水泥窑协同处置技术对固化重金属作用的研究

苗小磊

（河北省建筑材料工业设计研究院，河北 石家庄 050051）

1 现状分析

日本等国家在利用水泥窑协同处置固体废弃物方面起步较早[1]，20世纪以来，一些发达国家把处理垃圾和循环经济、可持续发展的理念结合起来，利用水泥窑协同处理固体废物，不仅节省固废处置设施的投资及运行费用，同时为水泥生产找到替代燃料及原料，达到了社会效益和经济效益的双赢。

我国在利用水泥工业处置和利用可燃性废弃物方面起步比较晚[2]，现在仍处于试验阶段，但是我国出台了很多政策来推动水泥窑协同处置固体废弃物的发展。例如，在近年来，京津冀建材行业采暖季错峰生产过程中，具有水泥窑协同处置固体废弃物的水泥企业，可以减量生产，免于停产错峰[3]。

水泥窑协同处置固体废弃物一般指生活垃圾、污泥和危险废弃物等。这些废弃物中有许多有害或者难以分解的成分，其中包括重金属元素。重金属元素对土壤及人体有很大的潜在威胁。利用水泥窑处置固体废弃物能否将重金属固化是本文研究的重点。

2 试验方案

试验思路：以河北省某大型水泥公司生料为主要原料，其中加入各种重金属氧化物，模拟回转窑进行煅烧，之后对熟料重金属含量进行检测，判定重金属固化率。试验所用试剂见表1。

生料中加入1%的重金属（按照纯重金属元素量掺入）。以ZnO为例，如果要配100g的混合料，其中Zn原子要占到1g，需要ZnO化学药品的量为1÷（65.41÷81.39）=1.244 3g，需要生料的量为100-1.244 3=98.755 7g。

对于混入重金属氧化物的混合料中加入10%蒸馏水，之后混匀。取30g加，于直径为30mm的模具中，在10.6kn的压力下保压30s（加压速率为500n/s），压制成厚度大约5mm的圆柱形试样备用。

高温炉升温工艺过程：首先将预热炉升温至920℃，然后放入生料预热40min，之后放入已经升温到1 450℃的高温炉中煅烧50min。

对于样品的冷却有两种方案。第一，将烧制出来的熟料在室内（30℃）自然冷却。第二，烧制出来的熟料在室外（10℃）电风扇的作用下进行急冷。为了进行比较进行以下实验。

取两组没有掺入重金属的空白试样，在上述升温、保温过程下进行煅烧，最后将两组试样在不同方案下进行冷却，并对样品进行XRD测试，结果见图1。

图1 不同冷却制度下两种熟料的XRD图谱

通过图1可以看出对于两组在不同冷却方案下的熟料C3S的含量基本相同，并且符合实际生产中熟料C3S的含量，但是室外急冷样品中C2S的含量为15.5%，而室内冷却样品中C2S的含量为26.3%，含量偏高。另外对于室外急冷样品fCaO含量为2.0%，而室内冷却样品中fCaO含量为4.92%，所以工艺中选择室外冷却，另外通过其他化合物含量分析，确定本实验方案可以模拟出实际生产中回转窑中各种反应，具有较真实的代表性。

3 试验过程及样品检测

通过上述方案，分别将掺入各种重金属氧化物的生料，煅烧出500g以上的熟料。然后将熟料在球磨机中进行粉磨，球磨机型号为HS1510；球磨时间为10min，取球磨后的试样25g，在负压筛中通过0.08mm的筛，2min后测得筛上物为7%，易磨性合格。

3.1 荧光分析仪测试实验样品

对空白样品中重金属含量进行荧光分析，所得数据见表2。

表1 试验所需重金属药品

表2 荧光分析空白试样中各种重金属含量

表3 荧光分析掺入各种重金属试样中重金属含量

图2 水泥生料对各种重金属固化率

对掺入各种重金属氧化物的熟料进行荧光测试，所得各个试样重金属含量见表3、图2。

3.2 原子吸收光谱和电感耦合等离子体质谱法分析试验样品

按照《浸出溶液试验标准》（GB/T30810-2014）对空白样品和掺入各种重金属样品的水泥试样进行微波消解，之后利用原子吸收光谱测定各种重金含量见表4、图3。

4 结 论

通过对比图2、图3可以得出结论。

（1）试验样品采用两种测试手段，结果基本相同，可见试验数据及结果的真实可靠。

表4 原子吸收光谱和电感耦合等离子体质谱法检测试样中各种重金属含量

图3 水泥生料对各种重金属固化率

（2）熟料在烧制过程中，对掺入的9种重金属元素，除了Cr、Cd、Pb外都有较好的固化率（固化率都在80%以上）。

（3）本文重金属掺入量为1%，在实际生活中固体废弃物重金属含量很难超过1%，熟料在烧制过程中对大部分重金属元素都有较好的固化作用，可见水泥窑协同处置技术处理固体废弃物，对于固化重金属具有很好的效果。

[1]郭廷杰.日本水泥工业废物综合利用情况简介[J].中国资源综合利用，2004（07）：39-41.

[2]朱雪梅，刘建国，黄启飞，等.固体废物水泥窑共处置技术应用及存在问题[J].中国水泥，2006（04）：45-49.

[3]河北省大气污染防治工作领导小组办公室关于做好河北省2017-2018采暖季错峰生产攻坚行动的通知，2017.9.15：2.