利用水泥生產(chǎn)線協(xié)同處置城市生活垃圾排污分析

(山西省環(huán)境科學研究院，太原 030027)

1 利用水泥生產(chǎn)線協(xié)同處置城市生活垃圾的意義和工藝

隨著我國城市化、經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，城市生活垃圾的產(chǎn)生量日益增多，城市生活垃圾成分也有一定的變化，有機物總體上呈逐漸增加趨勢，無機物則相反，熱值有一定提高。

水泥窯的高溫及堿性工況使得垃圾處理過程中不易產(chǎn)生有毒氣體，重金屬通過物理封固、替代、吸附等作用，被固化在水泥熟料的晶體結構中，垃圾焚燒后的灰渣成為水泥的一部分，能從根本上做到垃圾處理的資源化、無害化。因此，利用水泥生產(chǎn)線協(xié)同處置生活垃圾引起人們的關注。

與生活垃圾焚燒發(fā)電工藝相比，水泥生產(chǎn)線協(xié)同處置生活垃圾工藝沒有急冷、活性炭吸附等煙氣凈化裝置，外排煙氣中重金屬和二噁英含量有多少，能否做到達標排放，是本文討論的主題。

本文介紹的生產(chǎn)工藝為：將生活垃圾投入氣化爐中，通過約550℃的高溫進行氣化處理。出氣化爐的氣體進入水泥新型干法窯的分解爐中，經(jīng)過分解爐、預熱器、生料磨、布袋收塵系統(tǒng)處理后排放。氣化爐下的不可燃物，摻入生料系統(tǒng)作為水泥燒成原料。

2 窯尾煙氣中重金屬排放分析

城市生活垃圾中含有一定的重金屬，這些重金屬能否進入煙氣中，進入煙氣中的量有多少，是我們要研究分析的。

2.1 城市生活垃圾中重金屬含量分析

城市生活垃圾是一種成份復雜的混合廢物，其中含有一定數(shù)量的重金屬，鉻的含量一般為100～450g/t，鎳為50～200g/t，銅為450～2500g/t，鋅為900～3500g/t，鉛為750～2500g/t，鎘為l0～40g/t，汞為2～7g/t[1]。

李建新等[2]收集了常見的18種典型垃圾組分，并對其中重金屬含量進行了測試，結果顯示，每一垃圾組分中都含有一定量的重金屬，對于所研究的7種重金屬(Hg、Cr、Ni、Cd、Zn、Pb、Cu)，Zn的含量最高，其次是Pb，而Cd、Hg的含量最少；在分析的18種垃圾組分中，彩色塑料、橡膠、雜草及灰塵中的重金屬含量較高。

辛美靜等認為[3]，城市生活垃圾中的重金屬主要來自印刷電路板和廢舊電池。印刷電路板上的金屬材料主要是銅，常在銅上鍍一層鎳，高級精密產(chǎn)品很多再鍍一層極薄的金。不同種類電池中均含有一定的重金屬，主要為：Cr、Hg、Zn、Ni、Pb、Cu、Mn和Ag。

綜合分析，城市生活垃圾中的重金屬來源主要為電池、電器、燈管、溫度計、顏料、塑料、報紙、雜志、橡膠、鍍金材料、彩色膠卷、紡織品、雜草等。

由于物理化學性質(zhì)的不同，重金屬在城市生活垃圾中有的以單質(zhì)形式存在，有的則以氧化物及其他化合物的形式存在。

2.2 城市生活垃圾中重金屬的焚燒特性

在所有的重金屬中，大多數(shù)為難揮發(fā)重金屬，但汞、鎘、鉛和類金屬砷等揮發(fā)性較大。GBl8484-2001《危險廢物焚燒污染控制標準》規(guī)定控制的10種重金屬中，汞、鎘、鉛、砷為易揮發(fā)物，鎳、鉻、錫、銻、銅、錳為難揮發(fā)物。GB18485-2001《生活垃圾焚燒污染控制標準》中規(guī)定了汞、鎘、鉛等三種重金屬的排放標準限值。

李建新等[2]實驗研究了重金屬揮發(fā)特性。實驗中考察了溫度從500～900℃變化對Hg、Cd 、Pb、Zn 、Cu、Ni、Cr等7種重金屬揮發(fā)特性的影響。結果顯示，溫度對不同重金屬揮發(fā)特性的影響程度是不同的，對于Hg，Cd，溫度變化對其揮發(fā)特性的影響很明顯，而對Pb、Zn、Cu的影響小些，對Cr、Ni的影響則最小。在溫度較低時(500℃左右)，只有Hg(27%)、Cd(3%)和Zn(3%)有少量的揮發(fā)，其它重金屬揮發(fā)幾乎為0，在低溫下，Hg的揮發(fā)遠高于其余6種重金屬，Pb、Zn的揮發(fā)特性較接近，大約在700℃時有較明顯的揮發(fā)，而Ni、Cr在800℃后才出現(xiàn)較明顯揮發(fā)。 在900℃時各重金屬的揮發(fā)率分別為：Hg75%、Cd55%、Pb30%、Zn33%、Cu12%、Ni10%、Cr10%。溫度變化對金屬蒸發(fā)壓力有較明顯的影響，即隨溫度的升高蒸發(fā)壓力呈明顯增加的趨勢，說明隨溫度升高金屬的蒸發(fā)量是增加的。

氯的添加，無論是有機氯還是無機氯的增加使重金屬的揮發(fā)都有一定的增加，且有機氯的影響高于無機氯。由于氯的參與并與重金屬發(fā)生化學反應生成金屬氯化物，金屬氯化態(tài)的蒸發(fā)壓力通常都高于氧化態(tài)，使重金屬的蒸發(fā)量增加，而且氯的參與延遲了金屬化合物的凝結過程，并且降低了露點溫度。

2.3 重金屬排放分析

在水泥生產(chǎn)線中，煙氣和物料是逆向流動的。燃料和空氣從窯頭鼓入，在回轉窯燃燒，物料在回轉窯內(nèi)的停留時間約在30～40min，煅燒的氣相溫度1800℃，熟料的固相溫度約為1400～1500℃。而后煙氣進入分解爐，這里煙氣溫度為850～900℃，停留時間大于7s。隨后煙氣經(jīng)預熱器、原料磨、袋式收塵器，最后從窯尾煙囪排入大氣，排氣筒出口溫度約120℃。物料則相反，生料首先投入原料磨，而后依次進入預熱器、分解爐、回轉窯，煅燒為水泥熟料，最后從窯頭排出。

重金屬在水泥生產(chǎn)系統(tǒng)中是一個循環(huán)過程。在氣化爐中，溫度為500～550℃，考慮到有較多的HCl生成，有一部分Hg、Cd、Zn和Pb將揮發(fā)，隨氣相進入分解爐。在而后進入預熱器、生料磨、收塵器的過程中，溫度逐漸降低，煙氣與物料逆向接觸，使一部分冷凝的重金屬微?；烊胛锪现卸祷匚锪狭?，一部分重金屬微粒則進入煙氣，經(jīng)收塵器，絕大多數(shù)被收塵器收集返回到物料流，小部分經(jīng)窯尾煙囪排入大氣。需要說明的是，Hg的揮發(fā)性較大，而且可能有氣態(tài)單質(zhì)Hg，因此排入大氣的Hg要大一些。在氣化爐中，其他重金屬幾乎全部進入爐渣中。

氣化爐爐渣進入生料磨，與水泥原料一起，依次進入預熱器、分解爐、回轉窯。在這個過程中，溫度逐漸升高，重金屬開始揮發(fā)，在分解爐中揮發(fā)明顯加大，在回轉窯揮發(fā)達到最大，在回轉窯內(nèi)，所有的重金屬都有較大的揮發(fā)，尤其是Hg、Cd、Pb和Zn揮發(fā)率較大。同時，一部分重金屬經(jīng)高溫固相反應生成復合型礦物，成為熟料礦物晶體中的部分源自替代物，被固化在水泥熟料中隨熟料排出。揮發(fā)的重金屬則隨煙氣反向依次進入分解爐、預熱器、生料磨、收塵器，在這個過程中，溫度逐漸降低，煙氣與物料逆向接觸，使一部分冷凝的重金屬微?；烊胛锪现卸祷匚锪狭?，一部分重金屬微粒則進入煙氣，經(jīng)收塵器，絕大多數(shù)被收塵器收集返回到物料流，小部分經(jīng)窯尾煙囪排入大氣。就這樣，重金屬在固相和氣相中形成一個循環(huán)過程。需要說明的是，在回轉窯內(nèi)的物理化學反應是一個平衡過程，循環(huán)的重金屬含量增高，固化在水泥中的重金屬就增加，這樣就不會在生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)形成明顯的富集。還需說明的是，不易揮發(fā)的重金屬主要在預熱器、分解爐、回轉窯部分循環(huán)，在隨后的收塵器中也能絕大部分回收，因此，排入大氣中的量很小。而易揮發(fā)的重金屬則在整個過程中循環(huán)，因此，排入大氣中的量相對要大一些。

綜上分析，鎳、鉻、錫、銻、銅、錳等難揮發(fā)重金屬從窯尾煙囪排入大氣的量很小，汞、鎘、鉛、砷等易揮發(fā)重金屬從窯尾煙囪排入大氣的量較大，其排放量有多少，能否達到國家排放標準，具有一定的不確定性。

3 窯尾煙氣中二噁英排放分析

二噁英化學性質(zhì)穩(wěn)定，難以生物降解，是目前已知化合物中毒性最大的物質(zhì)。二噁英對人類具有致癌性，還能降低人體免疫能力，影響正常荷爾蒙分泌。此類化合物可在食物鏈中富集。

3.1 二噁英形成機理和條件分析

焚燒過程中二噁英生成機理有以下2方面[4]：

(1)以氯代芳香族化合物作為前生體，如氯酚、氯苯等，通常在飛灰表面通過非均相催化在250～400℃反應而成。前生體可能是原燃料中的微量雜質(zhì)，也可以通過多級反應而生成，包括脂肪族化合物的芳香化。

(2)由活性碳顆粒與空氣、水分和無機氯化物經(jīng)Cu(Ⅱ)催化，通過氣-固和固-固反應de novo合成二噁英。

上述兩種機理之間存在著一定聯(lián)系。

二噁英的產(chǎn)生要具備以下條件：HCl、O、前體物的存在；生成溫度不高，一般情況下在250～600℃之間(主要在250～400℃之間)；特定的金屬離子(Cu2+、Fe2+)對其形成過程的催化作用；燃燒過程不完全，有一氧化碳存在；煙氣的含水量較高，燃燒過程產(chǎn)生蒸汽。

3.2 城市生活垃圾中的氯及焚燒特性

城市生活垃圾中含氯的有機物質(zhì)主要有紙、植物、化纖類物質(zhì)及一些塑料(包括PVC)，無機物主要是NaCl、KCl等。

解強等實驗得出[5]，在溫度為500℃左右持續(xù)加熱30min，城市生活垃圾中70%～80%的有機氯釋放出來；在1200℃下保溫10～30min，城市生活垃圾中的無機氯約有5%～25%釋放出來。基本上以HCl的形式釋放。

3.3 二噁英排放分析

城市生活垃圾中的氯在水泥生產(chǎn)線中是一個循環(huán)。氣化爐中生成的HCl進入分解爐，在這里，絕大多數(shù)被大量的高活性CaO吸收進入物料流；氣化爐不燃物中的氯隨物料進入物料流；物料在回轉窯中高溫煅燒，又有一部分氯揮發(fā)進入氣相，隨后依次進入分解爐、預熱器、生料磨、收塵器，在這一過程中，氯又被吸收吸附形成循環(huán)。氯的循環(huán)主要在回轉窯和預熱器之間，而且在煙室設有脫氯設施，因此，煙氣在進入預熱器及以后的過程中，氯含量很低。

(1)氣化爐中溫度在500～550℃且O2含量很少，氣化爐氣化過程中難以產(chǎn)生二噁英。

(2)出氣化爐的可燃性氣體，進入分解爐，在這里在850～900℃的高溫環(huán)境中，通過充足的時間燃燒時(7秒以上)，產(chǎn)生的二噁英也被完全分解。

(3)煙氣進入預熱器，在這個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，溫度從850℃逐步降為200℃，是有利于二噁英生成的溫度環(huán)境，考慮到煙氣中氯含量很少且Cu2+、Fe2+含量極少，可以預知，這里會生成少量的二噁英。

(4)不可燃物隨水泥生產(chǎn)常規(guī)原料一起進入原料磨，在原料磨里進行烘干、粉磨。原料磨的進口煙氣溫度約為200℃，出口氣體溫度約為120℃，因此在原料磨里不會產(chǎn)生二噁英。

(5)預熱器中生成的少量二噁英經(jīng)過生料磨、收塵器，以微粒形式吸附在物料中，絕大部分被收塵器收回而進入物料，極小部分排入大氣。

(6)氣化爐不燃物中的二噁英和隨物料返回的二噁英，在分解爐和回轉窯中，被徹底分解而去除。

在國外，采用現(xiàn)代干法水泥生產(chǎn)系統(tǒng)處理城市生活垃圾，二噁英的排放濃度已完全控制在0.1ng/Nm3以下。我國海螺銅陵CKK項目二噁英濃度監(jiān)測值見表1。

綜上分析，利用水泥生產(chǎn)線協(xié)同處置城市生活垃圾會排放少量二噁英，二噁英的排放量和排放濃度能不能達到我國的排放標準，具有一定的不確定性。

表1 我國海螺銅陵CKK項目二噁英濃度監(jiān)測值

4 結論及建議

利用水泥生產(chǎn)線協(xié)同處置城市生活垃圾能從根本上做到垃圾處理的資源化、無害化。但生產(chǎn)過程中會有重金屬和二噁英的排放，這些污染物的排放能否達到我國的排放控制標準，具有一定的不確定性。建議對我國已建成的同類生產(chǎn)線進行跟蹤監(jiān)測，如果能穩(wěn)定達標，就應大力推廣；如果不達標，則應采取一定的工程措施和其他措施，如垃圾分類收集等，以期做到達標排放。

另外，利用水泥生產(chǎn)線協(xié)同處置城市生活垃圾工藝中，生活垃圾的摻入量是少量的，工藝中傳統(tǒng)燃料產(chǎn)生的煙氣量是生活垃圾燃燒產(chǎn)生的煙氣量的10倍以上，大量的燃煤煙氣稀釋了垃圾燃燒煙氣中特征污染物的濃度。因此，執(zhí)行GB18485-2001《生活垃圾焚燒污染控制標準》，有可能造成濃度達標但排放量很大。建議制定本類工藝的相應污染物排放標準，比如控制噸垃圾二噁英排放總量。

參考文獻：

[1]孔絲紡，劉陽生，曾輝，解慶龍，呂曉蕾.焚燒源揮發(fā)性重金屬的排放對周邊土壤和植被污染的研究進展[J].生態(tài)環(huán)境學報，2010，19(4)：985-990.

[2]李建新，嚴建華，池涌.利用流化床實驗臺研究生活垃圾焚燒重金屬分布規(guī)律[J].中國電機工程學報，2005，25(17)：100-104.

[3]辛美靜，楊學權.城市生活垃圾中重金屬對水泥性能的影響[J].水泥工程，3：8-12.

[4]鄭明輝，劉鵬巖，包志成，徐曉白.二噁英的生成及降解研究進展[J].科學通報，1999，44(5).

[5]解強，沈吉敏，張憲生，厲偉.熱處理過程中城市生活垃圾氯釋放特性的研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2003，32(6)：641-645.