0 引言?隨著城市化進(jìn)程的加快和人民生活水平的提高，我國(guó)城市生活垃圾的產(chǎn)生量迅速增加，垃圾處理的問題也越來(lái)越嚴(yán)峻。水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾是一種能實(shí)現(xiàn)減量化、無(wú)害化和資源化的方法，利用水泥窯特有的高溫、長(zhǎng)流程與堿性環(huán)境特點(diǎn)協(xié)同處置城市生活垃圾[1-2]，能對(duì)各種腐蝕性、有毒性、易燃性、反應(yīng)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(zhì)除含有水泥的主要成分SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3[4]，以及影響水泥質(zhì)量的化合物，如堿、氯、硫等，其中氯離子會(huì)嚴(yán)重影響水泥燒成過程[5-6]。通過檢測(cè)每個(gè)部位的氯離子含量，對(duì)熟料的煅燒以及旁路放風(fēng)量的控制具有指導(dǎo)意義。

我公司擁有一條4 800 t/d水泥熟料生產(chǎn)線，200 t/d水泥窯協(xié)同處置生活垃圾項(xiàng)目運(yùn)行后，出現(xiàn)預(yù)熱器錐部結(jié)皮、堵塞等一系列問題。本文測(cè)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(fēng)灰中氯離子含量，通過數(shù)據(jù)分析判斷投放垃圾對(duì)每一部位氯離子含量影響以及采取相應(yīng)措施降低熟料生產(chǎn)過程中氯離子的含量；計(jì)算預(yù)分解窯系統(tǒng)中進(jìn)入循環(huán)富集與結(jié)皮的氯離子量和旁路放風(fēng)除氯效率；針對(duì)旁路放風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化，降低預(yù)分解窯系統(tǒng)中氯離子含量，緩解垃圾對(duì)預(yù)分解窯系統(tǒng)的影響。

1 氯離子的危害

1.1 氯離子循環(huán)富集

氯鹽在熟料燒成系統(tǒng)中具有極高的揮發(fā)性，在回轉(zhuǎn)窯高溫下幾乎全部揮發(fā)，隨熱煙氣返回預(yù)熱器，冷卻后附著在生料上，形成氯離子的循環(huán)富集，導(dǎo)致預(yù)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(jié)皮

KCl強(qiáng)烈地促進(jìn)了礦物硅方解石2C2S·CaCO3的形成，在預(yù)熱器內(nèi)壁逐漸黏掛形成結(jié)皮，這種礦物在900~950 ℃之間強(qiáng)度很高，不易清除，而且長(zhǎng)時(shí)間累積，易造成通風(fēng)不良和預(yù)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(nèi)側(cè)直接與高溫物料、氣流相接觸，外側(cè)直接貼在保溫材料或窯筒體的鋼板上，內(nèi)外側(cè)表面的溫差較大。隨熱量不斷從內(nèi)部高溫側(cè)向外散失，在其內(nèi)形成溫度梯度場(chǎng)。隨著生產(chǎn)過程中窯系統(tǒng)內(nèi)氯離子的循環(huán)富集，必然會(huì)滲透進(jìn)入到耐火材料中，冷凝結(jié)晶。隨氣態(tài)物的不斷凝聚，結(jié)晶物不斷長(zhǎng)大，產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，引起耐火材料的腐蝕、開裂、剝落，最終結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致停產(chǎn)檢修[9]。

2 氯離子的來(lái)源及影響

預(yù)分解窯系統(tǒng)可視為一個(gè)整體，Cl-的來(lái)源主要通過下面三個(gè)方面：原料（石灰石、鐵粉、硅土、頁(yè)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(shí)出磨生料中氯離子含量0.015%，投放垃圾后為0.021%。這是因?yàn)楹新入x子的廚余物進(jìn)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(shí)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(shù)表示垃圾處理開始運(yùn)行后。未投放垃圾時(shí)和垃圾投放初期，入窯生料中氯離子含量較低且保持穩(wěn)定，隨著垃圾投入，入窯生料中氯離子含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。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(jìn)入生料均化庫(kù)中，被生料庫(kù)均化，與庫(kù)中大量原生料均勻混合，因此最初投放垃圾時(shí)，入窯生料中氯離子含量沒有發(fā)生明顯的變化。隨著垃圾投入，庫(kù)中原生料逐漸消耗，垃圾投放過程中生產(chǎn)的出磨生料取代原生料，所以入窯生料氯離子含量出現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖1 入窯生料氯離子含量變化規(guī)律

3 氯離子的去向和分布

引入水泥窯協(xié)同處置垃圾項(xiàng)目后，預(yù)分解窯系統(tǒng)中氯離子的去向分為以下五方面：①進(jìn)入熟料（包括窯頭電收塵和余熱發(fā)電熟料灰）中；②C1出口排出的回灰；③旁路放風(fēng)；④預(yù)熱器、分解爐、煙室中結(jié)皮；⑤在熟料煅燒過程中的循環(huán)富集。

投放垃圾對(duì)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(shí)C1回灰中氯離子含量較低且穩(wěn)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?yàn)樵谕斗爬倪^程中，可燃物燃燒揮發(fā)出的氯離子進(jìn)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(cè)到C1回灰中氯離子含量在投放垃圾的過程中會(huì)略微上升[10]。

旁路放風(fēng)系統(tǒng)采用匯風(fēng)箱+袋收塵方案設(shè)計(jì)[11]，其工藝流程為：從煙室一側(cè)匯風(fēng)箱抽出熱氣體，通過冷風(fēng)機(jī)強(qiáng)制鼓入冷風(fēng)與匯風(fēng)箱熱氣體混合，隨后氣體進(jìn)入旋風(fēng)筒收集粗顆粒返回分解爐，出旋風(fēng)筒氣體進(jìn)入多管冷卻器和袋收塵進(jìn)行粉塵收集，最后匯入尾排進(jìn)入大氣[12]。

圖2 投放垃圾前后C1回灰氯離子含量對(duì)比

圖3為投放垃圾過程中C5下料管熱生料和旁路放風(fēng)灰氯離子含量規(guī)律。根據(jù)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(fēng)灰中氯離子含量在5%以下，隨著旁路放風(fēng)效率的提高，旁路放風(fēng)灰中氯離子含量達(dá)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(fēng)效率較低，同時(shí)可燃物燃燒釋放出的氯離子也參與循環(huán)富集，此情況下C5下料管氯離子出現(xiàn)突增，隨著旁路放風(fēng)除氯效率的提高，循環(huán)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(shí)C5下料管與旁路放風(fēng)氯離子含量對(duì)比

圖4為C5下料管和旁路放風(fēng)在投放垃圾前后氯離子含量變化的對(duì)比。圖4（a）中C5下料管在未投放垃圾時(shí)氯離子含量較低且穩(wěn)定，但在投放垃圾后氯離子含量開始時(shí)出現(xiàn)突增，隨后降低，但氯離子含量仍然高于未投放垃圾時(shí)。在未投放垃圾時(shí)，預(yù)分解窯系統(tǒng)中氯離子循環(huán)平衡達(dá)到穩(wěn)定，C5下料管熱生料氯離子含量穩(wěn)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(jìn)入循環(huán)富集，此時(shí)旁路放風(fēng)除氯效率低，因此C5下料管氯離子突增，后期隨著旁路放風(fēng)除氯效率的提高，氯離子放出量增加，氯離子在系統(tǒng)中循環(huán)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(fēng)灰中氯離子含量由低逐漸上升，后期趨于穩(wěn)定，且投放垃圾時(shí)旁路灰中氯離子含量要高于未投放垃圾時(shí)。經(jīng)過對(duì)旁路放風(fēng)系統(tǒng)的逐漸調(diào)整，旁路放風(fēng)除氯效果逐漸改善，因此在未投放垃圾時(shí)和投放垃圾后旁路灰中氯離子濃度前期都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，后期旁路放風(fēng)除氯效果達(dá)到要求，因此旁路灰氯離子含量趨于穩(wěn)定。焚燒可燃物時(shí)，釋放可燃物中氯離子進(jìn)入循環(huán)富集，因此在投放垃圾后旁路放風(fēng)除氯灰中氯離子濃度比未投放垃圾時(shí)要略微高一點(diǎn)。

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(lái)源：氯離子由入窯生料、燃料煤和垃圾帶入；氯離子去向：進(jìn)入熟料（熟料灰）、C1出口回灰、旁路放風(fēng)灰以及結(jié)皮（預(yù)熱器、分解爐和煙室）、循環(huán)富集。在預(yù)分解窯系統(tǒng)中，氯離子的循環(huán)富集分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩個(gè)過程。內(nèi)循環(huán)是氯離子在窯內(nèi)高溫下從生料及燃料中揮發(fā)，隨熱氣流進(jìn)入預(yù)熱器，冷凝附著在溫度較低的生料上，并隨著生料再一次進(jìn)入窯系統(tǒng)，形成的一個(gè)在預(yù)熱器和窯之間的循環(huán)和富集的過程。外循環(huán)是附著在回灰顆粒表面的氯離子，隨回灰一起排出預(yù)熱器系統(tǒng)，這部分粉塵在大布袋被收集重新入預(yù)熱器，這個(gè)循環(huán)是在預(yù)分解窯系統(tǒng)外單獨(dú)進(jìn)行的，故稱為外循環(huán)[13-14]。氯離子的來(lái)源和去向分布見圖5。

根據(jù)物質(zhì)守恒的原理，將預(yù)熱器、窯、篦冷機(jī)看成整體，以8 h為一周期來(lái)計(jì)算，氯離子含量平衡分析計(jì)算如下：

氯離子來(lái)源總量=氯離子去向總量

氯離子來(lái)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(fēng)氯離子+熟料中的氯離子+回灰中氯離子+參與循環(huán)富集和結(jié)皮氯離子

旁路放風(fēng)旋風(fēng)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(fēng)旋風(fēng)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(jī)，至23：59持續(xù)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(diǎn)開始截止到24點(diǎn)期間實(shí)際數(shù)據(jù)（見表1和表2）計(jì)算得出8 h內(nèi)參與循環(huán)富集和結(jié)皮部分氯離子量，以及旁路放風(fēng)除氯效率。

氯離子平衡計(jì)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(lái)源總量：求和得1.417 7 t。

旁路放風(fēng)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(jìn)煤磨熱風(fēng)管、余熱發(fā)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(huán)富集與結(jié)皮量：1.417 7-1.331 1=0.086 6 t。

參與循環(huán)富集與結(jié)皮的氯離子含量占總氯離子來(lái)源的6.1%。

旁路放風(fēng)除氯效率：0.2621÷（0.2621+0.086 6）=75.2%。

旁路放風(fēng)閘板開度中控顯示90%，排風(fēng)機(jī)給定頻率45 Hz，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)旁路放風(fēng)抽出4.6%熱煙氣[16]，計(jì)算得旁路放風(fēng)實(shí)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(fēng)排出5%的熱氣體來(lái)除去[17]，可以估算出旁路放風(fēng)系統(tǒng)中放出4.6%熱煙氣，排出約82.8%氯離子，接近實(shí)際數(shù)據(jù)旁路放風(fēng)排出氯離子含量75.2%。

5 降低氯離子含量的措施

5.1 加強(qiáng)原、燃材料質(zhì)量控制

生料中氯離子主要是由石灰石、頁(yè)巖和黏土帶入的[18]，在選擇原料特別是頁(yè)巖和黏土?xí)r要注意氯離子含量，嚴(yán)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(yōu)化旁路放風(fēng)系統(tǒng)，提高除氯效率

通過旁路放風(fēng)系統(tǒng)旁路放風(fēng)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(huán)富集，氯離子含量對(duì)C5下料管影響較大，旁路放風(fēng)的控制可以依據(jù)C5下料管熱生料中氯離子含量來(lái)控制，規(guī)定C5下料管熱生料氯離子含量不能超過0.8%。

旁路放風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整時(shí)旁路放風(fēng)灰和C5下料管氯離子含量變化趨勢(shì)見圖6，開始運(yùn)行第4天至第15天內(nèi)為第一階段調(diào)整：閘板開度在90%到100%，排風(fēng)機(jī)頻率在40~42 Hz，冷風(fēng)機(jī)頻率為35~40 Hz，此時(shí)旁路放風(fēng)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(jié)皮嚴(yán)重，2天需清理一次，每次清理時(shí)長(zhǎng)2 h。第15天至第44天為第二次調(diào)整：閘門開度由20%遞增到90%，排風(fēng)機(jī)頻率給定40~42 Hz，冷風(fēng)機(jī)頻率25~28 Hz，這一階段旁路灰氯離子含量開始上升達(dá)到10%以上，C5下料管氯離子含量降至0.9%左右，此期間清結(jié)皮兩次。第45天以后為第三階段調(diào)整：閘門開度為90%，排風(fēng)機(jī)給定44~45 Hz，冷風(fēng)機(jī)36~38 Hz，旁路放風(fēng)氯離子含量穩(wěn)定在12%左右，C5下料管氯離子含量降至0.8%以下[21]。調(diào)整后，除氯效率大大提高，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)皮較少，除氯效果顯著。

圖6 投放垃圾過程中旁路放風(fēng)灰與C5下料管熱生料氯離子含量對(duì)比

6 結(jié)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(duì)于未投放垃圾時(shí)都出現(xiàn)不同程度的上升。

（2）在投放垃圾前期，旁路放風(fēng)系統(tǒng)除氯效率較低，C5下料管氯離子含量高達(dá)1.2%以上，結(jié)皮嚴(yán)重，隨著旁路放風(fēng)逐漸調(diào)整，C5下料管氯離子含量降至0.8%以下，結(jié)皮基本消除。旁路放風(fēng)調(diào)試穩(wěn)定后，氯離子參與循環(huán)富集和結(jié)皮占進(jìn)入系統(tǒng)氯離子總量6.1%，旁路放風(fēng)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(yōu)化旁路放風(fēng)系統(tǒng)，旁路放風(fēng)調(diào)整閘板開度為90%，冷風(fēng)機(jī)頻率給定38 Hz，排風(fēng)機(jī)頻率在45 Hz時(shí)，旁路灰氯離子含量穩(wěn)定在12%左右，除氯效果理想。