(山西省环境科学研究院，太原 030027)

1 利用水泥生产线协同处置城市生活垃圾的意义和工艺

随着我国城市化、经济发展和人民生活水平的不断提高，城市生活垃圾的产生量日益增多，城市生活垃圾成分也有一定的变化，有机物总体上呈逐渐增加趋势，无机物则相反，热值有一定提高。

水泥窑的高温及碱性工况使得垃圾处理过程中不易产生有毒气体，重金属通过物理封固、替代、吸附等作用，被固化在水泥熟料的晶体结构中，垃圾焚烧后的灰渣成为水泥的一部分，能从根本上做到垃圾处理的资源化、无害化。因此，利用水泥生产线协同处置生活垃圾引起人们的关注。

与生活垃圾焚烧发电工艺相比，水泥生产线协同处置生活垃圾工艺没有急冷、活性炭吸附等烟气净化装置，外排烟气中重金属和二噁英含量有多少，能否做到达标排放，是本文讨论的主题。

本文介绍的生产工艺为：将生活垃圾投入气化炉中，通过约550℃的高温进行气化处理。出气化炉的气体进入水泥新型干法窑的分解炉中，经过分解炉、预热器、生料磨、布袋收尘系统处理后排放。气化炉下的不可燃物，掺入生料系统作为水泥烧成原料。

2 窑尾烟气中重金属排放分析

城市生活垃圾中含有一定的重金属，这些重金属能否进入烟气中，进入烟气中的量有多少，是我们要研究分析的。

2.1 城市生活垃圾中重金属含量分析

城市生活垃圾是一种成份复杂的混合废物，其中含有一定数量的重金属，铬的含量一般为100～450g/t，镍为50～200g/t，铜为450～2500g/t，锌为900～3500g/t，铅为750～2500g/t，镉为l0～40g/t，汞为2～7g/t[1]。

李建新等[2]收集了常见的18种典型垃圾组分，并对其中重金属含量进行了测试，结果显示，每一垃圾组分中都含有一定量的重金属，对于所研究的7种重金属(Hg、Cr、Ni、Cd、Zn、Pb、Cu)，Zn的含量最高，其次是Pb，而Cd、Hg的含量最少；在分析的18种垃圾组分中，彩色塑料、橡胶、杂草及灰尘中的重金属含量较高。

辛美静等认为[3]，城市生活垃圾中的重金属主要来自印刷电路板和废旧电池。印刷电路板上的金属材料主要是铜，常在铜上镀一层镍，高级精密产品很多再镀一层极薄的金。不同种类电池中均含有一定的重金属，主要为：Cr、Hg、Zn、Ni、Pb、Cu、Mn和Ag。

综合分析，城市生活垃圾中的重金属来源主要为电池、电器、灯管、温度计、颜料、塑料、报纸、杂志、橡胶、镀金材料、彩色胶卷、纺织品、杂草等。

由于物理化学性质的不同，重金属在城市生活垃圾中有的以单质形式存在，有的则以氧化物及其他化合物的形式存在。

2.2 城市生活垃圾中重金属的焚烧特性

在所有的重金属中，大多数为难挥发重金属，但汞、镉、铅和类金属砷等挥发性较大。GBl8484-2001《危险废物焚烧污染控制标准》规定控制的10种重金属中，汞、镉、铅、砷为易挥发物，镍、铬、锡、锑、铜、锰为难挥发物。GB18485-2001《生活垃圾焚烧污染控制标准》中规定了汞、镉、铅等三种重金属的排放标准限值。

李建新等[2]实验研究了重金属挥发特性。实验中考察了温度从500～900℃变化对Hg、Cd 、Pb、Zn 、Cu、Ni、Cr等7种重金属挥发特性的影响。结果显示，温度对不同重金属挥发特性的影响程度是不同的，对于Hg，Cd，温度变化对其挥发特性的影响很明显，而对Pb、Zn、Cu的影响小些，对Cr、Ni的影响则最小。在温度较低时(500℃左右)，只有Hg(27%)、Cd(3%)和Zn(3%)有少量的挥发，其它重金属挥发几乎为0，在低温下，Hg的挥发远高于其余6种重金属，Pb、Zn的挥发特性较接近，大约在700℃时有较明显的挥发，而Ni、Cr在800℃后才出现较明显挥发。 在900℃时各重金属的挥发率分别为：Hg75%、Cd55%、Pb30%、Zn33%、Cu12%、Ni10%、Cr10%。温度变化对金属蒸发压力有较明显的影响，即随温度的升高蒸发压力呈明显增加的趋势，说明随温度升高金属的蒸发量是增加的。

氯的添加，无论是有机氯还是无机氯的增加使重金属的挥发都有一定的增加，且有机氯的影响高于无机氯。由于氯的参与并与重金属发生化学反应生成金属氯化物，金属氯化态的蒸发压力通常都高于氧化态，使重金属的蒸发量增加，而且氯的参与延迟了金属化合物的凝结过程，并且降低了露点温度。

2.3 重金属排放分析

在水泥生产线中，烟气和物料是逆向流动的。燃料和空气从窑头鼓入，在回转窑燃烧，物料在回转窑内的停留时间约在30～40min，煅烧的气相温度1800℃，熟料的固相温度约为1400～1500℃。而后烟气进入分解炉，这里烟气温度为850～900℃，停留时间大于7s。随后烟气经预热器、原料磨、袋式收尘器，最后从窑尾烟囱排入大气，排气筒出口温度约120℃。物料则相反，生料首先投入原料磨，而后依次进入预热器、分解炉、回转窑，煅烧为水泥熟料，最后从窑头排出。

重金属在水泥生产系统中是一个循环过程。在气化炉中，温度为500～550℃，考虑到有较多的HCl生成，有一部分Hg、Cd、Zn和Pb将挥发，随气相进入分解炉。在而后进入预热器、生料磨、收尘器的过程中，温度逐渐降低，烟气与物料逆向接触，使一部分冷凝的重金属微粒混入物料中而返回物料流，一部分重金属微粒则进入烟气，经收尘器，绝大多数被收尘器收集返回到物料流，小部分经窑尾烟囱排入大气。需要说明的是，Hg的挥发性较大，而且可能有气态单质Hg，因此排入大气的Hg要大一些。在气化炉中，其他重金属几乎全部进入炉渣中。

气化炉炉渣进入生料磨，与水泥原料一起，依次进入预热器、分解炉、回转窑。在这个过程中，温度逐渐升高，重金属开始挥发，在分解炉中挥发明显加大，在回转窑挥发达到最大，在回转窑内，所有的重金属都有较大的挥发，尤其是Hg、Cd、Pb和Zn挥发率较大。同时，一部分重金属经高温固相反应生成复合型矿物，成为熟料矿物晶体中的部分源自替代物，被固化在水泥熟料中随熟料排出。挥发的重金属则随烟气反向依次进入分解炉、预热器、生料磨、收尘器，在这个过程中，温度逐渐降低，烟气与物料逆向接触，使一部分冷凝的重金属微粒混入物料中而返回物料流，一部分重金属微粒则进入烟气，经收尘器，绝大多数被收尘器收集返回到物料流，小部分经窑尾烟囱排入大气。就这样，重金属在固相和气相中形成一个循环过程。需要说明的是，在回转窑内的物理化学反应是一个平衡过程，循环的重金属含量增高，固化在水泥中的重金属就增加，这样就不会在生产系统内形成明显的富集。还需说明的是，不易挥发的重金属主要在预热器、分解炉、回转窑部分循环，在随后的收尘器中也能绝大部分回收，因此，排入大气中的量很小。而易挥发的重金属则在整个过程中循环，因此，排入大气中的量相对要大一些。

综上分析，镍、铬、锡、锑、铜、锰等难挥发重金属从窑尾烟囱排入大气的量很小，汞、镉、铅、砷等易挥发重金属从窑尾烟囱排入大气的量较大，其排放量有多少，能否达到国家排放标准，具有一定的不确定性。

3 窑尾烟气中二噁英排放分析

二噁英化学性质稳定，难以生物降解，是目前已知化合物中毒性最大的物质。二噁英对人类具有致癌性，还能降低人体免疫能力，影响正常荷尔蒙分泌。此类化合物可在食物链中富集。

3.1 二噁英形成机理和条件分析

焚烧过程中二噁英生成机理有以下2方面[4]：

(1)以氯代芳香族化合物作为前生体，如氯酚、氯苯等，通常在飞灰表面通过非均相催化在250～400℃反应而成。前生体可能是原燃料中的微量杂质，也可以通过多级反应而生成，包括脂肪族化合物的芳香化。

(2)由活性碳颗粒与空气、水分和无机氯化物经Cu(Ⅱ)催化，通过气-固和固-固反应de novo合成二噁英。

上述两种机理之间存在着一定联系。

二噁英的产生要具备以下条件：HCl、O、前体物的存在；生成温度不高，一般情况下在250～600℃之间(主要在250～400℃之间)；特定的金属离子(Cu2+、Fe2+)对其形成过程的催化作用；燃烧过程不完全，有一氧化碳存在；烟气的含水量较高，燃烧过程产生蒸汽。

3.2 城市生活垃圾中的氯及焚烧特性

城市生活垃圾中含氯的有机物质主要有纸、植物、化纤类物质及一些塑料(包括PVC)，无机物主要是NaCl、KCl等。

解强等实验得出[5]，在温度为500℃左右持续加热30min，城市生活垃圾中70%～80%的有机氯释放出来；在1200℃下保温10～30min，城市生活垃圾中的无机氯约有5%～25%释放出来。基本上以HCl的形式释放。

3.3 二噁英排放分析

城市生活垃圾中的氯在水泥生产线中是一个循环。气化炉中生成的HCl进入分解炉，在这里，绝大多数被大量的高活性CaO吸收进入物料流；气化炉不燃物中的氯随物料进入物料流；物料在回转窑中高温煅烧，又有一部分氯挥发进入气相，随后依次进入分解炉、预热器、生料磨、收尘器，在这一过程中，氯又被吸收吸附形成循环。氯的循环主要在回转窑和预热器之间，而且在烟室设有脱氯设施，因此，烟气在进入预热器及以后的过程中，氯含量很低。

(1)气化炉中温度在500～550℃且O2含量很少，气化炉气化过程中难以产生二噁英。

(2)出气化炉的可燃性气体，进入分解炉，在这里在850～900℃的高温环境中，通过充足的时间燃烧时(7秒以上)，产生的二噁英也被完全分解。

(3)烟气进入预热器，在这个生产环节，温度从850℃逐步降为200℃，是有利于二噁英生成的温度环境，考虑到烟气中氯含量很少且Cu2+、Fe2+含量极少，可以预知，这里会生成少量的二噁英。

(4)不可燃物随水泥生产常规原料一起进入原料磨，在原料磨里进行烘干、粉磨。原料磨的进口烟气温度约为200℃，出口气体温度约为120℃，因此在原料磨里不会产生二噁英。

(5)预热器中生成的少量二噁英经过生料磨、收尘器，以微粒形式吸附在物料中，绝大部分被收尘器收回而进入物料，极小部分排入大气。

(6)气化炉不燃物中的二噁英和随物料返回的二噁英，在分解炉和回转窑中，被彻底分解而去除。

在国外，采用现代干法水泥生产系统处理城市生活垃圾，二噁英的排放浓度已完全控制在0.1ng/Nm3以下。我国海螺铜陵CKK项目二噁英浓度监测值见表1。

综上分析，利用水泥生产线协同处置城市生活垃圾会排放少量二噁英，二噁英的排放量和排放浓度能不能达到我国的排放标准，具有一定的不确定性。

表1 我国海螺铜陵CKK项目二噁英浓度监测值

4 结论及建议

利用水泥生产线协同处置城市生活垃圾能从根本上做到垃圾处理的资源化、无害化。但生产过程中会有重金属和二噁英的排放，这些污染物的排放能否达到我国的排放控制标准，具有一定的不确定性。建议对我国已建成的同类生产线进行跟踪监测，如果能稳定达标，就应大力推广；如果不达标，则应采取一定的工程措施和其他措施，如垃圾分类收集等，以期做到达标排放。

另外，利用水泥生产线协同处置城市生活垃圾工艺中，生活垃圾的掺入量是少量的，工艺中传统燃料产生的烟气量是生活垃圾燃烧产生的烟气量的10倍以上，大量的燃煤烟气稀释了垃圾燃烧烟气中特征污染物的浓度。因此，执行GB18485-2001《生活垃圾焚烧污染控制标准》，有可能造成浓度达标但排放量很大。建议制定本类工艺的相应污染物排放标准，比如控制吨垃圾二噁英排放总量。

参考文献：

[1]孔丝纺，刘阳生，曾辉，解庆龙，吕晓蕾.焚烧源挥发性重金属的排放对周边土壤和植被污染的研究进展[J].生态环境学报，2010，19(4)：985-990.

[2]李建新，严建华，池涌.利用流化床实验台研究生活垃圾焚烧重金属分布规律[J].中国电机工程学报，2005，25(17)：100-104.

[3]辛美静，杨学权.城市生活垃圾中重金属对水泥性能的影响[J].水泥工程，3：8-12.

[4]郑明辉，刘鹏岩，包志成，徐晓白.二噁英的生成及降解研究进展[J].科学通报，1999，44(5).

[5]解强，沈吉敏，张宪生，厉伟.热处理过程中城市生活垃圾氯释放特性的研究[J].中国矿业大学学报，2003，32(6)：641-645.