水泥窑协同处置生活垃圾对氯离子含量的影响
0 引言 随着城市化进程的加快和人民生活水平的提高，我国城市生活垃圾的产生量迅速增加，垃圾处理的问题也越来越严峻。水泥窑协同处置城市生活垃圾是一种能实现减量化、无害化和资源化的方法，利用水泥窑特有的高温、长流程与碱性环境特点协同处置城市生活垃圾[1-2]，能对各种腐蚀性、有毒性、易燃性、反应性的废物具有很好的降解作用[3]。生活垃圾在水泥窑焚烧处理后，形成的固体物质除含有水泥的主要成分SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3[4]，以及影响水泥质量的化合物，如碱、氯、硫等，其中氯离子会严重影响水泥烧成过程[5-6]。通过检测每个部位的氯离子含量，对熟料的煅烧以及旁路放风量的控制具有指导意义。
我公司拥有一条4 800 t/d水泥熟料生产线，200 t/d水泥窑协同处置生活垃圾项目运行后，出现预热器锥部结皮、堵塞等一系列问题。本文测量了投放垃圾前后出磨生料、入窑生料、C1回灰、C5下料管热生料、旁路放风灰中氯离子含量，通过数据分析判断投放垃圾对每一部位氯离子含量影响以及采取相应措施降低熟料生产过程中氯离子的含量；计算预分解窑系统中进入循环富集与结皮的氯离子量和旁路放风除氯效率；针对旁路放风进行优化，降低预分解窑系统中氯离子含量，缓解垃圾对预分解窑系统的影响。
1 氯离子的危害
1.1 氯离子循环富集
氯盐在熟料烧成系统中具有极高的挥发性，在回转窑高温下几乎全部挥发，随热烟气返回预热器，冷却后附着在生料上，形成氯离子的循环富集，导致预热器中的生料的氯离子浓度提高近百倍，使其危害性大幅度增大[7-8]。
1.2 易形成结皮
KCl强烈地促进了矿物硅方解石2C2S·CaCO3的形成，在预热器内壁逐渐黏挂形成结皮，这种矿物在900~950 ℃之间强度很高，不易清除，而且长时间累积，易造成通风不良和预热器堵塞[7]。
1.3 侵蚀耐火材料
在熟料的煅烧过程中，耐火材料内侧直接与高温物料、气流相接触，外侧直接贴在保温材料或窑筒体的钢板上，内外侧表面的温差较大。随热量不断从内部高温侧向外散失，在其内形成温度梯度场。随着生产过程中窑系统内氯离子的循环富集，必然会渗透进入到耐火材料中，冷凝结晶。随气态物的不断凝聚，结晶物不断长大，产生内部应力，引起耐火材料的腐蚀、开裂、剥落，最终结构破坏，导致停产检修[9]。
2 氯离子的来源及影响
预分解窑系统可视为一个整体，Cl-的来源主要通过下面三个方面：原料（石灰石、铁粉、硅土、页岩、黏土等）、燃料（煤）和生活垃圾。
燃料煤中氯离子含量为0.009%，生活垃圾中氯离子含量为1.59%。未投放垃圾时出磨生料中氯离子含量0.015%，投放垃圾后为0.021%。这是因为含有氯离子的厨余物进入生料磨后与生料混合粉磨使得出磨生料氯离子含量上升；由于厨余物主要由菜叶、果皮、石块、砖块等组成，氯离子含量较低，且每小时喂入厨余物的量很低，在6.6 t/h左右，所以上升不明显。
入窑生料中氯离子含量变化如图1所示。正数表示垃圾处理开始运行后。未投放垃圾时和垃圾投放初期，入窑生料中氯离子含量较低且保持稳定，随着垃圾投入，入窑生料中氯离子含量呈现上升趋势。垃圾投放初期，出磨生料和大布袋回灰中氯离子含量略微上升，出磨生料和大布袋回灰进入生料均化库中，被生料库均化，与库中大量原生料均匀混合，因此最初投放垃圾时，入窑生料中氯离子含量没有发生明显的变化。随着垃圾投入，库中原生料逐渐消耗，垃圾投放过程中生产的出磨生料取代原生料，所以入窑生料氯离子含量出现上升趋势。
图1 入窑生料氯离子含量变化规律
3 氯离子的去向和分布
引入水泥窑协同处置垃圾项目后，预分解窑系统中氯离子的去向分为以下五方面：①进入熟料（包括窑头电收尘和余热发电熟料灰）中；②C1出口排出的回灰；③旁路放风；④预热器、分解炉、烟室中结皮；⑤在熟料煅烧过程中的循环富集。
投放垃圾对C1回灰（取自增湿塔和余热电站下）的氯离子含量影响如图2所示，在未投放垃圾时C1回灰中氯离子含量较低且稳定，在垃圾投放的过程中，C1回灰中氯离子含量明显上升。这是因为在投放垃圾的过程中，可燃物燃烧挥发出的氯离子进入热烟气中，氯离子随热烟气上升的过程中，由于温度降低附着在回灰颗粒表面，从C1排出，因此检测到C1回灰中氯离子含量在投放垃圾的过程中会略微上升[10]。
旁路放风系统采用汇风箱＋袋收尘方案设计[11]，其工艺流程为：从烟室一侧汇风箱抽出热气体，通过冷风机强制鼓入冷风与汇风箱热气体混合，随后气体进入旋风筒收集粗颗粒返回分解炉，出旋风筒气体进入多管冷却器和袋收尘进行粉尘收集，最后汇入尾排进入大气[12]。
图2 投放垃圾前后C1回灰氯离子含量对比
图3为投放垃圾过程中C5下料管热生料和旁路放风灰氯离子含量规律。根据图3可以看出，在投放垃圾过程中，早期C5下料管氯离子含量突增至1.2%以上，旁路放风灰中氯离子含量在5%以下，随着旁路放风效率的提高，旁路放风灰中氯离子含量达到12%以上，C5下料管氯离子含量明显降低。投放垃圾初期，旁路放风效率较低，同时可燃物燃烧释放出的氯离子也参与循环富集，此情况下C5下料管氯离子出现突增，随着旁路放风除氯效率的提高，循环富集中的氯离子抽出量增加，因此C5下料管氯离子含量明显下降。
图3 投放垃圾时C5下料管与旁路放风氯离子含量对比
图4为C5下料管和旁路放风在投放垃圾前后氯离子含量变化的对比。图4（a）中C5下料管在未投放垃圾时氯离子含量较低且稳定，但在投放垃圾后氯离子含量开始时出现突增，随后降低，但氯离子含量仍然高于未投放垃圾时。在未投放垃圾时，预分解窑系统中氯离子循环平衡达到稳定，C5下料管热生料氯离子含量稳定在0.9%左右，在投放垃圾后，可燃物燃烧释放的氯离子也参与进入循环富集，此时旁路放风除氯效率低，因此C5下料管氯离子突增，后期随着旁路放风除氯效率的提高，氯离子放出量增加，氯离子在系统中循环量降低，C5下料管热生料氯离子含量明显下降。从图4（b）可以看出，旁路放风灰中氯离子含量由低逐渐上升，后期趋于稳定，且投放垃圾时旁路灰中氯离子含量要高于未投放垃圾时。经过对旁路放风系统的逐渐调整，旁路放风除氯效果逐渐改善，因此在未投放垃圾时和投放垃圾后旁路灰中氯离子浓度前期都呈现上升的趋势，后期旁路放风除氯效果达到要求，因此旁路灰氯离子含量趋于稳定。焚烧可燃物时，释放可燃物中氯离子进入循环富集，因此在投放垃圾后旁路放风除氯灰中氯离子浓度比未投放垃圾时要略微高一点。
图4 投放垃圾前后氯离子含量变化
4 氯离子的平衡分析
熟料煅烧过程中，氯离子来源：氯离子由入窑生料、燃料煤和垃圾带入；氯离子去向：进入熟料（熟料灰）、C1出口回灰、旁路放风灰以及结皮（预热器、分解炉和烟室）、循环富集。在预分解窑系统中，氯离子的循环富集分为内循环和外循环两个过程。内循环是氯离子在窑内高温下从生料及燃料中挥发，随热气流进入预热器，冷凝附着在温度较低的生料上，并随着生料再一次进入窑系统，形成的一个在预热器和窑之间的循环和富集的过程。外循环是附着在回灰颗粒表面的氯离子，随回灰一起排出预热器系统，这部分粉尘在大布袋被收集重新入预热器，这个循环是在预分解窑系统外单独进行的，故称为外循环[13-14]。氯离子的来源和去向分布见图5。
根据物质守恒的原理，将预热器、窑、篦冷机看成整体，以8 h为一周期来计算，氯离子含量平衡分析计算如下：
氯离子来源总量=氯离子去向总量
氯离子来源总量=生料氯离子＋燃煤氯离子＋垃圾氯离子
氯离子去向总量=旁路放风氯离子＋熟料中的氯离子＋回灰中氯离子+参与循环富集和结皮氯离子
旁路放风旋风筒出口温度为250 ℃左右，C1出口温度为330 ℃，温度较低，在旁路放风旋风筒出口和C1出口的热气体中氯离子含量极少，可忽略[15]。垃圾投放从12月12日10：20开机，至23：59持续喂入，垃圾处理速度6.77 t/h；垃圾水分含量平均值为43%。取12月12日16点开始截止到24点期间实际数据（见表1和表2）计算得出8 h内参与循环富集和结皮部分氯离子量，以及旁路放风除氯效率。
氯离子平衡计算过程如下：
生料：3 122.88 t×0.029%=0.905 6 t；
垃圾：54.16 t×1.589%×（1-43%）=0.490 5 t；
燃煤：245.35 t×0.008 8%=0.0216 t；
氯离子来源总量：求和得1.417 7 t。
旁路放风灰：11.7%×2.24 t=0.262 1 t；
C1回灰：0.158%×536.96 t=0.848 4 t；
熟料：0.007%×2 054.52 t=0.1438 t；
窑头电收尘、进煤磨热风管、余热发电站收集熟料灰估算值：0.024%×320 t=0.076 8 t；
氯离子去向总量：1.331 1 t。
参与循环富集与结皮量：1.417 7-1.331 1=0.086 6 t。
参与循环富集与结皮的氯离子含量占总氯离子来源的6.1%。
旁路放风除氯效率：0.2621÷（0.2621+0.086 6）=75.2%。
旁路放风闸板开度中控显示90%，排风机给定频率45 Hz，现场实测旁路放风抽出4.6%热烟气[16]，计算得旁路放风实际除氯效率为75.2%，有研究表明氯离子大约90%可以通过旁路放风排出5%的热气体来除去[17]，可以估算出旁路放风系统中放出4.6%热烟气，排出约82.8%氯离子，接近实际数据旁路放风排出氯离子含量75.2%。
5 降低氯离子含量的措施
5.1 加强原、燃材料质量控制
生料中氯离子主要是由石灰石、页岩和黏土带入的[18]，在选择原料特别是页岩和黏土时要注意氯离子含量，严格控制生料成分，保证入窑生料氯离子含量不能超过0.03%[19]。
5.2 优化旁路放风系统，提高除氯效率
通过旁路放风系统旁路放风可以很大程度上降低氯离子[20]，C5下料管中热生料参与氯离子的循环富集，氯离子含量对C5下料管影响较大，旁路放风的控制可以依据C5下料管热生料中氯离子含量来控制，规定C5下料管热生料氯离子含量不能超过0.8%。
旁路放风系统调整时旁路放风灰和C5下料管氯离子含量变化趋势见图6，开始运行第4天至第15天内为第一阶段调整：闸板开度在90%到100%，排风机频率在40~42 Hz，冷风机频率为35~40 Hz，此时旁路放风除氯效率较低，下料管氯离子含量虽有所下降但仍然在1%以上，且在此期间蜗壳和废气通道中结皮严重，2天需清理一次，每次清理时长2 h。第15天至第44天为第二次调整：闸门开度由20%递增到90%，排风机频率给定40~42 Hz，冷风机频率25~28 Hz，这一阶段旁路灰氯离子含量开始上升达到10%以上，C5下料管氯离子含量降至0.9%左右，此期间清结皮两次。第45天以后为第三阶段调整：闸门开度为90%，排风机给定44~45 Hz，冷风机36~38 Hz，旁路放风氯离子含量稳定在12%左右，C5下料管氯离子含量降至0.8%以下[21]。调整后，除氯效率大大提高，系统内部结皮较少，除氯效果显著。
图6 投放垃圾过程中旁路放风灰与C5下料管热生料氯离子含量对比
6 结论
（1）在投放垃圾的过程中出磨生料、入窑生料、C1回灰中氯离子含量相对于未投放垃圾时都出现不同程度的上升。
（2）在投放垃圾前期，旁路放风系统除氯效率较低，C5下料管氯离子含量高达1.2%以上，结皮严重，随着旁路放风逐渐调整，C5下料管氯离子含量降至0.8%以下，结皮基本消除。旁路放风调试稳定后，氯离子参与循环富集和结皮占进入系统氯离子总量6.1%，旁路放风除氯效率为75.2%。
（3）保证C5下料管热生料中氯离子含量在0.8%以下，优化旁路放风系统，旁路放风调整闸板开度为90%，冷风机频率给定38 Hz，排风机频率在45 Hz时，旁路灰氯离子含量稳定在12%左右，除氯效果理想。
作者单位：葛洲坝宜城水泥有限公司
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