利用水泥工业新型干法窑处理城市生活垃圾的技术问题分析
2004-07-22 00:00
一、概述
近些年来，经济的迅猛发展给资源和环境带来了不可遏制的冲击，酸雨、光化学烟雾等事件频频发生，城市固体废弃物处理已被列入当今世界各国共同关注并亟待解决的环境问题之一。城市固体废弃物主要包括城市污泥、城市生活垃圾及其它的固体废弃物。
城市生活垃圾的产生与人民的日常生活密切相关，不同地区的垃圾组分和产量差异较大，这与各地的经济发展水平、生活习惯、气候等方面有关，而且同一城市的不同区域垃圾的组分差异也很大。目前国内垃圾多采用混合式袋装收集或散装收集，组分较为复杂，包括各种各样的厨余、纸类、橡胶、塑料、织物、木材、玻璃、陶瓷、灰渣、金属等。国内城市垃圾中厨余、灰渣的含量较高，而可回收再利用的塑料、金属的含量较低，垃圾的含水量较高，热值较低。
利用水泥生产系统处理城市生活垃圾，虽然国外有许多成功的经验和范例可供参考，但毕竟国外的城市生活垃圾在源头进行了分类和控制，有利于采用水泥生产系统焚烧和处理。而我国的城市生活垃圾没有经过分类和控制，是一种混合型垃圾，增加了水泥生产系统处理城市生活垃圾的难度，因此需要对其存在的技术问题进行进一步的分析、研究。
二、水泥烧成系统对城市垃圾接纳性问题
水泥烧成工艺系统能接纳多少垃圾，主要取决于灰渣的化学成分与水泥原料间的差异大小。基于大量的实验和分析研究，一般情况下垃圾灰渣主要用于替代原料中的粘土和砂页岩参与配料。
1.垃圾的灰渣成分分析
表1为南京市、佳木斯市和有关文献中的城市垃圾焚烧后的灰渣成分，样品在焚烧前没有经过分选；表2为上海市浦东垃圾焚烧厂的垃圾灰渣成分和我院实验分析的宁波市枫林垃圾焚烧发电厂排炉灰渣和烟气飞灰的成分，其中上海市的垃圾在焚烧前已经过初步分选。
从表1和表2中可以看出，南京市城市生活垃圾煅烧后的灰渣成分与国内其它城市的生活垃圾灰渣成分相似，这一成分与水泥厂粘土质原料相似，可以部分或全部替代粘土质原料。表2中宁波市城市生活垃圾灰渣的化学成分，炉底的灰渣量与收尘器收集的灰渣量比约为19∶1。从表中可以看出，收尘器收集下的垃圾灰渣中的SO3＝和Cl－含量很高，而从焚烧炉排出的灰渣中SO3＝和Cl－含量相对较低，这说明在垃圾焚烧过程中，SO3＝和Cl－挥发物进入烟气中，并被烟气中的细小粉尘吸附，经收尘器收集下来。从表2的上海浦东垃圾焚烧厂的垃圾灰渣成分可以看出，由于进入焚烧炉的垃圾经过了初步分选，垃圾灰渣中氯含量较低，在炉底灰渣中几乎没有。
2.灰渣的接纳性
在垃圾进入烧成系统前对生活垃圾进行初步的分选和分拣，可以降低垃圾灰渣中的Cl-含量。利用经过初步分选和分拣的南京市城市生活垃圾焚烧后的灰渣成分（氯含量为0.3％）和我院设计的某5000t/d水泥熟料生产线的原料组分进行配料计算，表3为原料成分。在保证水泥熟料率值和不添加其它原料组分的情况下进行配料计算，计算得出的生活垃圾灰渣允许掺入量约为4.42%，即5000t/d水泥烧成系统每天可以处理城市垃圾约1000t（湿基）。表4为生活垃圾灰渣掺入量为4.42%时的生料和熟料成分。
3.干扰成分对垃圾接纳性的影响
城市生活垃圾灰渣中的干扰成分是除灰渣化学成分之外，对城市生活垃圾接纳量影响最大的因素之一。水泥烧成系统能够接纳的垃圾灰渣量，需要考虑最终混合型生料中的干扰成分的含量。众所周知，原料中的K2O、Na2O、SO3＝、Cl－是干扰现代新型干法系统正常稳定生产的重要因素。一般情况下，K2O、Na2O和SO3＝单独存在时，对系统操作干扰较大；同时存在时，相对干扰减弱。但其各自的绝对含量应控制在K2O＋Na2O<1.0%、硫碱比S/R在0.6～1.0之间。而对Cl－含量的控制，国际上通用的标准是≤0.015%。鉴于这一原因，必须在常规生料固有硫、碱、氯的情况下，对垃圾灰渣中的上述干扰物质进行限量控制。
垃圾灰渣中的碱主要来源于渣土、厨余和植物焚烧后剩下的灰烬等，含量约为4%左右。SO3＝主要来源于垃圾中的渣土和轮胎、皮具等橡胶制品，含量约为1％左右，比水泥厂用的原煤含硫量小很多，在垃圾灰渣掺入量小于6％时不会对水泥熟料的质量产生影响。但是垃圾灰渣的氯含量比水泥原料中的氯含量要高很多，会使入窑生料中氯含量接近允许的最高限值。图1为垃圾灰渣掺入比随生活垃圾灰渣中氯含量的变化关系图。从图中可以看出，Cl-对城市生活垃圾灰渣的掺入比影响很大，随着Cl-含量的增加，系统可掺入的垃圾灰渣量急剧减少。采用上述某厂的原料进行配料，要使系统能够接纳1000t/d垃圾，也即掺入的垃圾灰渣量为4.42%，从图中不难看出，垃圾灰渣中的Cl-含量应该控制在0.3％左右，超过限量0.3％，则系统对垃圾灰渣的能力将会减弱。为了达到氯控制要求，必须对垃圾中的含氯物质进行分选和分拣，以满足控制要求，提高垃圾的接纳量。
对垃圾进行必要的分选，减少垃圾中Cl－含量一方面可以降低熟料中的Cl－含量，保证水泥熟料的质量，另一方面可以防止窑尾分解炉和预热器结皮堵塞。除此之外，减少垃圾中的Cl－含量，还可以降低或消除垃圾焚烧过程中产生二恶英、呋喃等所必需的氯源。
4.垃圾成分波动对其接纳量的影响
垃圾在进入烧成系统前，虽然经过了必要的储存均化和处理，但因其成分过于复杂，所以难免存在成分的波动。垃圾成分波动影响了水泥生产过程的稳定性，现将针对两种情况进行分析讨论如下：
(1)垃圾灰渣掺于配料时，灰渣成分波动对熟料率值的影响
以南京市的城市生活垃圾灰渣成分和我院设计的某5000t/d水泥熟料生产线的原料组分进行配料计算，生活垃圾灰渣掺入量占生料4.42%，配料结果见表4，熟料率值分别为KH=0.900，LSF=93.42，SM=2.50，IM=1.60。生活垃圾灰渣掺入比保持不变的情况下垃圾灰渣成分100%波动时，熟料KH值的变化情况见图2。图中粗线为平均值，虚线为标准偏差线范围。
……
摘自《中国水泥》 2004年07月号
近些年来，经济的迅猛发展给资源和环境带来了不可遏制的冲击，酸雨、光化学烟雾等事件频频发生，城市固体废弃物处理已被列入当今世界各国共同关注并亟待解决的环境问题之一。城市固体废弃物主要包括城市污泥、城市生活垃圾及其它的固体废弃物。
城市生活垃圾的产生与人民的日常生活密切相关，不同地区的垃圾组分和产量差异较大，这与各地的经济发展水平、生活习惯、气候等方面有关，而且同一城市的不同区域垃圾的组分差异也很大。目前国内垃圾多采用混合式袋装收集或散装收集，组分较为复杂，包括各种各样的厨余、纸类、橡胶、塑料、织物、木材、玻璃、陶瓷、灰渣、金属等。国内城市垃圾中厨余、灰渣的含量较高，而可回收再利用的塑料、金属的含量较低，垃圾的含水量较高，热值较低。
利用水泥生产系统处理城市生活垃圾，虽然国外有许多成功的经验和范例可供参考，但毕竟国外的城市生活垃圾在源头进行了分类和控制，有利于采用水泥生产系统焚烧和处理。而我国的城市生活垃圾没有经过分类和控制，是一种混合型垃圾，增加了水泥生产系统处理城市生活垃圾的难度，因此需要对其存在的技术问题进行进一步的分析、研究。
二、水泥烧成系统对城市垃圾接纳性问题
水泥烧成工艺系统能接纳多少垃圾，主要取决于灰渣的化学成分与水泥原料间的差异大小。基于大量的实验和分析研究，一般情况下垃圾灰渣主要用于替代原料中的粘土和砂页岩参与配料。
1.垃圾的灰渣成分分析
表1为南京市、佳木斯市和有关文献中的城市垃圾焚烧后的灰渣成分，样品在焚烧前没有经过分选；表2为上海市浦东垃圾焚烧厂的垃圾灰渣成分和我院实验分析的宁波市枫林垃圾焚烧发电厂排炉灰渣和烟气飞灰的成分，其中上海市的垃圾在焚烧前已经过初步分选。
从表1和表2中可以看出，南京市城市生活垃圾煅烧后的灰渣成分与国内其它城市的生活垃圾灰渣成分相似，这一成分与水泥厂粘土质原料相似，可以部分或全部替代粘土质原料。表2中宁波市城市生活垃圾灰渣的化学成分，炉底的灰渣量与收尘器收集的灰渣量比约为19∶1。从表中可以看出，收尘器收集下的垃圾灰渣中的SO3＝和Cl－含量很高，而从焚烧炉排出的灰渣中SO3＝和Cl－含量相对较低，这说明在垃圾焚烧过程中，SO3＝和Cl－挥发物进入烟气中，并被烟气中的细小粉尘吸附，经收尘器收集下来。从表2的上海浦东垃圾焚烧厂的垃圾灰渣成分可以看出，由于进入焚烧炉的垃圾经过了初步分选，垃圾灰渣中氯含量较低，在炉底灰渣中几乎没有。
2.灰渣的接纳性
在垃圾进入烧成系统前对生活垃圾进行初步的分选和分拣，可以降低垃圾灰渣中的Cl-含量。利用经过初步分选和分拣的南京市城市生活垃圾焚烧后的灰渣成分（氯含量为0.3％）和我院设计的某5000t/d水泥熟料生产线的原料组分进行配料计算，表3为原料成分。在保证水泥熟料率值和不添加其它原料组分的情况下进行配料计算，计算得出的生活垃圾灰渣允许掺入量约为4.42%，即5000t/d水泥烧成系统每天可以处理城市垃圾约1000t（湿基）。表4为生活垃圾灰渣掺入量为4.42%时的生料和熟料成分。
3.干扰成分对垃圾接纳性的影响
城市生活垃圾灰渣中的干扰成分是除灰渣化学成分之外，对城市生活垃圾接纳量影响最大的因素之一。水泥烧成系统能够接纳的垃圾灰渣量，需要考虑最终混合型生料中的干扰成分的含量。众所周知，原料中的K2O、Na2O、SO3＝、Cl－是干扰现代新型干法系统正常稳定生产的重要因素。一般情况下，K2O、Na2O和SO3＝单独存在时，对系统操作干扰较大；同时存在时，相对干扰减弱。但其各自的绝对含量应控制在K2O＋Na2O<1.0%、硫碱比S/R在0.6～1.0之间。而对Cl－含量的控制，国际上通用的标准是≤0.015%。鉴于这一原因，必须在常规生料固有硫、碱、氯的情况下，对垃圾灰渣中的上述干扰物质进行限量控制。
垃圾灰渣中的碱主要来源于渣土、厨余和植物焚烧后剩下的灰烬等，含量约为4%左右。SO3＝主要来源于垃圾中的渣土和轮胎、皮具等橡胶制品，含量约为1％左右，比水泥厂用的原煤含硫量小很多，在垃圾灰渣掺入量小于6％时不会对水泥熟料的质量产生影响。但是垃圾灰渣的氯含量比水泥原料中的氯含量要高很多，会使入窑生料中氯含量接近允许的最高限值。图1为垃圾灰渣掺入比随生活垃圾灰渣中氯含量的变化关系图。从图中可以看出，Cl-对城市生活垃圾灰渣的掺入比影响很大，随着Cl-含量的增加，系统可掺入的垃圾灰渣量急剧减少。采用上述某厂的原料进行配料，要使系统能够接纳1000t/d垃圾，也即掺入的垃圾灰渣量为4.42%，从图中不难看出，垃圾灰渣中的Cl-含量应该控制在0.3％左右，超过限量0.3％，则系统对垃圾灰渣的能力将会减弱。为了达到氯控制要求，必须对垃圾中的含氯物质进行分选和分拣，以满足控制要求，提高垃圾的接纳量。
对垃圾进行必要的分选，减少垃圾中Cl－含量一方面可以降低熟料中的Cl－含量，保证水泥熟料的质量，另一方面可以防止窑尾分解炉和预热器结皮堵塞。除此之外，减少垃圾中的Cl－含量，还可以降低或消除垃圾焚烧过程中产生二恶英、呋喃等所必需的氯源。
4.垃圾成分波动对其接纳量的影响
垃圾在进入烧成系统前，虽然经过了必要的储存均化和处理，但因其成分过于复杂，所以难免存在成分的波动。垃圾成分波动影响了水泥生产过程的稳定性，现将针对两种情况进行分析讨论如下：
(1)垃圾灰渣掺于配料时，灰渣成分波动对熟料率值的影响
以南京市的城市生活垃圾灰渣成分和我院设计的某5000t/d水泥熟料生产线的原料组分进行配料计算，生活垃圾灰渣掺入量占生料4.42%，配料结果见表4，熟料率值分别为KH=0.900，LSF=93.42，SM=2.50，IM=1.60。生活垃圾灰渣掺入比保持不变的情况下垃圾灰渣成分100%波动时，熟料KH值的变化情况见图2。图中粗线为平均值，虚线为标准偏差线范围。
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摘自《中国水泥》 2004年07月号
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