210987414_浅谈水泥窑协同处置生活垃圾焚烧飞灰技术

科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·140·2023年第06期
文章编号：2095-6835（2023）06-0140-03
浅谈水泥窑协同处置生活垃圾焚烧飞灰技术
黄庆1，王伟2，马东光1，赵利卿1，李惠1
（1.天津中材工程研究中心有限公司，天津300400；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉430000）
摘要：水泥窑由于窑内温度高、停留时间长和碱性环境等特点适合处置各种废弃物，而生活垃圾焚烧飞灰富含钙、硅等元素，能作为水泥原料，同时飞灰中的重金属和二噁英等毒性在水泥窑内能得到很好的缓解。

简要介绍了水泥窑处置飞灰的不同技术路线，以期为相关研究与工作提供参考。

关键词：水泥窑；生活垃圾；焚烧飞灰；协同处置
中图分类号：X799.3文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2023.06.042
1研究背景
近几年中国水泥窑协同处置废弃物规模不断扩大，截至2019年底，涉及到共计171条水泥熟料生产线，且在建、拟建项目还有很多。

究其原因，从经济技术上来说，水泥窑协同处置较传统的焚烧处置具有投资少、规模大等优势，同时能将污染程度降到最低，水泥窑熟料烧制过程中温度达1600℃，物料停留时间达30min，因此废弃物在水泥窑中燃烧充分，有机物能够彻底分解，有效抑制二噁英以及其他污染物质的形成，降低有毒有害物质的排放，无二次灰渣产生，焚烧灰渣直接作为水泥原料利用[1-5]。

据统计估算，到2025年底，中国生活垃圾焚烧处理能力达到80万t/d，按照飞灰产生量占垃圾量的3%～5%计算[6]，飞灰产生量约3万t/d。

飞灰处置和利用的难点在于其中的重金属、氯盐和二噁英。

二噁英是剧毒化合物，是1～2个氧原子上接2个苯环，在苯环不同位置上取代氯原子。

其中2、3、7、8位置上取代的毒性最大，相当于氰化钾的1000倍，砒霜的900倍，因此被国家列入HW18类危险废弃物。

2飞灰性质
生活垃圾焚烧飞灰呈灰白色或深灰色，含水率低，一般呈棒状、棉絮状、球状等不定形状态，飞灰颗粒大小不一，粒径一般在4～100μm之间，具有孔隙率高及比表面积大的特点。

飞灰的主要化学成分是CaO、SiO2和Al2O3，主要是因为烟气脱硫脱硝过程中喷射有大量的消石灰。

其特性决定了其在水泥窑处置过程中不需增加破碎设备，同时其成分也证明了其作为水泥原料的可行性。

国内不同地区不同生活垃圾焚烧处置方式的飞灰化学成分分析如表1所示。

表1国内不同地区生活垃圾焚烧飞灰化学成分结果（单位：%）
地区L.O.I SiO2Al2O3+TiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO TiO2SO3Cl 湖北124.699.33 2.87/0.5846.59 2.23/ 2.75 1.924湖北214.1631.2720.5720.05 2.8721.13 2.170.81 2.029.468四川126.3214.45 5.32 5.32 2.1242.09 2.68/ 5.067.432四川235.26 4.12 2.34 2.340.6754.930.48/0.877.545四川330.1912.26 4.58 4.58 1.7337.27 2.19/ 4.949.904哈尔滨124.699.33 2.87/0.5846.59 2.230.81 2.75 5.924哈尔滨214.1631.2720.5720.05 2.8721.13 2.17 1.04 2.0213.468哈尔滨313.9830.1819.3418.68 3.0524.22 2.490.00 2.80 4.426
从表中可以看出，飞灰中20%～55%的成分为氧化钙，主要是因为喷射了大量的熟石灰或石灰浆来中和生活垃圾焚烧过程中烟气中氯化氢以及二氧化硫等酸性气体。

烧失量高跟生活垃圾不完全燃烧以及烟气处理时用活性炭来吸附二噁英等因素有关。

氯离子作为各种建材产品的控制指标，限制了飞灰的资源化利用，从表中可以看出氯离子质量分数波动在0.4%～9.5%之间，有资料表明，随着垃圾分类，焚烧飞灰中的氯离子有达到20%以上的。

3水泥窑协同处置飞灰技术
3.1飞灰直喷技术
飞灰直喷技术是指储库仓内的飞灰通过气力输送等方法被引入水泥窑高温区焚烧处置的方法，其流程图如图1所示。

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图1生活垃圾焚烧飞灰直喷流程图
该技术适用于氯离子质量分数低的飞灰，这主要是由水泥窑的特性以及水泥产品质量和烟气排放控制决定的。

首先是因为水泥窑内气相温度最高可达1800℃，物料温度约为1450℃，飞灰中的氯化物容易在窑内挥发，随烟气回到窑尾烟室、分解炉等部位且随温度降低逐渐转化为固态。

氯化物在水泥窑系统中不断循环往复，不停地在气液固相转化，容易引起结皮堵塞[7]，当结皮严重时，水泥生产线无法正常运转。

如图2所示，结皮现象是系统中硫和氯综合影响的结果，当水泥生产线中生料硫和氯质量分数确定后，飞灰中氯质量分数应越低越好。

其次，GB 30485—2013《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》规定了烟气排放中氯化氢最高允许排放质量浓度为10mg/m 3，HJ 662—2013《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》也规定入窑物料中氯元素质量分数不应大于0.04%。

飞灰中氯离子过高可能会导致入窑物料超过相关规定，造成水泥产品不合格或水泥窑结皮现象严重，妨碍正常生产。

图2硫氯与窑内过度结皮的关系
为了解决系统中氯、硫等元素对水泥窑生产过程造成的不良影响，使系统运行稳定，保证产品质量，水泥厂一般会采用旁路放风技术解决。

该技术是目前解决水泥窑内氯离子质量分数过高的最有效途径。

旁路放风是指将窑尾烟室至分解炉上升烟道的气体放出一部分，起到有效缓解窑内硫氯过高而引起结皮问题的技术手段。

国内资料介绍的旁路放风装置多采用5%～30%的放风量，间歇放风，原因是在相同放风量的条件下，间歇放风比连续放风能够排除更多的挥发成分。

但旁路放风出来的灰一般还是掺加到后续的水泥产品中去，此种方法对于通过计算水泥生料和飞
灰中氯离子之和超过水泥产品中的氯离子相关规定不适用。

3.2飞灰水洗+水泥窑焚烧技术
如前面所说，水泥窑大比例消纳飞灰受氯离子的限制，而飞灰中氯离子质量分数可高达20%，高氯飞灰采用直喷技术处置的话，处置量非常小。

因此，需对高氯飞灰进行脱氯预处理，一般采取水洗的方式除氯，为了尽可能降低单位质量飞灰除氯时的耗水量，水洗方式通常采取三级或者多级逆流漂洗。

水洗之后的飞灰氯离子降低至1%甚至更低，经烘干后入水泥窑高温区处置，水泥熟料生产过程的污染控制应符合GB 30485—2013《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》和HJ 662—2013《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》的要求。

水洗产生的高盐废水则是利用化学法和膜法耦合，去除废水中的悬浮物及微量重金属（分离出重金属渣经固化后作为危险废物填埋），降低硬度和碱度。

最后，通过膜蒸馏将高盐水预浓缩到一定浓度后，叠加MVR 蒸发和盐结晶分盐技术，获取纯度较高的氯化钠和氯化钾的工业盐。

浓缩产出净水循环洗灰利用，工艺废水不外排。

其中，由飞灰水洗后产生的工业盐由于没有达到相关的国家标准，最保险的处理措施还是刚性填埋。

也有通过相关的企业标准或团体标准后作为工业盐外售的。

对于水洗可能会使飞灰中的二噁英进入水体的问题，由于二噁英极难溶于水，一般认为水洗液中的二噁英主要是由水中飞灰小颗粒吸附引起的，经过沉淀过滤等手段可去除。

重金属经过药剂沉淀去除后，残留微量在水体中，经
过蒸发后转移到结晶盐中，如重金属富集过多的话，存在一定环境风险。

因此，蒸发盐中重金属需严格控制。

生活垃圾焚烧飞灰经过三次逆流水洗预处理后入水泥窑处置的流程图如图3所示。

生活垃圾焚烧飞灰水洗后入水泥窑高温区焚烧已有多个相关工程案例。

北京金隅琉水环保科技有限公司（前身为北京琉璃河水泥有限公司）作为国内首条飞灰工业化处置示范线，已运行十多年，其飞灰处置示范线主要包括飞灰水洗、烘干预处理系统、污水处理系统及配套设施。

废气集中收集处理后达标排放，水泥窑废气实施脱硝治理，排水实施雨污分离，飞灰清洗废水经污水处理设施处理后重复回用，固体危险废弃物按规定收集、储存并全部进入水泥窑高温煅烧处置[8]。

目前大多数水泥厂协同处置飞灰也采用此路线。

生活垃圾焚烧飞灰
专用运输车飞灰料仓输送计量投料喷射水泥窑
0.0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
3.53.02.52.01.51.00.50.0
SO 3质量分数/（%）
不结皮
频繁结皮，随时清扫
严重结皮，无法运转
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图3飞灰水洗+入窑处置流程图
3.3其他
飞灰作为危险废弃物主要是因为它含有重金属和二噁英，理论上通过预处理手段消除毒性后即可作为原料资源化利用。

预处理技术针对飞灰中的氯离子可采用水洗技术大幅降低，三级逆流水洗可以在相同氯离子洗出率的情况下降低单位飞灰用水量；重金属可以采用酸浸提的手段提取重金属，重金属资源回收，也可结合后续的资源化利用条件高温固化；降解二噁英可采用低温热解在250～400℃缺氧环境中维持1h 以上，同时尾气急冷至60℃以下避免再次合成二噁英，或者和重金属一样，结合后续的资源化已有的条件在850℃高温下焚烧处置。

通过以上降低氯含量、降解二噁英以及固化或提取重金属后，达到相关国家标准，方可作为水泥、路基、堤坝等的替代原料。

4结束语
生活垃圾焚烧飞灰中含有大量的钙硅铝等可作为建筑原料利用，但前提是消除或降低其中的氯离子、
重金属和二噁英。

水泥窑特有的环境能降解二噁英，固化重金属，但对氯离子的容忍性很低，大规模处置前需通过预处理技术降低氯离子。

通过预处理技术消除飞灰的毒性后，生产水泥等产品理论上也是可行的，需要相关的标准支持。

参考文献：
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［5］张英民，尚晓博，李开明，等.城市生活垃圾处理技术现状与管理对策［J］.生态环境学报，2011，
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［8］鱼红霞.北京市生活垃圾焚烧飞灰安全处置技术路线分析［J］.环境影响评价，2021，43（2）：74-79.————————
作者简介：黄庆（1987—），男，高级工程师，研究方向为固体废弃物处理处置。

（编辑：张超）
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社会科技进步的体现。

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参考文献：
［1］滕琦.公共场所内母婴室空间设计研究［D］.广州：华南理工大学，2017.————————
作者简介：李静（1987—），女，硕士研究生，讲师，教研室主任，主要从事教学工作，研究方向为高铁母婴卫生间优化设计。

（编辑：王霞）
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