水泥窑协同处置污染土壤实例分析

  0 引言

  随着我国城市化进程的发展，各大中城市对城市功能重新科学规划，将市区的工业企业迁至位于城市远郊的工业园区，而原厂区则用于房地产开发。这些工业企业一般建厂时间较长，建厂初期由于国家的法律法规要求较低，再加上当时企业管理跟不上，跑冒滴漏等污染现象司空见惯，按照国家规定，工业用地转为居民用地时，需要对原场地进行环境评价，受到污染的土壤要进行治理，达到要求后方可使用。水泥窑协同处置工艺作为“资源化、无害化”处置污染土壤的典范得到越来越多的应用。

  我公司于2014年7～10月在第一分公司1号线共处置污染土壤约1.6万吨，该批污染土壤的来源为河北某化工公司原厂区被污染的土地，土壤主要受到农药和化工产品等有机物污染。此项目为河北省北京以南地区第一个水泥窑协同处置污染土壤的项目，取得了良好的经济效益和社会效益。

  1 污染土壤的主要成分组成

  污染土壤的主要无机成分和普通土壤没有任何区别，对污染土壤的抽样检测数据汇总见表1。

  从表1可以看出污染土壤的碱和氯离子的含量较高，会对水泥熟料的生产造成不利影响。

  按照委托方提供的环评报告检测数据，此批污染土壤中含有的主要污染成分为：二甲苯，1,2-二氯乙烷，氯仿和多环芳烃类物质。

  水泥窑内气体温度和物料温度分别高达1 800℃和1 450℃，在这种高温下长时间的停留，多环芳烃和乙苯、二甲苯（总）都可以完全燃烧和彻底分解。另外，污染土壤的无机成分与水泥原材料之一——粉煤灰近似，可以部分替代粉煤灰煅烧成为水泥熟料。

  2 污染土壤进场前准备工作

  1）污染土壤进场前需要对其暂存场地进行环保验收，如果不是新建的污染土壤专用充气大棚，则需要对储存仓进行环保改造。首先场地需要提前铺设防渗隔离膜层，防止二次污染场地土壤；其次要对储存棚进行密封改造，还要增加通风、除臭设备和监测仪器，最终通过环保部门或业主监理的环保验收才能投入使用。

  2）对现场接触人员进行岗前培训，宣讲污染土壤的来源、防护措施等内容，健全劳保、职业健康检测等措施，消除职工的不解和抵触情绪。

  3）对职工发放专用的活性炭口罩，按使用小时数定期更换，对接触的岗位人员重点监控健康状况，处置工作完成后进行专项体检，防止职业健康损害的发生。

  4）在正式处置前需对水泥窑进行一定的技术改造，在窑尾烟室处开口，加装物料计量、提升、输送装置，还要做好密封，以保证水泥生产工况的稳定。

  3 处置方案

  水泥窑处置普通废物的方法一般有两种：

  一是从生料磨配料添加。一般无机废物如粉煤灰、炉渣等采用此方法处置，其优点是经过了生料均化配料成分可控，对熟料烧成系统影响小。但由于生料磨内温度较高（约200℃左右），可能会造成污染土壤中有机污染物的挥发，所以从生料配料添加不适合本项目。

  二是从预热器分解炉添加。此处置方案虽然对生产有一定的不利影响，但适合于含有机污染物（尤其是挥发性有机污染物）的物料处置。因为本次处置的污染土壤源于化工有机原料，故选择从预热器分解炉添加，同时考虑烟室缩口上方气体流速较快，最终选择烟室缩口上方为污染土壤加入点。

  污染土壤从窑尾烟室进入水泥回转窑，气体（>800℃）停留时间长达20s以上，完全可以保证污染土壤中的有机污染物完全燃烧和彻底分解。在水泥窑的高温条件下，污染土壤中的有机污染物迅速蒸发和气化，高温气流与高温、高细度、高浓度、高吸附性、高均匀性分布的碱性物料充分接触，有效地抑制酸性物质的排放，使得SO2和Cl等有机化学成分化合成无机盐类固定下来。

  处置污染土壤时，将其用密闭车辆由贮存大棚倒运至污染土壤卸料点，为避免卸料时挥发性有机物的逸出以及扬尘造成的二次污染，卸料区将加装除尘器、设置防尘帘等密闭措施。卸料完成后，卸料区域将处于封闭状态。污染土壤经板式喂料机进入皮带秤计量，计量后的土壤经提升机由密闭输送装置进入窑尾烟室喂料点进行高温焚烧，完成污染土壤的整个入窑过程。

  熟料的率值控制指标处置前后无变化，通过初步配料计算，掺加3%左右的污染土壤后，通过降低其他原材料碱含量的方式，部分抵消污染土壤带入的碱，可使水泥熟料中钠当量达到内控指标≤0.8%的要求。为了保证水泥产品的质量，减少污染土壤中水分对水泥窑工况的影响，降低处置污染土壤的成本，同时考虑水泥生产计划和质量安全隐患，本次处置过程中，按照3%的污染土壤添加量进行处置。

  4 处置污染土壤产生的影响及应对措施

  4.1 对生产过程及熟料产量的影响及应对措施

  7月15日开始掺加污染土壤，初期生产系统未见明显影响，掺加5～6天后窑尾烟室结皮明显增多，在系统拉风不变的情况下，预热器负压增加，每班清烟室缩口次数增加，现场反映结皮偏多但不太硬；窑皮掉、挂频繁，窑内后部时常有结厚圈现象，调整系统后又掉落，此情况应该与系统中碱含量增多有关。使用污染土壤约10天后，在头尾煤用量不变的情况下，窑投料量从平均179.65t/h降至175.56t/h，下降约2.3%。

  在8月份的1号窑大修中检查预热器发现三次风管道内积灰多，三次风阀门处结皮多，阀门两侧结皮严重，已严重影响系统通风；余热锅炉内结皮也明显增多。三次风管道内结皮多造成通风量及风温不足，进而导致分解炉温度低，煤粉不能完全燃烧，最终导致7月底8月初窑系统台时产量降低。

  三次风管及三次风锅炉结皮照片见图1。

  经检验结皮与熟料化学成分对比见表2。

  由于污染土壤存在较高的碱、氯离子等有害成分，在水泥窑及预热器系统高温环境下，易在过渡带就熔融并挥发遇冷凝聚富集，对熟料生产带来一定的负面影响。污染土壤进入分解炉后，预热器生料中碱含量会长时间处在一个较高水平，与Cl-、SO3等高挥发成分形成氯化碱（RCl）和硫酸碱（R2SO4）等化合物，并快速在预热器内富集、黏附，易造成窑及预热器中耐火材料的碱裂，影响耐火材料使用寿命；更主要的是在预热器上大量富集极易造成结皮严重增多，影响系统通风，导致人工清理次数和难度增加，结皮的频繁脱落容易造成堵塞预热器的工艺事故。

  有害成分的增加使熟料在窑内的液相量提前出现、黏度增加，熟料容易出大块，窑内易结圈、结蛋，熟料煅烧困难。为尽量避免液相过早、过多出现，技术人员在生产中采取了适当提高熟料硅率、提高烧成温度、增加头煤用量或减产等方法，通过不断调整来降低其对熟料质量的影响，却又进一步使系统稳定性变差，影响窑系统的台时产量。

  8月份大修期间现场工人对系统结皮（包括余热发电锅炉及三次风锅炉积灰、结皮）进行了彻底清理，再次运行之后产量恢复到掺加污染土壤之前的水平。系统再次运行后，对原材料进行了调整，降低了生料其他原材料的碱含量，使生料中的K2O含量月均值从0.64%降至0.53%，从而使系统有害成分的总量降低。同时缩短定检周期，定检间隔较之前缩短了7～10天，从而使系统所受影响较大修之前有明显好转。

  4.2 对系统能耗的影响及应对措施

  在处置污染土壤初期的7月底至8月初，受三次风管结皮影响，在头尾煤不变的情况下，投料量降低4t/h左右，从而导致煤耗、电耗增加。经过核算此时熟料产量降低了2.74t/h，实物煤耗增加了0.84kg/t，电耗相应增加0.67kWh/t。在8月份大修清理三次风管结皮后，窑投料量和能耗恢复到正常水平。

  4.3 对余热发电量的影响及应对措施

  7月开始处理污染土壤一周后，余热发电车间反映三次风锅炉风量偏小、风温偏低，余热窑头锅炉入口温度逐步下降至480℃，蒸发量逐步下降至9.7t/h，相比6月份工况，锅炉入口温度下降了40℃，锅炉蒸发量下降了1.27t/h。主要是由于三次风锅炉积灰、结皮加剧，换热效果差造成主蒸汽温度下降30℃左右（结皮严重时主蒸汽温度仅340℃左右，清结皮后主蒸汽温度提高到正常值370～380℃），发电机负荷同比下降0.2MW。8月3日大修后清理窑头、三次风锅炉积灰、结皮后，窑头锅炉蒸发量上升至平均11.7t/h，比7月下旬蒸发量上升2t/h, 主蒸汽温度升高40℃，发电机负荷上升0.6MW。正常运行至9月22日，运行参数逐步下降，窑头锅炉入口温度最低仅430℃，窑头锅炉蒸发量7.9t/h,发电机负荷又下降至7月份发电量水平。9月底再次清理窑头锅炉及三次风锅炉积灰、结皮后，发电量恢复正常。

  4.4 对熟料、水泥强度的影响及应对措施

  在生料中掺加污染土壤，造成生料易烧性的变化和有害成分的增加，对窑系统带来一系列的不利影响，进而导致熟料强度尤其是28d强度出现明显下滑，同时对水泥强度尤其是28d抗压强度造成一定影响，具体数据见表3。

  从表3可看出，使用污染土壤之后熟料3d、28d平均抗压强度分别较使用前下降2.2%和2.8%；同样出厂水泥强度也有所下降，9月份由于调整了水泥配比使水泥强度有所恢复。

  5 总结

  水泥窑协同处置污染土壤关键的问题是消除或降低污染土壤中有害成分对系统的影响，由于本处置生产线没有旁路放风，所以只能通过加强结皮清理和缩短定检周期来实现；另外，在生料配料时使用氯、碱等有害成分低的原材料也是保持系统稳定的一项重要措施。本项目处置过程中的烟气排放及周边大气污染物经第三方检测机构检测，排放数据符合相关标准要求。

  通过本案例，我公司积累了水泥窑协同处置污染土壤的相关经验，为将来公司处置其他废物奠定了基础；同时本项目为我公司增加了数十万元的经济效益，在水泥行业产能过剩、市场需求萎缩的今天，协同处置废物无疑是水泥企业转型升级、探索循环经济发展模式的重要出路。