水泥窯協同處置生活垃圾對氯離子含量的影響
0 引言 隨著城市化進程的加快和人民生活水平的提高，我國城市生活垃圾的產生量迅速增加，垃圾處理的問題也越來越嚴峻。水泥窯協同處置城市生活垃圾是一種能實現減量化、無害化和資源化的方法，利用水泥窯特有的高溫、長流程與堿性環境特點協同處置城市生活垃圾[1-2]，能對各種腐蝕性、有毒性、易燃性、反應性的廢物具有很好的降解作用[3]。生活垃圾在水泥窯焚燒處理后，形成的固體物質除含有水泥的主要成分SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3[4]，以及影響水泥質量的化合物，如堿、氯、硫等，其中氯離子會嚴重影響水泥燒成過程[5-6]。通過檢測每個部位的氯離子含量，對熟料的煅燒以及旁路放風量的控制具有指導意義。
我公司擁有一條4 800 t/d水泥熟料生產線，200 t/d水泥窯協同處置生活垃圾項目運行后，出現預熱器錐部結皮、堵塞等一系列問題。本文測量了投放垃圾前后出磨生料、入窯生料、C1回灰、C5下料管熱生料、旁路放風灰中氯離子含量，通過數據分析判斷投放垃圾對每一部位氯離子含量影響以及采取相應措施降低熟料生產過程中氯離子的含量；計算預分解窯系統中進入循環富集與結皮的氯離子量和旁路放風除氯效率；針對旁路放風進行優化，降低預分解窯系統中氯離子含量，緩解垃圾對預分解窯系統的影響。
1 氯離子的危害
1.1 氯離子循環富集
氯鹽在熟料燒成系統中具有極高的揮發性，在回轉窯高溫下幾乎全部揮發，隨熱煙氣返回預熱器，冷卻后附著在生料上，形成氯離子的循環富集，導致預熱器中的生料的氯離子濃度提高近百倍，使其危害性大幅度增大[7-8]。
1.2 易形成結皮
KCl強烈地促進了礦物硅方解石2C2S·CaCO3的形成，在預熱器內壁逐漸黏掛形成結皮，這種礦物在900~950 ℃之間強度很高，不易清除，而且長時間累積，易造成通風不良和預熱器堵塞[7]。
1.3 侵蝕耐火材料
在熟料的煅燒過程中，耐火材料內側直接與高溫物料、氣流相接觸，外側直接貼在保溫材料或窯筒體的鋼板上，內外側表面的溫差較大。隨熱量不斷從內部高溫側向外散失，在其內形成溫度梯度場。隨著生產過程中窯系統內氯離子的循環富集，必然會滲透進入到耐火材料中，冷凝結晶。隨氣態物的不斷凝聚，結晶物不斷長大，產生內部應力，引起耐火材料的腐蝕、開裂、剝落，最終結構破壞，導致停產檢修[9]。
2 氯離子的來源及影響
預分解窯系統可視為一個整體，Cl-的來源主要通過下面三個方面：原料（石灰石、鐵粉、硅土、頁巖、黏土等）、燃料（煤）和生活垃圾。
燃料煤中氯離子含量為0.009%，生活垃圾中氯離子含量為1.59%。未投放垃圾時出磨生料中氯離子含量0.015%，投放垃圾后為0.021%。這是因為含有氯離子的廚余物進入生料磨后與生料混合粉磨使得出磨生料氯離子含量上升；由于廚余物主要由菜葉、果皮、石塊、磚塊等組成，氯離子含量較低，且每小時喂入廚余物的量很低，在6.6 t/h左右，所以上升不明顯。
入窯生料中氯離子含量變化如圖1所示。正數表示垃圾處理開始運行后。未投放垃圾時和垃圾投放初期，入窯生料中氯離子含量較低且保持穩定，隨著垃圾投入，入窯生料中氯離子含量呈現上升趨勢。垃圾投放初期，出磨生料和大布袋回灰中氯離子含量略微上升，出磨生料和大布袋回灰進入生料均化庫中，被生料庫均化，與庫中大量原生料均勻混合，因此最初投放垃圾時，入窯生料中氯離子含量沒有發生明顯的變化。隨著垃圾投入，庫中原生料逐漸消耗，垃圾投放過程中生產的出磨生料取代原生料，所以入窯生料氯離子含量出現上升趨勢。
圖1 入窯生料氯離子含量變化規律
3 氯離子的去向和分布
引入水泥窯協同處置垃圾項目后，預分解窯系統中氯離子的去向分為以下五方面：①進入熟料（包括窯頭電收塵和余熱發電熟料灰）中；②C1出口排出的回灰；③旁路放風；④預熱器、分解爐、煙室中結皮；⑤在熟料煅燒過程中的循環富集。
投放垃圾對C1回灰（取自增濕塔和余熱電站下）的氯離子含量影響如圖2所示，在未投放垃圾時C1回灰中氯離子含量較低且穩定，在垃圾投放的過程中，C1回灰中氯離子含量明顯上升。這是因為在投放垃圾的過程中，可燃物燃燒揮發出的氯離子進入熱煙氣中，氯離子隨熱煙氣上升的過程中，由于溫度降低附著在回灰顆粒表面，從C1排出，因此檢測到C1回灰中氯離子含量在投放垃圾的過程中會略微上升[10]。
旁路放風系統采用匯風箱＋袋收塵方案設計[11]，其工藝流程為：從煙室一側匯風箱抽出熱氣體，通過冷風機強制鼓入冷風與匯風箱熱氣體混合，隨后氣體進入旋風筒收集粗顆粒返回分解爐，出旋風筒氣體進入多管冷卻器和袋收塵進行粉塵收集，最后匯入尾排進入大氣[12]。
圖2 投放垃圾前后C1回灰氯離子含量對比
圖3為投放垃圾過程中C5下料管熱生料和旁路放風灰氯離子含量規律。根據圖3可以看出，在投放垃圾過程中，早期C5下料管氯離子含量突增至1.2%以上，旁路放風灰中氯離子含量在5%以下，隨著旁路放風效率的提高，旁路放風灰中氯離子含量達到12%以上，C5下料管氯離子含量明顯降低。投放垃圾初期，旁路放風效率較低，同時可燃物燃燒釋放出的氯離子也參與循環富集，此情況下C5下料管氯離子出現突增，隨著旁路放風除氯效率的提高，循環富集中的氯離子抽出量增加，因此C5下料管氯離子含量明顯下降。
圖3 投放垃圾時C5下料管與旁路放風氯離子含量對比
圖4為C5下料管和旁路放風在投放垃圾前后氯離子含量變化的對比。圖4（a）中C5下料管在未投放垃圾時氯離子含量較低且穩定，但在投放垃圾后氯離子含量開始時出現突增，隨后降低，但氯離子含量仍然高于未投放垃圾時。在未投放垃圾時，預分解窯系統中氯離子循環平衡達到穩定，C5下料管熱生料氯離子含量穩定在0.9%左右，在投放垃圾后，可燃物燃燒釋放的氯離子也參與進入循環富集，此時旁路放風除氯效率低，因此C5下料管氯離子突增，后期隨著旁路放風除氯效率的提高，氯離子放出量增加，氯離子在系統中循環量降低，C5下料管熱生料氯離子含量明顯下降。從圖4（b）可以看出，旁路放風灰中氯離子含量由低逐漸上升，后期趨于穩定，且投放垃圾時旁路灰中氯離子含量要高于未投放垃圾時。經過對旁路放風系統的逐漸調整，旁路放風除氯效果逐漸改善，因此在未投放垃圾時和投放垃圾后旁路灰中氯離子濃度前期都呈現上升的趨勢，后期旁路放風除氯效果達到要求，因此旁路灰氯離子含量趨于穩定。焚燒可燃物時，釋放可燃物中氯離子進入循環富集，因此在投放垃圾后旁路放風除氯灰中氯離子濃度比未投放垃圾時要略微高一點。
圖4 投放垃圾前后氯離子含量變化
4 氯離子的平衡分析
熟料煅燒過程中，氯離子來源：氯離子由入窯生料、燃料煤和垃圾帶入；氯離子去向：進入熟料（熟料灰）、C1出口回灰、旁路放風灰以及結皮（預熱器、分解爐和煙室）、循環富集。在預分解窯系統中，氯離子的循環富集分為內循環和外循環兩個過程。內循環是氯離子在窯內高溫下從生料及燃料中揮發，隨熱氣流進入預熱器，冷凝附著在溫度較低的生料上，并隨著生料再一次進入窯系統，形成的一個在預熱器和窯之間的循環和富集的過程。外循環是附著在回灰顆粒表面的氯離子，隨回灰一起排出預熱器系統，這部分粉塵在大布袋被收集重新入預熱器，這個循環是在預分解窯系統外單獨進行的，故稱為外循環[13-14]。氯離子的來源和去向分布見圖5。
根據物質守恒的原理，將預熱器、窯、篦冷機看成整體，以8 h為一周期來計算，氯離子含量平衡分析計算如下：
氯離子來源總量=氯離子去向總量
氯離子來源總量=生料氯離子＋燃煤氯離子＋垃圾氯離子
氯離子去向總量=旁路放風氯離子＋熟料中的氯離子＋回灰中氯離子+參與循環富集和結皮氯離子
旁路放風旋風筒出口溫度為250 ℃左右，C1出口溫度為330 ℃，溫度較低，在旁路放風旋風筒出口和C1出口的熱氣體中氯離子含量極少，可忽略[15]。垃圾投放從12月12日10：20開機，至23：59持續喂入，垃圾處理速度6.77 t/h；垃圾水分含量平均值為43%。取12月12日16點開始截止到24點期間實際數據（見表1和表2）計算得出8 h內參與循環富集和結皮部分氯離子量，以及旁路放風除氯效率。
氯離子平衡計算過程如下：
生料：3 122.88 t×0.029%=0.905 6 t；
垃圾：54.16 t×1.589%×（1-43%）=0.490 5 t；
燃煤：245.35 t×0.008 8%=0.0216 t；
氯離子來源總量：求和得1.417 7 t。
旁路放風灰：11.7%×2.24 t=0.262 1 t；
C1回灰：0.158%×536.96 t=0.848 4 t；
熟料：0.007%×2 054.52 t=0.1438 t；
窯頭電收塵、進煤磨熱風管、余熱發電站收集熟料灰估算值：0.024%×320 t=0.076 8 t；
氯離子去向總量：1.331 1 t。
參與循環富集與結皮量：1.417 7-1.331 1=0.086 6 t。
參與循環富集與結皮的氯離子含量占總氯離子來源的6.1%。
旁路放風除氯效率：0.2621÷（0.2621+0.086 6）=75.2%。
旁路放風閘板開度中控顯示90%，排風機給定頻率45 Hz，現場實測旁路放風抽出4.6%熱煙氣[16]，計算得旁路放風實際除氯效率為75.2%，有研究表明氯離子大約90%可以通過旁路放風排出5%的熱氣體來除去[17]，可以估算出旁路放風系統中放出4.6%熱煙氣，排出約82.8%氯離子，接近實際數據旁路放風排出氯離子含量75.2%。
5 降低氯離子含量的措施
5.1 加強原、燃材料質量控制
生料中氯離子主要是由石灰石、頁巖和黏土帶入的[18]，在選擇原料特別是頁巖和黏土時要注意氯離子含量，嚴格控制生料成分，保證入窯生料氯離子含量不能超過0.03%[19]。
5.2 優化旁路放風系統，提高除氯效率
通過旁路放風系統旁路放風可以很大程度上降低氯離子[20]，C5下料管中熱生料參與氯離子的循環富集，氯離子含量對C5下料管影響較大，旁路放風的控制可以依據C5下料管熱生料中氯離子含量來控制，規定C5下料管熱生料氯離子含量不能超過0.8%。
旁路放風系統調整時旁路放風灰和C5下料管氯離子含量變化趨勢見圖6，開始運行第4天至第15天內為第一階段調整：閘板開度在90%到100%，排風機頻率在40~42 Hz，冷風機頻率為35~40 Hz，此時旁路放風除氯效率較低，下料管氯離子含量雖有所下降但仍然在1%以上，且在此期間蝸殼和廢氣通道中結皮嚴重，2天需清理一次，每次清理時長2 h。第15天至第44天為第二次調整：閘門開度由20%遞增到90%，排風機頻率給定40~42 Hz，冷風機頻率25~28 Hz，這一階段旁路灰氯離子含量開始上升達到10%以上，C5下料管氯離子含量降至0.9%左右，此期間清結皮兩次。第45天以后為第三階段調整：閘門開度為90%，排風機給定44~45 Hz，冷風機36~38 Hz，旁路放風氯離子含量穩定在12%左右，C5下料管氯離子含量降至0.8%以下[21]。調整后，除氯效率大大提高，系統內部結皮較少，除氯效果顯著。
圖6 投放垃圾過程中旁路放風灰與C5下料管熱生料氯離子含量對比
6 結論
（1）在投放垃圾的過程中出磨生料、入窯生料、C1回灰中氯離子含量相對于未投放垃圾時都出現不同程度的上升。
（2）在投放垃圾前期，旁路放風系統除氯效率較低，C5下料管氯離子含量高達1.2%以上，結皮嚴重，隨著旁路放風逐漸調整，C5下料管氯離子含量降至0.8%以下，結皮基本消除。旁路放風調試穩定后，氯離子參與循環富集和結皮占進入系統氯離子總量6.1%，旁路放風除氯效率為75.2%。
（3）保證C5下料管熱生料中氯離子含量在0.8%以下，優化旁路放風系統，旁路放風調整閘板開度為90%，冷風機頻率給定38 Hz，排風機頻率在45 Hz時，旁路灰氯離子含量穩定在12%左右，除氯效果理想。
作者單位：葛洲壩宜城水泥有限公司
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