水泥窑协同处置多源城市固废的源-燃-端全过程污染物调控框架

《Green Energy and Resources》：Co-disposal of multi-source municipal solid waste in cement kilns

　　

研究人员提出一种“源（source）-燃烧（combustion）-末端（end）”框架，用于统筹多源城市固废在水泥窑协同处置中的全过程污染物控制。增强洗涤可将生活垃圾焚烧飞灰（MSWI-FA）中氯含量降至0.82%以下；预测窑模型中5%旁路放风可使氯循环降低31.6%；莫来石纤维棉导热系数达0.0265 W·m?1·K?1；集成尾气处理靶向去除NOx、CO、颗粒物与VOCs。该框架将有害组分的迁移转化沿进料—高温转化—排放/固封路径耦合，为复杂废物协同处置提供系统级调控思路。

研究背景方面，多源城市固废（包括市政污泥、生活垃圾、MSWI-FA、医疗垃圾、废轮胎与废塑料等）产量与复杂度持续上升。水泥回转窑因1000–2000℃高温、长气固停留时间、碱性环境与较大物料通量，具备能源与矿物双重回收潜力；但异质废物入窑会引入氯、硫、碱金属、重金属与有机污染物，进而诱发窑内结皮堵塞、液相性质改变、耐火衬里腐蚀，以及烟气中CO、VOCs、NO_x、HCl与二噁英类迁移风险，同时部分金属虽固溶于熟料矿物，仍可能在水化与碳化过程中再释放。现行研究多按预处理、窑内转化、末端净化独立展开，缺乏跨阶段质量传递与负荷耦合框架，因此研究人员构建了“源-燃-端”全过程控制思路，论文发表于《Green Energy and Resources》。

关键技术方法上，研究人员整合已有单元过程数据而非单一新实验：采用厌氧发酵废液与含CO₂烟气微纳米泡洗涤开展MSWI-FA源侧脱氯与矿化；基于管式炉与热力学平衡建立Cl、S、K、Na挥发-冷凝-内循环模型，设置0–5%旁路放风（bypass）；以气流纺莫来石纤维棉评价低导热耐蚀衬里；将Cu-Mn与Fe-Mn-Ce催化改性滤袋用于CO/VOCs氧化；结合XRD、XRF、EPMA与TCLP表征重金属相态与浸出迁移。

研究结果如下。

源侧调控：预处理与靶向配料。研究人员通过发酵废液洗涤将MSWI-FA氯由5.48 wt.%降至0.82 wt.%，微纳米泡含CO₂洗涤可进一步至0.79%，同步实现脱氯与CaCO₃矿化；按HJ 662-2013氯输入上限0.04 wt.%估算，脱氯后理论投料窗口约为原灰6.7倍，但实际受生料与燃料氯贡献及内循环限制。

燃烧侧调控：挥发元素循环、熟料转化与窑保护。基于100 t/d废物输入场景建模显示，5% bypass可削减Cl循环31.6%；Cr、Zn、Pb与Cl共同改变熟料液相量与黏度，影响结皮倾向；莫来石纤维棉以0.0265 W·m^?1·K^?1导热系数提供轻量耐蚀衬里选项。

末端气相净化。SNCR（选择性非催化还原）利用窑内CO作还原剂协同脱NO_x；Cu-Mn负载聚酯滤袋在除尘同时低温氧化CO；VOCs采用沸石转轮浓缩-催化燃烧，但需应对水泥窑工况波动。

固相重金属稳定性。XRD/Rietveld与EPMA表明Mn优先进入C₄AF形成C₄AF–C₄AM固溶体；TCLP与BCR分级显示水化后金属可再分布，评估应由高温固封延伸至长期浸出风险。

讨论与结论翻译：研究人员指出，源、燃、端并非独立单元，而是残荷递阶传导系统——源侧脱氯不足会放大窑内循环与衬里腐蚀，挥发组分转入烟气、难挥发金属转入熟料。框架贡献在于：将分散数据集按污染物迁移路径重组；建立预处理-Cl/S/K/Na内循环质量平衡；按残余腐蚀负荷匹配衬里与分温区净化；把重金属评价从煅烧固溶拓展至水化后迁移。结论为：多源固废水泥窑协同处置需以“源负荷削减→高温循环转化控制→衬里防护→气固双端净化”为系统边界，方能兼顾窑况稳定、排放达标与建材安全。

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对比源-燃-端框架与传统分段控制差异

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