根據(jù)環(huán)保部的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國每年未加利用的工業(yè)固體廢物的量就有十幾億噸，危險廢物每年有上千萬噸，全國每年城市生活垃圾清運量近兩億噸，其中填埋量仍占很大比例。在經(jīng)濟和城市建設發(fā)展中對廢物的有效利用和無害化處置已成為工業(yè)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程中需要認真對待和解決的問題。

  能利用水泥窯協(xié)同處置的廢物種類繁多，性能各異，要使水泥窯能夠很好適應這些不同的要求，又能夠切實消除有害物，應該對燒成系統(tǒng)進行有效地整合，使處置廢物的系統(tǒng)簡捷，投資不宜太高，對水泥生產(chǎn)影響盡可能小，能耗盡可能低。應采取何種技術路線及適合推廣應用的方法，能否將廢物盡量做到無害化處置，同時不要造成二次污染，有效消除異味擴散對周邊環(huán)境的影響，也都是課題研究需要解決的問題。本課題圍繞焚燒過程及裝置、預處理過程及裝置和異味處置方案三個主要方面進行了調(diào)研、試驗及研究，通過多項研發(fā)創(chuàng)新，形成了集成化處置的技術路線。

  1 水泥窯燒成系統(tǒng)整合滿足集成化焚燒要求

  1.1 焚燒爐的技術性能指標

  由于不同品種的廢物成分及特性各異，在焚燒過程中要盡量促使有害物質(zhì)分解或消除，其焚燒條件也有所差異。焚燒爐的主要技術性能指標要求見表1。

  表1 焚燒爐的主要技術性能指標

  1.2 焚燒方式

  焚燒過程與水泥窯燒成系統(tǒng)關聯(lián)密切的主要是在分解爐和窯頭，根據(jù)焚燒的條件要滿足集成化焚燒要求僅靠分解爐是很有限的，如果全部從窯頭焚燒也有一定難度及合理性問題，因此增加預燃爐裝置是有必要的。但對現(xiàn)有的水泥窯裝備不能做過度的修改和變動，也不能對水泥窯正常生產(chǎn)構成太大的影響，同時還要滿足不同焚燒條件的要求，因此，預燃爐的形式和構造以及與水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的銜接方式是很重要的。

  預燃爐作為多品種、多相態(tài)廢物的焚燒裝置需要滿足不同的焚燒條件，其工藝參數(shù)應該能控制可調(diào)，針對不同廢物的特點，焚燒系統(tǒng)要對處置廢物化學及物理性能適應性強，系統(tǒng)的操作和調(diào)控措施簡便易行，在實際生產(chǎn)中能夠靈活掌控；焚燒裝置系統(tǒng)不能太復雜，便于現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)改造，系統(tǒng)自身能耗要低，減少額外熱損失及外循環(huán)電耗；焚燒廢物時盡量減少影響水泥熟料正常生產(chǎn)，要調(diào)控好焚燒后的灰渣及廢氣與水泥煅燒系統(tǒng)的銜接；從分解爐和窯頭兩個焚燒點而言，預燃爐更適合設置在窯尾，可以處置替代原料和替代燃料，與現(xiàn)有生產(chǎn)裝備分解爐銜接滿足焚燒條件是可行的，同時窯頭燃燒器可以處置替代燃料，根據(jù)廢物的情況也可將窯尾煙室作為某些廢物的入料點。

  1.2.1 窯尾設置預燃爐

  預燃爐的設計需要滿足的技術條件：

  1）焚燒溫度：焚燒溫度是指廢物焚燒所能達到的最高溫度。焚燒溫度在爐內(nèi)分布是不均衡的，一般廢物表層靠近燃燒火焰區(qū)域內(nèi)溫度最高，按照焚燒爐的主要性能指標，爐內(nèi)溫度應為800~1 250℃可控。大多數(shù)有機物的焚燒溫度在800~1 000 ℃之間，危險廢物是在1 100℃，多氯聯(lián)苯是1 200℃，脫臭處理采用800~950℃焚燒溫度可取得良好效果，含氯化物的廢物焚燒溫度應在800~850℃以上，含氰化物廢物焚燒溫度達850~900℃時，氰化物幾乎全分解。焚燒溫度的控制可根據(jù)所處置的廢物自身熱值的多少補充燃料，使焚燒溫度達到分解有害物的要求，升降溫度可通過增減燃料、調(diào)節(jié)入預燃爐三次風量或抽取調(diào)節(jié)除臭的冷風量進行控制，也可以考慮加入少量冷生料進行調(diào)節(jié)。

  2）停留時間：停留時間包括焚燒物停留時間和煙氣停留時間。焚燒物的停留時間是指從廢物進爐開始到焚燒后的殘渣從爐中排出所需的時間；煙氣停留時間是指從廢物焚燒產(chǎn)生煙氣到煙氣排出焚燒爐所需的時間。停留時間需根據(jù)所處置廢物的不同性質(zhì)決定，實際操作中，焚燒物在爐中的停留時間應大于理論上干燥、熱分解、燃燒所需的總時間，焚燒煙氣的停留時間應保證煙氣中氣態(tài)可燃物完全燃燒。停留時間的長短直接影響焚燒的完善程度，停留時間也是反映爐體容積尺寸的重要依據(jù)。廢物進入爐內(nèi)的形態(tài)及粒度對焚燒所需時間影響甚大，所以爐體形式及構造應該滿足不同廢物的停留時間需求。當其他條件保持不變時，停留時間越長，焚燒效果越好，但停留時間過長會使爐子的處置能力降低，同時增加熱耗，但停留時間過短也會使有害物分解不完全，所以停留時間可控是很重要的。一般煙氣停留時間≥2s，廢氣除去惡臭的停留時間一般1 s以下。焚燒物的停留時間因物質(zhì)性質(zhì)不同和爐內(nèi)分散狀態(tài)不同相對更復雜，在預燃爐中的停留時間應可人工控制或自動控制，上限值可設定，保證焚燒物能夠有足夠時間分解燃燒。

  3）過?？諝猓籂t內(nèi)燃燒過程應保持一定的過?？諝猓^?？諝鈱U物燃燒狀況有很大影響，過剩空氣也是保證焚燒過程中有機物完全燃燒的必要條件。此外一氧化碳與二惡英的生成也有一定的相關性，適當?shù)目諝膺^剩系數(shù)可保證焚燒更加充分。但引入冷風過多會降低焚燒溫度，因此需要引入部分三次風入爐，三次風的進入量可調(diào)節(jié)控制，保證供氧充足，同時熱空氣量的靈活調(diào)控也能起到調(diào)節(jié)爐溫穩(wěn)定的作用。冷風一般通過燃燒器或漏風帶入，對廢物進行除臭所抽取的氣體也可以進入爐中，但此氣體量不宜太大，一般是就近的輸送設備下料點為防止異味外逸，保持一定負壓所設置的抽風點抽取的少量氣體入爐。

  4）混合均勻：均勻的焚燒可促進反應更徹底，爐體形狀的設計應使氣流形成一定的湍流狀態(tài)，焚燒物也應改變單一的堆積狀態(tài)，更有利于焚燒的廢物與助燃空氣充分接觸，燃燒氣體與助燃空氣充分混合，需加強氣流擾動和料流的翻動或流動，以實現(xiàn)不同物性、不同相態(tài)多種廢物的均衡混合燃燒。由于湍流狀態(tài)會使爐體阻力損失增加，因此，爐型設計需要把握好這種平衡。

  5）系統(tǒng)簡捷：預燃爐在水泥燒成系統(tǒng)的位置設置主要考慮將分解爐作為銜接點，焚燒后的灰渣及燃燒后的氣體均入分解爐，節(jié)省了灰渣外排的熱損失及外循環(huán)電耗，預燃爐在窯尾框架內(nèi)就可以布置，對現(xiàn)有生產(chǎn)線的改造也很方便，灰渣的成分應有預先的檢測和統(tǒng)計，在生產(chǎn)過程中只要加強管理和控制，就能夠保證正常生產(chǎn)，且不會對熟料質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

  預燃爐所需要的主要技術條件實際上是相輔相成、互相影響的，一般呈堆積狀態(tài)的廢物表層與底層的溫度是有差異的，表層處于燃燒火焰區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外的溫度也是有差異的，焚燒溫度的不均衡需要增加停留時間來彌補，同時也會增加熱耗，冷、熱風的調(diào)節(jié)除影響焚燒溫度，也影響過剩空氣及氣流混合狀態(tài)。因此，廢物在爐內(nèi)不能始終呈堆積狀態(tài)，由于廢物密度、粒度的差異和限制，要始終保持懸浮狀態(tài)也是有難度的，焚燒物的停留時間怎么進行調(diào)節(jié)和控制就需要在爐型設計上認真考慮。課題研究設計了兩種爐型，一種是推桿式，另一種是導流式，兩種爐型都可以實現(xiàn)焚燒物在高溫狀態(tài)下的堆積、翻動、流動交替，對焚燒物起到了爐內(nèi)均化作用，促進了焚燒條件的穩(wěn)定和均衡。根據(jù)現(xiàn)場情況及空間布置可以選擇不同的爐型。

  1.2.2 窯頭焚燒

廢物在窯頭焚燒，其焚燒溫度更高，煙氣停留時間更長，對有害物質(zhì)的分解更加有利，應該將廢物連續(xù)均衡地送入窯內(nèi)焚燒是較為合理的，能通過燃燒器將廢物噴射入窯更為簡便有效，但采用噴射的方法對廢物的物理性能適應性如何需要進行驗證，特別是針對粒度較大、水分較高的固態(tài)廢物采用噴射方法入窯是否可行，采取哪些技術措施保證可靠運行是課題研究的重點。從窯頭加入的固態(tài)替代燃料一般都加工成干燥粉粒狀物，用噴射的方法也很容易實現(xiàn)，但對于像生活垃圾這樣的廢物要加工成干燥粉粒狀會消耗更多的能耗并增加處置成本，從經(jīng)濟方面是不合適的。因生活垃圾成分復雜，其組成物的物性差異很大，經(jīng)取樣分析，未經(jīng)烘干的物料水分可達到35%~40%，而且隨天氣及季節(jié)變化，其水分還有可能增加。粒度受破碎設備的限制，排料粒度只能控制到≤30mm，如果此性能的物料能夠順利噴入窯內(nèi)，則相對干燥、均質(zhì)的物料就更容易實現(xiàn)，所以采用未經(jīng)烘干的生活垃圾作為窯頭焚燒物更具有實際意義。

  課題研究采取的主要技術措施：

  1）抽取從窯頭余熱發(fā)電系統(tǒng)排出已經(jīng)廢棄不用的80~100℃低溫廢氣作為噴射氣體可以削弱水分的黏附作用，同時還可以回收一部分已經(jīng)廢棄的熱能，這種廢氣因溫度太低，已經(jīng)無法再用于烘干作業(yè)，但緩解含水廢物在管道內(nèi)的黏附作用還是有一定效果的。  

  2）采用分隔混合噴射裝置，控制料流與通過氣流勻速混合，氣流對管壁的沖刷可以削弱廢物與管壁的黏附作用，使物料與氣流攪動混合，進一步阻止物料與管壁黏附，使其能順利噴入窯內(nèi)。

  3）在噴射過程中，計量裝置根據(jù)氣體流量控制廢物的給入量，起到穩(wěn)定流量的作用，可以調(diào)節(jié)固氣比，進一步適應水分波動變化而消除帶來的黏附效應，保證固氣混合效果，使物料在管內(nèi)不發(fā)生堵塞。

  通過以上水泥窯燒成系統(tǒng)的整合基本可以適應不同性能及焚燒條件的廢物焚燒處置的要求，并且沒有對原水泥生產(chǎn)系統(tǒng)進行過大的修改和變動，在焚燒這個環(huán)節(jié)上實現(xiàn)了以簡捷的系統(tǒng)完成集成化處置廢物的目標。

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  2 預處理系統(tǒng)

  用水泥窯進行廢物焚燒相對于其他專用焚燒廠而言，有其特殊之處，對廢物的預處理也不完全相同。對于大多數(shù)的廢物，除非特殊需要外，可以考慮不增設烘干系統(tǒng)，一方面水泥廠的廢氣用于余熱發(fā)電后已經(jīng)沒有多余的廢熱作為烘干熱源，另一方面預燃爐對廢物的物理狀態(tài)有較強的適應性，固態(tài)、液態(tài)、膏狀體都可以直接入預燃爐焚燒，此外，增加烘干系統(tǒng)會增加投資及額外能耗，還有可能產(chǎn)生二次污染，特別對于預處理系統(tǒng)與水泥廠異地設置的情況更應該考慮其合理性。

  在廢物中有被水泥生產(chǎn)視為有害元素的成分，當有害成分影響到正常生產(chǎn)或環(huán)保指標不能保證達標時，將面臨兩種選擇，一是將廢物的處置量控制在一定范圍內(nèi)時，有害成分也能相對得到控制，只要未超過水泥生產(chǎn)要求的限制，也不超出環(huán)保標準和產(chǎn)品標準規(guī)定的指標時，就不一定要采取預處理去除，但處置能力會降低；二是增加預處理系統(tǒng)，將有害成分去除，這樣會使預處理系統(tǒng)比較復雜，但處置能力可以提高，缺點是投資及運行成本增加，還有可能形成二次污染。當然這種選擇需要根據(jù)工廠自身的承受能力、管理水平、補貼狀況等實際情況進行平衡，應從經(jīng)濟性和環(huán)保方面多考慮，往往這種情況是經(jīng)濟和環(huán)保方面的問題，比技術方面的問題影響更大，實踐中不必將一種方法作為普遍適用的模式進行推廣，而要從項目和企業(yè)的實際情況考慮進行取舍。

  對于生活垃圾這樣的廢物，構成復雜，物性差異大，分選的難度也較大，如果從窯尾預燃爐加入，重點是粒度控制，分選也是為了便于破碎，相對而言預處理系統(tǒng)并不復雜；但如果要利用窯頭焚燒，其可燃物與不可燃物的分選就是必要的，窯頭處置可燃物替代燃料，窯尾預燃爐處置不可燃物替代原料，其分選系統(tǒng)也相對更復雜。對于標準規(guī)定的某些可回收物質(zhì)，應該有可靠、穩(wěn)定、合法的回收物接受途徑，如果沒有，還不如不分選。

  對于生活垃圾的預處理系統(tǒng)可以緊靠垃圾填埋場建設，一方面可以利用一些垃圾填埋場的設施節(jié)省投資費用，另一方面可以減少對水泥廠環(huán)境的影響，還可以對填埋場的陳化垃圾進行處理，進一步增加填埋場的使用壽命。

  3 異味處理

  在處置廢物過程中都會遇到有異味散發(fā)的問題，有異味的物質(zhì)按化學組成進行分類有含硫的化合物，如硫化氫、二氧化硫、硫醇、硫醚類等；有含氮的化合物，如胺、氨、酸胺、吲哚類等；還有鹵素及衍生物，如鹵代烴等；以及氧的有機物，如醇、酚、醛、酮、酸、酯等；還有烴類，如烷、烯、炔烴以及芳香烴等。這些物質(zhì)中多數(shù)都為有機物，一般其揮發(fā)性都比較強，所以容易在空氣中擴散，從而造成空氣的污染。

  治理及消除異味氣體的常用方法主要有物理法、化學法和生物法。物理法是不改變產(chǎn)生異味物質(zhì)的化學性質(zhì)，只是用一種物質(zhì)將其異味掩蔽和稀釋，或者將產(chǎn)生異味的物質(zhì)由氣相轉移至液相或固相?；瘜W法是使用另外一種物質(zhì)與產(chǎn)生異味的物質(zhì)進行化學反應，改變其物質(zhì)的化學結構，使之轉變?yōu)闊o異味物質(zhì)或異味較低的物質(zhì)。生物法是指利用微生物的代謝活動降解產(chǎn)生異味的物質(zhì)，使之氧化為最終產(chǎn)物，從而達到無臭化、無害化的目的。如果除臭要求較高或者被處理的異味氣體難以用單一方法去除以滿足要求時，可采用幾種方法組合的聯(lián)合除臭方法。

  解決異味擴散的方法分為幾個方面：

  1）密閉隔離

  主要是在廢物儲存、裝卸和輸送過程中采用，此過程主要有汽車運輸?shù)难b卸和生產(chǎn)過程的輸送，汽車裝卸過程都嚴格控制在室內(nèi)進行，裝卸過程進行時可將廠房大門關閉，大門同時設氣簾密封，廠房內(nèi)分段設抽風口，抽取的氣體進入除臭系統(tǒng)。車輛?？康膹S房與儲存廢物的廠房再設置隔離墻，使駕車人員操作減少受異味影響，當廢物完全卸入儲存?zhèn)}時，儲存?zhèn)}可關閉，與廠房形成雙層隔離。還有廢物在生產(chǎn)過程中的輸送，其密閉主要是兩種方式，膏狀物采用管道輸送，管道本身就處于密閉狀態(tài)；固態(tài)散狀物采用管狀帶式輸送機輸送，輸送過程也處于全密閉狀態(tài)，在輸送機尾部進料點和頭部卸料點處，管狀帶式輸送機必須張開，此處設密閉罩，密封罩設抽風口形成一定負壓，抽取氣體可進入焚燒系統(tǒng)或進入除臭系統(tǒng)。

  2）光催化氧化

  主體的除臭系統(tǒng)采用二氧化鈦光催化氧化法，光催化氧化技術直接用空氣中O₂作氧化劑，在常溫常壓下反應，對幾乎所有污染物均具有凈化能力。常見的光催化劑多為金屬氧化物或硫化物，如TiO2、ZnO、ZnS、CdS 及PbS等。但由于光腐蝕和化學腐蝕的原因，實用性較好的有TiO₂ 和ZnO，其中TiO₂ 使用最為廣泛。TiO₂的綜合性能最好，其光催化活性高，化學性質(zhì)穩(wěn)定、氧化還原性強、抗光陰極腐蝕性強、難溶、無毒且成本低，是研究及應用中使用最廣泛的單一化合物光催化劑，主要在預處理車間和儲存裝卸廠房使用。

  3）植物液噴淋

  通過噴灑設備將植物液除臭劑噴灑到廢物上，植物液除臭劑通過分子間非極性相互作用與臭氣分子發(fā)生非共價結合，從而大大穩(wěn)定該類分子，降低其活性與刺激性，同時由于這種結合后密度的增加，通過沉降作用處置。此過程既不同于化學反應過程生成第三種物質(zhì)，也不同于物理法的掩蔽作用，不會造成二次污染，可徹底去除臭味。主要在容易泄露或敞開的部位使用。

  4）燃燒法

  燃燒法的實質(zhì)是高溫氧化，將臭味物質(zhì)氧化為無臭無害的二氧化碳和水等，一般在水泥廠都是采用直接燃燒法，直接用火焰燃燒把廢氣中可燃的有害組分當作燃料直接燒掉，因為預燃爐可以調(diào)節(jié)控制焚燒溫度，窯頭也可保持高溫且穩(wěn)定狀態(tài)，其燃燒區(qū)的溫度足以消除異味氣體，維持燃燒的持續(xù)性，因此這種方法無論是對可燃有害組分濃度較高的廢氣，或者是有害組分燃燒時熱值較低甚至無熱值的廢氣都有效。主要在靠近焚燒系統(tǒng)的廢物下料點及輸送系統(tǒng)的抽風點使用。

  4 實踐驗證

  經(jīng)過示范生產(chǎn)線的實踐驗證，研發(fā)所采取的技術路線和技術措施均能達到課題研究制定的目標和需要的效果。水泥燒成系統(tǒng)的整合在窯尾只增加了預燃爐，并與分解爐形成一體化裝備，預燃爐可噴燃料和液態(tài)廢物，固態(tài)和膏狀廢物可直接加入預燃爐，可燃物及不可燃物均可加入爐內(nèi)，預燃爐的焚燒溫度、廢物停留時間均可靈活調(diào)節(jié)，廢物在爐內(nèi)呈堆積、翻動、流動狀態(tài)交替進行，使焚燒狀態(tài)更為均衡，焚燒后的灰渣、氣體全部進入分解爐不外排。根據(jù)所處置廢物的需要，預燃爐實際運行時焚燒溫度已達到1100℃，當處置量控制得當時，經(jīng)檢測廢氣排放指標包括二惡英指標全部符合國家標準控制指標（見表2），進入熟料中的重金屬含量也符合國家標準規(guī)定的限值，對熟料質(zhì)量也沒有影響。

  窯頭焚燒的廢物主要利用燃燒器噴射入窯，主要處置可燃廢物，使用的固體廢物未經(jīng)烘干水分達到35%~40%，粒度≤30 mm，在未使用余熱發(fā)電系統(tǒng)排出80~100℃低溫廢氣作為噴射氣體的情況下，廢物可以順利噴射入窯，固氣比控制適當，未發(fā)生堵塞情況。

  表2 實測大氣污染物排放指標mg/Nm₃

  5 結束語

  對水泥窯燒成系統(tǒng)進行整合以滿足集成化處置廢物的要求，其焚燒系統(tǒng)應該保證不同品種、不同相態(tài)廢物都能夠在一定焚燒條件下得到有效分解并消除有害物，焚燒過程的主體參數(shù)包括焚燒溫度、停留時間、過?？諝獾染筛鶕?jù)不同需求靈活調(diào)節(jié)。預燃爐是保證完成這個焚燒過程的重要設備，與窯尾的分解爐構成一體化裝備，可處置不同相態(tài)的替代原料和替代燃料；窯頭燃燒器則可噴入高水分、大粒度的替代燃料入窯；使水泥窯燒成系統(tǒng)增強了處置各種廢物的適應性，同時使預處理系統(tǒng)可以得到簡化。異味處置系統(tǒng)根據(jù)不同情況進行組合配置可以有效遏制異味散發(fā)，課題研發(fā)及創(chuàng)新技術通過示范生產(chǎn)線的驗證取得了實效，環(huán)保及產(chǎn)品各項指標均能夠滿足標準和規(guī)范的要求，其技術路線明確并取得了一定效果，具有推廣應用的價值。

  在利用水泥窯協(xié)同處置廢物過程中，應將環(huán)保指標作為控制基準，處置過程不應產(chǎn)生二次污染，不應對水泥的正常生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。對水泥生產(chǎn)的影響程度與處置量有很大關系，當處置量逐漸增大到一定程度時，對正常生產(chǎn)是有影響的，除有害元素也相應增加外，替代原料的某些成分會因超過配比限制而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。配套建設完善及功能齊備的預處理系統(tǒng)當然是比較理想的，但也應該考慮到水泥廠自身的承受能力。