水泥窑共处置垃圾焚烧飞灰的预处理技术研究

摘要：水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰是指把经过预处理的飞灰作为原料投加到水泥生产过程中，替代了部分水泥原料的同时，有效去除了飞灰中富集的二恶英等有机污染物，实现了飞灰的资源化处置。由于飞灰中含有大量的Cl-和重金属元素，为了避免对水泥生产工艺造成影响，必须对其进行预处理。基于此，本文主要对水泥窑共处置垃圾焚烧飞灰的预处理技术进行分析探讨。

关键词：水泥窑共处置；垃圾焚烧飞灰；预处理技术

1 前言

目前，生活垃圾无害化处置方式主要分为填埋、焚烧和堆肥等，而我国的垃圾处理采用的是填埋为主，焚烧和堆肥为辅的策略，这将占用大量的土地资源．随着地价的上升，城市环境要求的不断提高以及公众环保意识与诉求的日益高涨，垃圾填埋变得不再经济和安全，越来越多的城市开始考虑垃圾焚烧处理．

2 垃圾焚烧飞灰的处置方法和现状

在我国，对于垃圾焚烧飞灰处置有着相当严格的规定。在GB18485—2014《生活垃圾焚烧污染控制标准》中要求对垃圾焚烧飞灰分别收集、贮存和运输，并按危险废物处理。在环发[2001]199号《危险废物污染防治技术政策》第9.3条中对生活垃圾焚烧飞灰的收集与处置做出了明确的规定，要求此类危险废物不能与其他类型的废物混合，且不得在产生地长期贮存，不得进行简易处置，必须进行必要的固化和稳定化处理之后方可运输，这大大提高了垃圾焚烧飞灰的处置难度。

目前，对于垃圾焚烧飞灰常用的处置方法包括稳定化技术和资源化利用技术。其中稳定化技术主要包括水泥固化、熔融固化、化学稳定化、酸和其他溶剂对重金属的提取等。其中水泥固化成本相对较低，对飞灰中化学性质的变动具有相当的承受力，且技术成熟，设备简单；熔融固化可以实现二恶英的分解，且不会产生重金属溶出现象；化学药剂稳定化以及酸和其他溶剂对重金属的提取方法能够在不改变飞灰的物理状态的条件下，降低部分投资运行成本，同样也不会产生重金属溶出。飞灰资源化利用的途径包括制作建筑材料，如陶瓷和玻璃等；用于路基或者筑坝，主要是代替部分砂作为填充层，或掺入水泥中替代部分水泥生成水泥固化体作为道路支撑层，但极易对土壤和地下水造成污染；飞灰中由于含有一定的K、P和Cu等元素，因此，还能用于治理酸性较强的土壤。

除此之外，飞灰还能用于污泥的调节和脱水，取代粉煤灰用于烟气净化，用作脱硫剂等。但是，这些处置技术对于飞灰的消耗较少，不能对飞灰的处置起到根本性的改观，且极易造成土壤和地下水的污染。焚烧飞灰作为危险废物，对其进行综合利用必须要满足无害化的前提，处置过程不能带来二次污染。近年来国际上新兴的水泥窑协同处置技术，在利用水泥窑高温环境将飞灰稳定脱毒的同时，节约了部分水泥生产原料，并且整个过程不会对生产系统和水泥熟料产品产生影响，该项技术已逐步成为焚烧飞灰资源化利用新的重点发展方向之一。

3 垃圾焚烧飞灰在水泥窑协同处置过程中的优势和预处理技术

3.1 水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰的主要优势

1）替代了部分原料

由于垃圾焚烧飞灰的主要成分与水泥生产所需的原料相差不多，因此能够用于替代部分原料烧制水泥熟料。垃圾焚烧飞灰的主要成分是CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3、K2O和Na2O，其中CaO的质量分数13.13%~35.56%之间，其次是SO3和SiO2，这使得在生料的成分调配上比较容易，可以实现部分原料的替代。有研究人员将焚烧飞灰直接掺入已经按生产率值配好的水泥生料中，发现当焚烧飞灰替代原料比例低于5%时，不会影响熟料的抗压强度指标。

2）能够有效去除二恶英等有机污染物

水泥窑内温度较高，其火焰温度在1700~1900℃，大型预分解窑可高达2100℃，物料温度也达到1450℃，这个温度要高于危险废物焚烧要求的1100℃。

有研究表明，当物料在超过1100℃的区域内停留时间长达8s时，有害成分焚毁率可达99.99%以上，二恶英和呋喃类有机物能够得到彻底分解，同时由于水泥窑烟气在200~450℃区域冷却较快，很大程度上降低了这类物质的再次合成。

3）减少酸性有害气体的排放

水泥窑中的碱性气氛有利于酸性气体的吸附，特别是稳定性强的含Cl-有机物，对SO2、HCl和HF有较强的中和作用，有效抑制酸性物质的排放，便于尾气的净化。

4）将重金属的污染程度降至最低

将垃圾飞灰直接掺入水泥中替代部分水泥生成水泥固化体，在使用过程中极易对土壤和地下水造成污染，而经过水泥窑的强氧化气氛后，可以有效避免重金属在还原性气氛下挥发，并且在熟料煅烧过程中，重金属能够固化在水泥熟料中，有效阻止了飞灰中重金属的溶出，整个过程也不会产生灰渣，避免二次污染的产生，窑灰的回用和烟气的循环能使重金属多次固化，有效避免了污染的扩散。掺杂了飞灰的矿渣硅酸盐水泥已经成为我国水泥行业的一个主要水泥品种，并且得到市场的认可，不仅避免了纯粹采用煅烧或熔融工艺的高能源消耗，降低了飞灰的处理费用，同时飞灰的加入也代替了日益短缺的水泥生产原材料。

5）降低飞灰处置成本

采用水泥窑协同处置焚烧飞灰不需要建设成套的处理设备和烟气净化设施，只需要在现有工艺基础上进行一定程度的调整，这大大降低了飞灰的处置成本。

3.2 垃圾焚烧飞灰水洗预处理技术

我国大部分地区垃圾焚烧飞灰中Cl-的含量在7.41%~15.21%之间，若直接作为水泥工业原料，极易引起窑系统结圈、结球和预热器堵料等事故，影响设备运转率和水泥熟料质量。另外，在我国GB175—2007《通用硅酸盐水泥》标准中增加了“水泥生产中允许加入≤0.5%的助磨剂和水泥中的氯离子含量必须≤0.06%”，因此在进行协同处置前，必须对飞灰中Cl-含量进行控制，大量的研究表明，水洗预处理技术能够很好地去除飞灰中的Cl-。

研究者在水洗焚烧飞灰中Cl-的研究中发现，当水灰比为8∶1时，Cl-的洗脱率变化趋于平稳，在水洗时间10min、水洗温度50℃、水洗1次时，Cl-的去除率达93.71%以上。马保国等人在不同水洗条件下对垃圾焚烧Cl-和硫的去除效果进行了比较，结果表明，采用水洗的方式既能有效去除飞灰中Cl-杂质又不会造成飞灰中钙质与硅质的流失，并通过试验确定当水灰比为10∶1水洗时间为10min时，飞灰中的Cl-含量降至0.76%，水洗效果相对经济，随着水灰比增大到20∶1和30∶1，飞灰中的Cl-含量分别下降至0.71%和0.68%，没有发生明显变化。

研究者等研究了不同水灰比水洗条件下对焚烧飞灰中Cl-洗脱效率的影响，其结果表明，当水灰比大于4∶1时，水洗时间为10min时，水洗1次，飞灰中Cl-的洗脱率高达93%以上。水洗时间、温度以及水洗步骤对于飞灰中Cl-的洗脱效果影响较小，而水灰比是影响飞灰中Cl-洗脱效果的最主要因素。水洗飞灰经烧结后其中的Pb、Cd和Ni的浸出浓度明显降低，并且在800℃烧结温度下各项重金属浸出浓度都能达到相应的控制标准。

4 结语

水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰不仅实现了垃圾焚烧飞灰资源化处置的目的，而且替代部分水泥原料，具有良好的社会效益、环境效益和经济效益。为了能够进一步推广垃圾焚烧飞灰的水泥窑协同处置技术的应用，不仅需要降低飞灰水洗废水的处置成本，而且也需要引起全社会的重视，降低因垃圾焚烧飞灰填埋而造成的潜在的危险，实现飞灰真正的资源化利用。

参考文献：

[1]熊祖鸿，范根育，鲁敏，等．垃圾焚烧飞灰处置技术研究进展[J]．化工进展，2013，32（7）：1678－1683．

[2]马晓军．水热法处理生活垃圾焚烧飞灰中重金属和二噁英的研究[D]．杭州：浙江大学，2013．

作者单位：鞍山市奥鞍耐火材料有限责任公司

原标题：水泥窑共处置垃圾焚烧飞灰的预处理技术研究