖3 水泥窯協同處置水洗飛灰技術工藝流程

表3 不同企業水泥窯協同處置水洗飛灰技術路線

采用飛灰水洗協同處置工藝需新增大量設備，投資額相對較大。水洗過程飛灰中的重金屬及氯鹽等轉移至水洗液中，水洗液中的重金屬需投加大量的藥劑調節酸堿度才能實現重金屬的沉淀，藥劑投加量在110kg/t以上。水洗飛灰烘干需要大量能耗，若采用煙氣余熱烘干，噸飛灰需要150℃、2.1×104m3的干燥熱風。紅獅集團采用灰漿直接入窯的方式，每噸含水飛灰（含水率60%）使余熱發電量降低約90kW·h，系統總運行成本費用較高[2]；T/CCAS010-2019《水泥窯協同處置飛灰預處理產品——水洗氯化物》中，雖未將飛灰水洗液蒸發制取的第二類工業鹽認定為危險廢棄物，但此類工業鹽的使用價值相對較低，提取成本較大。

3.4 水泥窯協同處置飛灰技術對比

飛灰調質除氯用作水泥混合材的處置工藝具有水泥窯生產線影響較小、投資運行成本適中等優點，但技術尚不成熟，無成功工程化案例。水泥窯旁路放風處置飛灰的工藝及水泥窯協同處置水洗飛灰的工藝均已在項目中投運，技術上相對成熟。

目前水泥窯旁路放風協同處置飛灰的精細化發展方向在于高效除氯，降低放風比率。如北京中丹環保公司開發的高效除氯裝置，已在兆山集團諸暨水泥和湖北京蘭水泥兩個飛灰協同處置項目上成功實施。水泥窯協同處置水洗飛灰工藝總體上較為完善，主流廠家技術流程較為接近，其后期發展重點在于工藝及成本優化，如重金屬提取回收及污染防治、廢酸替代資源化和高氯窯灰水洗提取KCl資源化等。本文以國內2 500t/d水泥窯協同處置水洗飛灰和水泥窯旁路放風處置飛灰為例進行簡要對比，見表4。

4 結語

水泥窯協同處置飛灰是目前實現垃圾焚燒飛灰無害化、減量化及資源化的最佳處置方式，在現有飛灰處置補貼價格政策下，飛灰協同項目理論上短期內可獲得效益。飛灰調質除氯用作水泥混合材的處置工藝路線尚不成熟，短期內難以實現推廣應用；基于水泥窯旁路放風協同處置飛灰技術和水泥窯協同處置水洗飛灰技術，行業內已建立了多個示范項目，但受制于地方政策、投資額、運行成本及飛灰情況等多重因素，項目推廣上存在短板。

表4 水泥窯協同處置飛灰技術對比表

我國垃圾焚燒地域性差異明顯，水洗及旁路放風工藝的選擇，宜根據項目所在地人口數量、經濟水平及垃圾焚燒方式等具體情況來確定。我國很多中、小城市或地區，焚燒飛灰體量小，考慮到水洗預處置投資費用高等經濟因素，宜采用水泥窯旁路放風協同處置飛灰工藝，降低處置項目實施的成本。環京、長三角及珠三角等經濟發達地區，飛灰不僅產量及存量大，且其中氯、堿等含量也相對較高，飛灰水洗預處理后入窯，是實現水泥窯大批量及穩定化處置飛灰的前提。飛灰水洗項目占地面積大，受制于水泥窯場地限制，目前較為理想的推廣形式是在垃圾焚燒發電廠和飛灰填埋廠附近建立飛灰預處理中心，就近進行水洗脫鹽，再將預處理后的飛灰運輸到周邊區域的水泥廠進行協同處置。