3 水泥窑协同处置

　　水泥窑协同处置

　　水泥窑共处置技术是在传统水泥生产工艺过程中，加入一定比例的污染土壤，在其高温烧结过程中达到对污染物的固定，以降低土壤中污染物的可移动行和环境风险，同时不降低水泥产品品质的技术。水泥窑共处置技术是一种比较成熟的处理有害工业废物的技术，水泥与传统的专用焚烧处置技术相比具有诸多优势，很好地体现了废物处置的减量化、无害化和资源化原则。水泥窑共处置在发达国家已有30多年的应用经验，环境效益、经济效益和社会效益明显。

　　3.1 污染土壤水泥窑共处置技术的可行性

　　污染土壤属于高灰分、低热值的无机物，且含有一定量的有毒有机成分，而适用于水泥窑处置的污染土壤，一般是污染浓度很高、需要做彻底处置的废物。因此水泥窑共处置技术几乎可以应用于含任何污染物的土壤处置。目前水泥窑共处置技术是化工农药厂重度污染土壤修复的主流技术。

　　水泥的生产过程是利用含碳酸钙、二氧化硅以及铁、铝氧化物的原料（主要为石灰石和粘土）经破碎后，按一定比例配合、磨细并调配为成分合适、质量均匀的生料，在1400℃以上的水泥窑内煅烧至部分熔融，生成具有水硬特性的以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料，在加上适量石膏、混合材料、添加剂共同磨细成为水泥产品。

　　从水泥生产的过程看，水泥生产的原料以钙、硅化合物为主，同时需要少量的铁、铝元素。允许少量的其他杂质（非活性物质）存在。污染土壤除了含少量污染物之外，其主要成分与水泥原料相似，因此可成为水泥生产的部分替代原料。

　　水泥生产在高温条件下完成，水泥窑内气体温度和物料温度分别可以达到1750℃和1450℃，在此高温下水泥窑共处置技术对有机物的去除率一般在99.99%以上。同时有机物分解过程中产生的热能也得到利用。

　　水泥窑共处置技术的工艺流程如图4-5所示。水泥内独具的高温工艺特点可以将大部分的重金属固定在水泥熟料中，水泥窑气固相混合充分，增加了对挥发性重金属的捕获吸附，水泥窑中重金属浓度满足排放要求。

图4-4 水泥窑共处置污染土壤工艺流程

　　3.2 水泥窑共处置污染土壤投料方案

　　水泥生产工艺并非为处置污染土壤设计，作为水泥生产的附加功能，需要对投料点进行合理设计，以确保污染物的彻底分解和尾气的达标排放。

　　根据生产工艺，对于污染土壤，水泥回转窑可在物料粉磨、上升烟道、分解炉、窑门罩或窑尾烟室处设置物料投加点。具体投料点的选择结合土壤污染物的理化特性和水泥窑煅烧过程。

　　针对不同种类重金属污染的土壤，充分考虑土壤理化性质和固化稳定化工艺2个因素的影响，设置多种胶凝材料和添加剂的批量试验，根据评价指标来最终确定最佳投料方案组合。

　　3.3 水泥窑处置对水泥窑达标排放的影响

　　水泥生产烧结时间长，烟气在高温下停留时间可以达到4～6s，很大程度上可减少产生二噁英的可能。窑炉内充满碱性气氛，水泥窑内的碱性物质可以将污染土壤分解产生的酸性物质（如HCl、SO2类的烟气）中和为稳定的盐类，有效抑制酸性物质的排放。这一特性使水泥窑处置技术特别适合于有机污染土壤，特别是稳定性强的含氯有机物污染土壤的处置。

　　实践证明，从正确的投加点投加污染土壤，既不影响水泥生产过程和产品质量，也不造成水泥大气污染排放量的增加，对污染土壤的主要有机物分解去除率可达99.9999%。

　　共处置后的成品水泥在使用过程中的水硬特性可以将废物中残存的有限数量的有害元素固化在混凝土中，保证这些有害物质不会进入环境以及与人体接触。

　　3.4 污染土壤水泥窑共处置技术注意事项

　　为了使水泥窑共处置污染土壤过程不影响水泥产品质量，并保持水泥窑的正常运行工况，共处置前土壤样品需要进行含量分析，分析项目大体包括土壤主要成分、碱性物质、氯含量、重金属含量。水泥生产要求CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3含量大于40%的土壤才能在水泥窑进行共处置。

　　污染土壤中过高的氯等含量会造成水泥窑运行上的问题，燃烧过程中释放的氯均与原材料过量的碱类进行化合，并转化为碱金属氯化物（NaCl、KCl），这两种氯化物的凝结点分别为809℃和773℃，在预热装置的下部结晶，可能出现严重的成层及堵塞现象。

　　常规原料平均尺寸为80um，而被污染的土壤粒径最大将达到50mm（常规原料的600倍以上）。粒径上的差异将导致生成的水泥熟料的强度降低，进而导致水泥产量的降低。为保证水泥生产正常进行，产品质量，产量不受影响，应确定合理的替代率。

　　受水泥生产工艺限制，普通水泥窑必须经过工艺、设备改造，方可用于污染土壤共处置。其中最重要的是对污染土壤投料点进行合理设计，以确保污染物的彻底分解和尾气的达标排放。

　　3.5 水泥窑共处置技术案例

　　美国德克萨斯州TERRELL-范德霍斯特公司污染场地原是一家铬-铁电镀工厂，该工厂从1950年起运营直到2006年12月。这3.5英亩的土地由于严重污染和较高的环境健康风险被加入到了国家优先项目清单。2010年3月USEPA开始对包括前电镀厂、污水处理厂及其他配套设施引起的污染土地进行治理。根据该污染场地区域污染物浓度高并含有有毒物质的特点，USEPA决定采用水泥窑共处置技术处理该场地。2011年4月，水泥窑系统开始运行，从水泥样品及现场土壤样品检测分析，水泥窑技术可以有效地固定污染物且生产的水泥质量符合国家产品质量标准。2012年9月该场地的修复工作完成。