吳曉六，張冬冬，王朝雄

1 前言

水泥窯協(xié)同處置固體廢棄物技術(shù)是一種將固體廢棄物焚燒與水泥生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合的處理技術(shù)，其為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、打造新型綠色水泥工業(yè)開辟了一條新途徑。協(xié)同處置類項(xiàng)目因其具有投資運(yùn)營成本低、處理能力大和處置效果好等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，截至目前，全國水泥窯協(xié)同處置固廢及危廢類的生產(chǎn)線已近150余條[1]。固體廢棄物來源廣泛，成分復(fù)雜，其中含有大量氯元素。固體廢棄物在線或離線焚燒后，煙氣進(jìn)入水泥窯系統(tǒng)中，導(dǎo)致水泥窯窯尾煙氣中的HCl氣體超標(biāo)排放風(fēng)險(xiǎn)顯著上升。

水泥窯協(xié)同處置固體廢棄物后的窯尾煙氣排放指標(biāo)按照GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和GB 30485-2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定執(zhí)行，HCl限定排放濃度要求＜10mg/Nm3。水泥企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，生料磨機(jī)并非全天運(yùn)行，而窯尾煙氣中HCl排放的濃度受生料磨開停機(jī)的影響，波動(dòng)極大。當(dāng)生料磨正常運(yùn)行時(shí)，窯尾煙氣中的HCl濃度能滿足排放要求，而在生料磨停機(jī)期間，窯尾煙氣中的HCl濃度則頻繁超出排放標(biāo)準(zhǔn)。通過采用水泥窯協(xié)同處置窯尾煙氣在線脫氯系統(tǒng)，確保了窯尾煙氣中的HCl排放濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2 窯尾煙氣中HCl的來源及固體廢棄物焚燒煙氣的影響和處置現(xiàn)狀

（1）窯尾煙氣中HCl的來源

窯尾煙氣中的HCl通常來源于水泥生產(chǎn)原燃料以及固體廢棄物焚燒后引入的協(xié)同處置高溫?zé)煔?，其中，固體廢棄物焚燒煙氣為HCl的主要來源。

水泥生料由石灰質(zhì)原料、粘土質(zhì)原料及少量校正原料等組成。氯元素是水泥原料中的有害成分，目前我國要求入窯生料氯含量＜0.04%，行業(yè)內(nèi)普遍要求入窯生料氯含量＜0.015%～0.020%。

水泥窯燃料主要為用于窯頭燃燒器和窯尾分解爐的煤粉，為生料分解和熟料煅燒提供熱量，燃煤中的含氯量極低。

固體廢棄物中的氯元素主要來源于廢塑料和無機(jī)鹽（如NaCl）等物質(zhì)。廢塑料在充分燃燒的情況下，其中的氯可以完全轉(zhuǎn)化為HCl；NaCl在水分和二氧化硫存在的情況下，50%～60%可反應(yīng)生成HCl，進(jìn)一步增加系統(tǒng)中HCl的釋放[2]。上述反應(yīng)過程的化學(xué)方程式如下:

（2）原燃料中含氯成分循環(huán)富集情況

水泥生產(chǎn)過程中，原、燃料中的含氯成分在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)遇高溫?fù)]發(fā)，隨煙氣在分解爐或預(yù)熱器中冷凝而附著于生料，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)再次揮發(fā)，形成了一個(gè)“揮發(fā)-冷凝-揮發(fā)”的內(nèi)循環(huán)，長時(shí)間循環(huán)的氯離子在800℃～1 000℃溫度區(qū)間內(nèi)富集，易導(dǎo)致窯內(nèi)出現(xiàn)不同程度的結(jié)皮和堵塞[3]。生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的HCl氣體通常97%以上會(huì)被堿性生料吸收，隨窯尾廢氣外排的HCl很少。

（3）固體廢棄物焚燒煙氣對(duì)窯尾HCl排放的影響及處置情況

將固體廢棄物焚燒煙氣送入窯內(nèi)高溫協(xié)同處置，窯內(nèi)富余的堿性環(huán)境能吸收部分HCl，但受反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)效率等因素制約，窯尾C1預(yù)熱器出口的HCl氣體濃度顯著升高。目前，水泥生產(chǎn)線多采用“窯、磨一體”的廢氣處理方式，窯尾廢氣引入生料粉磨系統(tǒng)用于物料烘干，生料破碎過程中產(chǎn)生大量的CaCO3新生界面，同時(shí)物料烘干過程中蒸發(fā)出大量水蒸氣，將絕大多數(shù)窯尾廢氣中的HCl固定在物料中，使窯尾煙囪出口的酸性氣體排放濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 在線脫除HCl技術(shù)改造

3.1 項(xiàng)目情況

貴州某水泥廠現(xiàn)有一條3 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線，配套建設(shè)了250t/d的生活垃圾協(xié)同處置系統(tǒng)。該協(xié)同處置系統(tǒng)利用機(jī)械爐排爐無害化焚燒處理當(dāng)?shù)厣罾?，同時(shí)借助水泥窯分解凈化焚燒煙氣。機(jī)械爐排爐焚燒垃圾所產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓ㄟ^高溫?zé)煔夤艿乐苯铀腿敫G尾分解爐，在分解爐900℃左右的高溫堿性條件下，吸收和處理垃圾產(chǎn)生的二噁英及其他酸性氣體等，使垃圾達(dá)到減量化、資源化、無害化的處理要求[4]。圖1為此水泥窯協(xié)同處置垃圾系統(tǒng)的工藝流程圖。

圖1 水泥窯協(xié)同處置垃圾系統(tǒng)工藝流程

該水泥窯協(xié)同處置垃圾系統(tǒng)投運(yùn)后，對(duì)窯尾煙囪出口煙氣排放實(shí)施在線監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)到的煙氣排放數(shù)據(jù)上傳至省污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在生料磨停運(yùn)后，HCl排放量快速上升，超過標(biāo)準(zhǔn)限定值。為進(jìn)一步分析垃圾焚燒煙氣對(duì)水泥窯系統(tǒng)煙氣排放量的影響及生料磨對(duì)窯尾煙氣脫除HCl的影響，對(duì)本協(xié)同處置系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀況下，窯尾煙氣中的HCl排放濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。水泥窯協(xié)同處置垃圾系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的排放數(shù)據(jù)見表1。

如上所述，本項(xiàng)目中的生料磨機(jī)未運(yùn)行時(shí)，且在垃圾焚燒爐投運(yùn)前，水泥窯煙氣中的HCl濃度均值已高于10mg//Nm3。垃圾焚燒爐投運(yùn)后，垃圾焚燒的富氯煙氣被送入分解爐，水泥窯窯尾C1預(yù)熱器出口煙氣的HCl濃度均值上升了74.35mg/Nm3。本項(xiàng)目原始垃圾中的氯離子含量在0.9%左右，水泥窯協(xié)同處置垃圾后的窯尾煙氣總風(fēng)量為21×104Nm3/h，若垃圾中的Cl元素全部轉(zhuǎn)移到煙氣系統(tǒng)中，窯尾煙氣的HCl排放濃度理論上將上升459mg/Nm3。由此可見，水泥窯窯尾分解爐及預(yù)熱器系統(tǒng)分解和吸收了大部分的富氯煙氣。

由表1還可以看出，生料磨機(jī)運(yùn)行時(shí)，在垃圾焚燒爐投運(yùn)或未投運(yùn)狀態(tài)下，窯尾煙囪出口HCl排放濃度均達(dá)標(biāo)排放。生料磨機(jī)運(yùn)行時(shí)，高含水率的垃圾焚燒煙氣引入分解爐，窯尾煙氣的HCl濃度均值僅為0.84mg/Nm3，與垃圾焚燒爐未投運(yùn)時(shí)的HCl濃度均值相比（4.28mg/Nm3），生料磨吸收HCl的效果更為顯著。原因在于，垃圾焚燒爐投運(yùn)后，水泥窯煙氣中的含水率增加，HCl氣體在大量水蒸氣中解離出氫離子，加速了CaCO3吸收HCl氣體的進(jìn)程[5-6]。

表1 水泥窯協(xié)同處置垃圾系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的排放數(shù)據(jù)

3.2 改造方案

減少窯尾HCl排放通常有下述兩種措施，一種是改變水泥原料及固體廢棄物成分，降低入窯物料的氯含量，但源頭上改變物料成本較高；另一種是借助在線脫氯技術(shù)進(jìn)行水泥窯煙氣尾端凈化，其原理是通過堿性物質(zhì)來中和吸收HCl氣體，主要有干反應(yīng)劑噴注脫酸、噴霧干燥脫酸及濕式脫酸等幾種方式。

綜合考慮HCl排放現(xiàn)狀、脫HCl效率及技改成本等因素，本項(xiàng)目采用了噴霧干燥脫酸的在線脫HCl技術(shù)，利用消石灰粉脫除水泥窯煙氣中的HCl氣體，將消石灰粉噴入高溫風(fēng)機(jī)后的后續(xù)煙氣管道中，同時(shí)噴水將煙氣溫度降至130℃～150℃左右。在線脫HCl系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)改造過程如下：

（1）系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)倉，用于消石灰粉儲(chǔ)存，消石灰儲(chǔ)存量以3d消耗量計(jì)。消石灰儲(chǔ)倉底部設(shè)置一套高密封性旋轉(zhuǎn)給料器和一臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)，用氣力將倉內(nèi)消石灰粉輸送至高溫風(fēng)機(jī)出口的煙風(fēng)管道內(nèi)。消石灰輸送管道規(guī)格尺寸為φ76mm×5mm；羅茨風(fēng)機(jī)壓力為49kPa，流量為6.7Nm3/min。為了保證消石灰粉在煙風(fēng)管道內(nèi)均勻分布，輸送管道末端置于煙風(fēng)管道中心附近，輸送管道出口為喇叭型，消石灰粉噴射方向與煙風(fēng)管道內(nèi)的煙氣流向一致。

（2）在高溫風(fēng)機(jī)出口的煙風(fēng)管道上設(shè)置3根雙流體霧化噴槍用于噴水降溫，設(shè)計(jì)噴水霧化壓力＞0.4MPa，噴槍安裝位置設(shè)置在消石灰輸送管道出口前2～3m，噴水量根據(jù)煙氣溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以不影響窯尾布袋收塵器正常運(yùn)行為前提，脫氯系統(tǒng)的水源從余熱發(fā)電區(qū)的循環(huán)冷卻水池引入。

3.3 改造效果

技術(shù)改造后，生料磨運(yùn)行時(shí)，消石灰脫HCl系統(tǒng)維持停運(yùn)狀態(tài)；生料磨計(jì)劃停磨前30min，預(yù)先啟動(dòng)在線脫HCl系統(tǒng)，相繼噴入消石灰和水，將袋收塵器進(jìn)口溫度保持在140℃以下，HCl排放濃度可保持在10mg/Nm3以下。由于消石灰對(duì)脫除SO2有非常好的效果，采用消石灰進(jìn)行脫HCl的同時(shí)，窯尾煙囪處的SO2排放值也顯著下降，排放濃度均值由常規(guī)78.6mg/Nm3降至42mg/Nm3左右。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，生料磨機(jī)每日停磨6h左右，消石灰每日消耗量在1.5～2t，回轉(zhuǎn)窯年實(shí)際運(yùn)行時(shí)間在6 000h左右，消石灰價(jià)格按450元/t計(jì)算，預(yù)計(jì)年增加運(yùn)行成本16.9～22.5萬元（未計(jì)入水氣化后煙風(fēng)量增加的風(fēng)機(jī)電耗），此時(shí)，窯尾煙氣中的SO2和HCl指標(biāo)均被有效控制。

4 結(jié)語

水泥窯協(xié)同處置生產(chǎn)線在生料磨停磨期間，窯尾煙氣中的HCl排放濃度頻繁超過國家標(biāo)準(zhǔn)限定值，目前環(huán)保部門已要求對(duì)協(xié)同處置水泥生產(chǎn)線的HCl排放濃度實(shí)施在線監(jiān)測(cè)，水泥窯協(xié)同處置項(xiàng)目窯尾煙氣HCl排放超標(biāo)問題，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段即予以考慮。

窯尾高溫風(fēng)機(jī)后的煙氣管道中噴入消石灰和適量水的方案，可將系統(tǒng)HCl排放濃度保持在10mg/Nm3以下?？紤]到部分項(xiàng)目煙氣溫度及管徑限制，噴水可能會(huì)造成管壁板結(jié)，建議進(jìn)一步優(yōu)化工藝系統(tǒng)，將SP鍋爐出風(fēng)管接入增濕塔頂部，利用增濕塔來脫除HCl。