水泥窯協同處置固廢熟料重金屬含量超標原因分析以及控制措施

摘要：文章通過建立水泥窯協同處置重金屬分析方案，從重金屬來源、配料方案調整、不同窯況對重金屬固化效率影響等方面系統地分析了熟料重金屬含量超標的根本原因，并制定了相應控制措施。

案列：我公司現有三條新型干法熟料生產線，其中一條5?000 t/d生產線配套建設了日處理垃圾300 t/d、污泥200 t/d的固體廢物處置項目，隨著協同處置項目的正式運行，按照GB 30760—2014《水泥窯協同處置固體廢物技術規范》要求，將熟料重金屬納入例行監測范圍，通過一段時間檢測發現，熟料中個別重金屬含量處于超標狀態，尤其是鎘、砷（國標要求鎘≤1.5 mg/kg，砷≤40 mg/kg），有時鎘能達到1.6 mg/kg以上，砷能達到42 mg/kg以上，存在較大質量風險，重金屬超標成為亟需解決的問題。

1.1　熟料中重金屬來源探討

（1）水泥窯協同處置廢物，如生活垃圾、污泥等。

（2）熟料生產用原料，如石灰石、粉煤灰、煤矸石、砂巖、河沙、銅渣等。

（3）熟料生產用破碎、粉磨以及燒成用耐火磚、刮片、澆注料等。經過與生產技術人員咨詢與相關資料文獻查找，上述粉磨、煅燒材質基本不含鎘、砷，此項可予以排除。

1.2　不同配料方案以及垃圾（污泥）投入量對重金屬含量影響探索

（1）熟料同一配料方案以及相同原料下，垃圾以及污泥投入量對重金屬含量影響。

（2）熟料不同配料方案對熟料重金屬含量影響。

1.3　重金屬固化效率的影響

水泥窯利用其高溫、堿性環境、停留時間長、易形成穩定的氧化環境等有利條件，使固廢中的大多數重金屬都可全部固溶在水泥熟料的晶格中，不再逸出或析出，實現重金屬在熟料中惰性化、穩定化，通過研究不同窯況對重金屬固化效率的影響可探究其是否會導致重金屬含量超標。

重金屬檢測方法包含電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）、火焰原子光譜吸收法（FAAS）、X射線熒光分析方法（XRF）、離子色譜法（IC）等，本試驗采用的是電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES，樣品前處理采用微波消解法）。檢測方法依據為GB 30760—2014《水泥窯協同處置固體廢物技術規范》以及HJ781—2016《固體廢物22種金屬元素的測定電感耦合等離子體發射光譜法》。

ICP-OES法是以電感耦合等離子體為激發光源的一類光譜分析法，準確度及精密度高，分析速度快，檢測限可達0.01 mg/L，是一種非常普遍的分析方法。我公司使用的美國安捷倫ICP-OES 5110型等離子發射光譜儀，其主要工作原理為：溶解好的待測試樣，經過儀器的霧化器霧化后，引入到高頻等離子體火焰中，樣品被激發后，發出的光進入分光器變成光譜，從中得出所分析元素的吸光度值，通過與已建立的標準曲線比對以及公式轉換計算，即可得出所測量重金屬的質量濃度（mg/kg）。

3.1　原材料及廢物中重金屬含量

實際生產過程中，針對使用的原燃材料以及生活垃圾、污泥進行多次取樣檢測，結果顯示，各原燃材料以及污泥、垃圾重金屬含量較為穩定，見表1。

從表1可以看出：

（1）銅渣中砷、鎘重金屬含量相對于其他材料高出許多，需要加強關注；

（2）生活垃圾、污泥總體重金屬含量較低。

3.2　垃圾、污泥投加量與鎘、砷重金屬含量的關系

選取生產過程中相同配料方案，以垃圾、污泥投加量為變量，進行多次取樣試驗，得出垃圾、污泥投加量與熟料中鎘、砷重金屬含量的關系，分別見圖1和圖2。

圖1　垃圾投加量與熟料中鎘、砷重金屬含量的關系

圖2　污泥投加量與熟料中鎘、砷重金屬含量的關系

考慮垃圾、污泥重金屬含量較少，且其投加量占窯喂料量的比例較小，對熟料重金屬的影響不明顯。

3.3　正常配料時銅渣的限值

根據各原燃料重金屬含量，直觀得出銅渣摻入量多少，對熟料中鎘、砷含量影響較大，結合目前生產實際配料方案執行情況，按照熟料理論配料方法計算得出銅渣配比限值。本廠配料方案鎘、砷重金屬理論含量計算見表2。

從表2中可以得出：銅渣限值用量為1.9%，超過此限值，砷含量處于超標邊緣，若想解決重金屬超標問題，必須減少銅渣使用量。

表2　本廠配料方案鎘、砷重金屬理論含量計算

3.4　不同窯況對重金屬固化效率的影響

固化效率=熟料中重金屬含量/進總重金屬含量，進總重金屬含量=煤灰重金屬含量+灼燒生料重金屬含量+灼燒垃圾和污泥重金屬含量。

結合生產實際情況，我們針對不同窯況（過燒、欠燒、正常煅燒）分別多次選取了對應階段入窯生料、入窯煤粉、入窯污泥/生活垃圾以及出窯熟料對以上物料進行重金屬檢測，并加權計算得出8大重金屬固化效率，分別見表3~表5。

從表3~表5中可得知，不同窯況對熟料重金屬固化效率有一定影響，但影響相對于其總固化效率來說較小，此項不是導致熟料中重金屬超標的主要因素。

通過以上分析，我們得知銅渣作為熟料重金屬鎘、砷含量超標的最主要影響因素，控制其使用量可以有效降低熟料中鎘、砷含量，圍繞這一中心思想，我們先后采取了調整熟料配料方案，采取低鐵配料，后經過生產驗證，對熟料物理性能以及窯工藝煅燒有較大影響，此方案作廢。

后續開始尋找鐵質替代原料，試驗使用了硫酸渣配料，適當增加含鐵量高物質（河沙）使用量，在不影響配料方案執行的同時，嚴格控制銅渣使用量低于1.9%，經過對熟料重金屬含量長期追蹤檢測，未再發生鎘、砷超標現象，熟料中重金屬含量全部合格，且噸生料質量成本同比降低0.2元，按照年生料用量420萬噸計算，年可節約成本84余萬元。調整前后熟料重金屬含量對比見表6。

通過此次試驗研究的開展，查明了熟料中重金屬超標的根本原因，規避了質量風險，改善了人們對水泥窯協同處置后產品質量沒有保障、有毒、有害等誤解認識。同時通過引入硫酸渣、加大河沙用量等措施，有效地降低了生產成本，給企業帶來良好的經濟效益和社會效益，同時也為水泥行業解決類似問題提供了實踐經驗。