利用新型回转窑处置工业废物的难题及优势
摘要 北京水泥厂有限责任公司首次在国内实现了利用水泥回转窑焚烧废弃物的有机结合；首次实现了大量彻底的处置废弃物。利用水泥窑处置工业废弃物其主要优势是：回转窑其处理温度高，高温时间长；焚烧空间大；焚烧停留时间长；处理规模大；湍流程度良好，湍流强烈；水泥回转窑内呈碱性气氛，能对燃烧后产生的酸性物质起中和作用；水泥回转窑系统是负压状态运转，从根本上防止了处理过程中的再污染；水泥回转窑焚烧有毒有害废料，可使有害废料中可能存在的金属元素固化在熟料矿物中，并且固化稳固。根据回转窑的优势我们建了六个相配套的处理系统，六个系统同时运行可处置废物10万吨/年。
为了处置废物北京水泥厂有限责任公司成立了北京金隅红树林环保技术有限责任公司，公司成立于2005年8月（以下简称金隅红树林），隶属于北京金隅集团，年处置和综合利用工业废弃物能力8～10万吨。公司拥有全国首条专业处置城市工业废弃物示范线，2004年1月29日开工建设，2005年5月进入试生产阶段，2005年8月正式投入使用。该示范线项目曾被列入第三批国家重点技术改造“双高一优”项目导向计划。国家环保局和北京环保局对先进的废弃物处理工艺生产线给予了充分的支持和肯定。2005年，北京水泥厂被国家发改委等六部委确立为全国第一批循环经济试点单位。
我公司首次实现了焚烧废物与新型回转窑锻烧的有机结合，在生产优质水泥产品的同时焚烧处置大量废物。首次实现了利用水泥回转窑处置废物与环境保护的充分结合，处理彻底，不会造成二次污染，没有残渣产生。
金隅红树林公司废弃物处理生产线主要以液态（如工业废液）、固态（如工业垃圾）和半固态（如工业污泥和其他可利用废弃物）三大类城市工业废弃物的无害化、资源化、减量化处置为主。该公司拥有世界先进的废弃物预处理工艺设备、国内新型回转式焚烧炉系统并配备了较为完善的化验设备及监测设备。新型回转式焚烧炉系统采用法国皮拉德公司最新技术的多通道低氮燃烧器，为国内首次使用，可实现煤粉、工业废液、飞灰、替代燃料的同时燃烧。
我公司自1998年开始探索利用水泥窑处置工业固体废物技术和工艺。当时，利用水泥窑处置工业废弃物的技术研究在我国尚无成熟的先例，经过对欧美等发达国家处置工业废弃物技术系统的考察后，北水开始了利用水泥回转窑处置工业废弃物的探索和实践。随着处置规模和废弃物种类的增多，利用原有水泥窑系统处置工业废弃物的技术难题逐渐显现出来。
1 利用水泥窑处置废弃物的技术难题
（1）国外利用水泥窑焚烧危险废物一般是经过专业危险废物处理厂预处理之后，适宜进水泥窑焚烧的废物，由水泥厂焚烧处置。而我国危险废物管理刚刚起步，没有专业的危险废物预处理厂，从产废单位收集的危险废物直接进入水泥厂，对危险废物的安全运输、分类贮存是水泥生产企业必须解决的难题。
（2）固体废物成分复杂，自身发热量差异很大，在连续处置过程中经常造成窑内“忽冷忽热”的现象，发生废弃物处置和窑况稳定之间的矛盾。
（3）危险废物有47大类，很多废物相互之间具有反应性，处置不当，会发热、爆炸、产生有毒气体等，如：酸和碱、酸和氰化物。因此，安全处置危险废物必须在掌握废物物理化学特征的基础上，做好危险废物的配料。
（4）危险废物热值和稳定性差异较大，处置过程既要保证废物的彻底焚毁，又要考虑充分利用废物自身热值，必须摸索不同废物的入窑位置、入窑方式。
（5）水泥窑对卤族元素和碱性物质较为敏感，如果加入量不当，将对水泥窑以及水泥产品质量产生影响，因此，必须不断试验，确定含卤素物质和碱性物质的焚烧比例。
2 为解决上述问题，我们自主研发工业废物六个预处理系统
2.1 浆渣制备焚烧系统
本系统可将工业垃圾、工业污泥、废液、废漆渣等多种废弃物经过破碎后，进入混合设备内搅拌成浆渣状，最后经过浆体输送设备喷入窑尾烟室焚烧。处置能力:3万吨/年。
2.2 替代燃料制备焚烧系统
本系统可将收集来的具有热值的工业废弃物经过多级破碎后，制成粒径小的替代燃料，然后作为燃料从窑头多通道燃烧器喷入窑内焚烧，可节约大量能源（煤粉）。处置能力1万吨/年。
2.3 废液处置系统
本系统是在原废液处置系统的基础上经过改造而成，可将废酸液、废碱液在预处理中心中和后，与收集来的废有机溶剂、废矿物油、废乳化液调配成具有一定热值的废液，然后作为燃料从多通道燃烧器喷入窑内焚烧，可替代部分煤粉，实现了资源的再利用。处置能力：1万吨/年。
2.4 工业污泥处置系统
本系统将各种工业污泥用稳定剂搅拌后，喂入窑尾预燃炉，可替代部分原料。处理能力：1万吨/年。
2.5 焚烧残渣处置系统
将各垃圾焚烧厂产生的焚烧残渣经过粉磨后，替代熟料生产使用的硅质、铝质原料，可彻底将焚烧残渣无害化处置。处置能力：3000t/a。
2.6 飞灰处置系统
将各垃圾焚烧厂产生的毒性强、含有害成分多的飞灰，通过气力输送经燃烧器喷入窑内焚烧，彻底消除其危害。处置能力：1.7万吨/年。
3采取六项技术措施，保证处置系统安全高效运行
（1）在窑尾增加了一个预燃炉系统，增强了焚烧系统的热稳定性。确保废弃物处置的连续和稳定。
（2）将回转窑长度增加4米（原标准设计应为62m、现为66m），增加了废弃物在系统内停留时间。由于回转窑热容大，稳定性高，使得系统适于处置液体、固体等多种形态的危险废物，而且可以实现废物的大量处置。
（3）回转窑前后均采用低氮燃烧系统，减少氮氧化物的排放。窑头采用低一次风的大推力燃烧器，这样可以使燃料在较低的空气含量条件下进行正常的燃烧，并提高火焰空间的温度分布均齐性，从而有效地降低氮氧化物形成。炉尾分解炉采用了具有国家实用新型专利的低氮氧化物在线分解炉，能起到很好的脱硝效果，确保废气中氮氧化物的排放达到国家标准。
（4）对废气处理系统进行了技术改进，修正了工艺参数，并采用了进口设备，确保了废弃物的安全无害化处置。
（5）建立了工业废弃物实验室，并配备了先进的检验和分析仪器，如质谱仪、色谱仪、荧光分析仪等。对所有进厂的工业废弃物进行检验分析，确定废弃物的成分、热值、重金属含量、废弃物毒性等等，为后续处理分类提供基础数据。
（6）安装了废气在线监测系统，并与环保部门实现了监测数据联网。
4 从焚烧工艺来看，水泥回转窑具有以下优势
表1 水泥回转窑与焚烧炉的参数比较
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（1）处理温度高。由于掺合料焚烧的要求，水泥回转窑内物料烧成温度必须保证在～1450℃（炉内最高的气流温度可达1800℃或更高），在如此高温下废物中主要有机物的有害成分焚毁率可达99.99999％以上，即使很稳定的有机物也能被完全分解。而一般专业焚烧炉温度仅为850～1100℃。
（2）焚烧空间大。水泥回转窑是一个旋转的筒体，其规格4.3×66m,以每小时100～240转的速度旋转，焚烧空间很大。因此它不仅可以接受处理大量的废料，而且可以维持均匀的、稳定的焚烧气氛。
（3）焚烧停留时间长。由于水泥回转窑筒体较长，斜度小，旋转速度低，物料在炉中高温下停留时间长，物料从炉尾到炉头总停留大于30分钟；气体在高于1300℃温度的停留时间大于4s，焚烧停留时间长是一般专用焚烧炉所无法比拟的。而一般专业焚烧炉烟气停留时间为2秒。
（4）处理规模大。正是由于水泥回转窑具有处理温度高、焚烧空间大、热容量大以及焚烧停留时间长等特点，加之水泥回转窑运转率高（一般年运转率大于90%），决定了水泥回转窑的废物处理规模较大。并且，随着我国工业技术水平的提高，水泥回转窑的日产能力逐步提高，其热稳定性和抗波动能力不断加强，从而在处理废物的规模和采用可替代原燃料的数量也有较大的空间。
（5）湍流程度良好。水泥窑内高温气体与物料流动方向相反，湍流强烈，有利于气固相的混合、传热、传质、分解、化合、扩散。
（6）水泥回转窑内呈碱性气氛。能对燃烧后产生的酸性物质（如HCl、SO2和CO3-2等）起中和作用，使它们变成盐类固定下来，可避免普通焚烧炉燃烧废气产生的“二次污染”问题。
（7）水泥回转窑系统是负压状态运转，烟气和粉尘不会外溢，从根本上防止了处理过程中的再污染。
（8）水泥回转窑处理工业废物完全可以利用水泥生产的废气处理系统，粉尘排放浓度很低，污染物排放量少。特别是由于焚烧过程有吸硫作用，所以整个系统不需采取特殊措施，二氧化硫的实际排放浓度也很低。美国国家环境保护署测量结果表明，当水泥回转窑使用有害物作为代替原燃料时，空气中的有害物排放量不会增加，不造成新的污染，对空气质量无影响，有时甚至有改善和降低污染物综合排放量的作用。
（9）水泥回转窑焚烧有毒有害废料，可使有害废料中可能存在的金属元素（包括重金属）固化在掺合料矿物中，并且固化稳固，因而水泥回转窑起到了尾气净化和重金属高温固化的双重作用。下面是我们对熟料及水泥制品的重金属浸出试验报告。我们做了七种重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的试验数据：
表2 北水生料、熟料及水泥中各重金属的浸出率（%）
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注：浸出率为0是由于浸出液中未检出。
从表看出各种重金属的浸出率都不是很高，基本都在1%以下。上述数据所反映的更重要信息是经过生料→熟料这一转化过程，各种重金属的浸出率都下降了，即重金属的浸出难度增加、稳定性增强了；同时还应看到这是重金属在熟料当中“浓缩”了之后所得到的结果，进一步说明经过生料→熟料这一复杂的物理化学变化，重金属的稳定性和环境安全性都大大提高了。
下面表3是我厂加入一定量的重金属元素后的最大浸出率。
表3 我厂熟料中各重金属的最大可浸出率（%）
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熟料中各种重金属的最大可浸出率基本上都在10%以下，最大也不超过20%。
对水泥熟料产品的研究表明，熟料矿物结构中的结晶化学特征之一是在其晶格中具有分布各种杂质离子的能力，这些杂质离子以类质同晶的方式取代主要结构元素。正是这些晶体的特殊结构和杂质离子的取代行为，为利用水泥熟料固化重金属元素在物质结构上提供了可能。故水泥熟料矿物的晶体结构为重金属离子在其中的“固溶”提供了结构上的先决条件。且不同重金属离子的具体取代情况有很大差别，这主要和这些离子的离子半径，离子价态，离子极性，离子配位数，离子电负性以及所形成的化学键的强度有关。以上即水泥窑固定重金属的“熟料矿物晶格取代理论”。重金属被固定在熟料矿物相晶格中之后，存在形态不再是某种简单的化合物形式，而是分布在熟料矿物相晶格的主要金属元素如Ca、Al以及Si之间，即在晶格中某处取代了这些元素的位置，此时重金属若再想从体系中迁移出，必须在矿物相再此被破坏的情况下才可能发生，即高温、酸碱腐蚀等；而熟料中矿物相的存在形态又是相当稳定的，重金属被“固溶”在内，安全性是有保障的。
另外，与建专用焚化炉相比，水泥回转窑处理废物除具上述优越性外，还有它的独特性，即：所有其他的处理方式都存在焚烧灰渣的二次处理问题，水泥回转窑可直接利用灰渣。掺合料是以氧化钙、氧化硅、氧化铁等为主要成份的无机矿物。掺合料需消耗一定燃料，某些含热值的废物在水泥回转窑上焚烧，可替代部分掺合料生产所需燃料。废物焚烧后残渣（例如污泥残渣），均成为无害盐类，往往具有可利用的组分，替代部分掺合料生产的天然原料，并且在废物的处理过程中，直接参与了掺合料的固相反应、液相反应和掺合料烧结过程，参与掺合料的形成。
经中科院生态环境研究中心和北京市环境保护监测中心连续监测表明：在处理过程中，无机废物中微量元素被固化于水泥熟料晶格体系中，不再逸出；有机废物的基本被彻底焚毁，烟气中有毒有害物质含量远远低于国家允许排放标准。该项目的立足于我国国情，针对我国处于工业快速发展阶段，工业及生废物产生量很大，其中仅危险工业废物年产生量就有3000万吨左右，目前很多工业废物没有得到妥善处置，污染环境现象严重。危险工业废物应该全部采取无害化焚烧处理，若建专业焚烧炉处理，需要建100座规模为1000t/d的焚烧炉，每座焚烧炉须投资4～7亿元人民币，总投资400～700亿元人民币，而且建设周期长，另外还要占用大量的土地资源，焚烧过程由于温度不高，易产生二次污染，焚烧后的飞灰和残渣还需要进行填埋或送至水泥厂再次焚烧。而我国是一个水泥生产大国，拥有2000t/d以上新型干法水泥生产线三百多条，如采用该技术对废物进行焚烧处置，每条生产线年可焚烧处置废物10万吨左右，总焚烧能力可达到3000万吨/年以上，这样仅投入少量资金即可实现利用水泥窑焚烧处理工业废物，可以说发展前景非常广阔。
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