利用水泥窑协同处置城市生活垃圾技术大学论文.docx
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利用水泥窑协同处置城市生活垃圾技术大学论文
论文题目：
利用水泥窑协同处置城市生活垃圾技术
作者：
11111专业：
无机非金属材料工程技术
班级：
硅酸盐1321
学号：
11111指导老师：
1111
2016年4月7日
1
1、引言,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
5
2、我国利用水泥窑协同处置危险废物和城市生活垃圾
的研究和实践,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
5
3、利用水泥窑协同处置垃圾的原则,,,,,,,,,,,
6
4、利用水泥窑协同处置垃圾的流程及路线,,,,,6
4.1
水泥窑协同处置垃圾的流程,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
6
4.2
水泥窑协同处置垃圾的Sinoma的技术路线,,,,,,,,,,,,
7
5、预处理过程的关键技术及控制要求
,,,,,,
8
5.1影响水泥窑系统稳定和产品质量的主要因素及其控制指标
,,,,,
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5.1.1
含水量,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
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5.1.2
钾、钠、硫、氯等干扰成分,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
8
5.1.3
生活垃圾成分波动对烧成系统的影响及控制,,,,,,,,,,,,,
9
5.1.4
可燃物燃烧对烧成系统的影响及控制
,,,,,,,,,,,,,,
10
5.1.5
重金属含量对烧成系统的影响及控制
,,,,,,,,,,,,,,
10
6、处置过程对环境的影响及控制要求
,,,,,,
12
6.1恶臭气体的控制,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
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6.2.1
类生料粉尘,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
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6.2.2
二嗯英,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
12
2
6.2
固体类污染物的控制
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
12
6.3
其它毒害气体的控制
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
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7、目前水泥厂协同处理城市生活垃圾的几种方
式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
15
7.1海螺川崎水泥厂协同处理城市垃圾技术（CKK系统）,,,,,,,
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7.2合肥院水泥厂协同处理城市垃圾技术,,,,,,,,,,,,,,
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7.3丹麦史密斯公司热盘炉技术,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
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8、结语,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
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3
利用水泥窑协同处置城市生活垃圾技术
安徽职业技术学院无机非金属术材料工程技术专业张平春
摘要：
城市生活垃圾的处理方法具有多种，随着环保要求的不断提高。
一些处理方法的缺陷也越加突显，这便增加了垃圾处理方案的选择和决策的难度。
解决垃圾处理难的问题已成为我国“十二五”规划中政府工作的目标之一，各级政府和企业均在寻求环保、高效、经济、彻底的垃圾处置方式。
本文介绍了利用水泥窑协同处置城市生活垃圾的关键技术。
水泥窑是发达国家焚烧处理危险废物和城市生活垃圾的重要设施，得到了广泛的认可和应用。
德国、瑞士、法国、英国、意大利、挪威、瑞典、美国、加拿大、日本等发达国家利用水泥窑处置危
险废物和城市生活垃圾已经有30多年的历史，积累了丰富的经验。
随着水泥窑焚烧废物的理论与实践的发展与各国相关环保法规的健全，该项技术在经济和环保两方面的显示出了巨大优势，形成产
业规模，在发达国家城市危险废物和城市生活垃圾处理中发挥着重要作用。
利用新型干法水泥窑处置城市生活垃圾技术，通过将生活垃圾转化为水泥生产的替代原料、替代燃料，可以减少对不可再生能源的开发，可以彻底解决占用土地、二次污染、二噁因排放，以及焚烧灰渣处理问题，真正实现完全“无害化、减量化、资源化”的要求。
关键词：
水泥窑,城市生活垃圾,协同处置,控制要求,处理方式，原则，处理指标，影响。
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1、引言
随着人们生活水平的提高，生活垃圾的排放将会越来越多，目前我国每年产生城市垃圾排放约1.5
亿t，而且，每年以9%的速度迅猛增长。
垃圾围城现象愈发严重，而其带来的恶臭气味、地下水污染等影响越发凸现出来。
我国城市垃圾处理由于起步较晚，基础设施较差及受种种客观因素的影响，目前主要以卫生填
埋为主，虽然在一些城市建立了垃圾焚烧和发电厂，其处理量很少，同时伴随着有害的气体（二噁
英）、污水（垃圾渗滤液）、废渣（重金属含量高）等排放问题没有彻底解决，目前也存在一定的争
议。
有关专家呼吁，中国在城市垃圾的处理问题上要吸收日本80年代普及垃圾焚烧发电厂，目前
解决二次污染的经验教训，如何实现城市垃圾的“减量化、无害化、资源化”的处理要求是我们目前面临的难题。
水泥生产的独特生产工艺（碱性气分、1000℃以上的高温）为处理城市生活垃圾提供了优良的条件，国外利用水泥窑协同处置生活垃圾已有近30年历史，技术已成熟，处理系统稳定。
目前主要有两种途经，在欧盟：
生活垃圾不直接进入水泥窑焚烧，必须进行分选。
为此，在水泥厂附近的地区内，都有若干个为水泥厂配套的工业垃圾和生活垃圾的分选处理厂。
利用水泥窑协同处置城市生活垃圾技术，既可将垃圾作为原、燃料，减少对资源的消耗，既可充分利用水泥回转窑内碱性微细浓固相的高温燃烧环境等优点，彻底将有害物质处理掉，真正实现垃圾处理的“无害化、资源化、集约化”的多元化目标要求，使水泥工业走上可持续发展的道路。
本文的目的在于为企业和政府提供一些参考资料，以期促进水泥企业积极地利用水泥窑协同处置城市生活垃圾，政府能够制定相应的政策与支撑条件，以促进利用水泥窑协同处置城市生活垃圾技术的推广实施。
2、我国利用水泥窑协同处置危险废物和城市生活垃圾
的研究和实践
我国从20世纪90年代开始广泛开展利用水泥窑处置危险废弃物和城市生活垃圾的研究工作，如中
美合作项目《水泥窑炉持久性有机污染物排放的检测及控制》、中挪合作项目《水泥窑炉协同处置废
弃物技术指南》、中瑞合作项目《水泥窑炉处置过期农药》、北京市项目《北京市水泥厂水泥窑炉焚
烧危险废弃物》、广东省项目《广州珠江水泥厂废弃皮革替代燃料》、其它地方政府项目《生活垃圾
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由水泥回转窑协同处理系统的研究》、《利用水泥回转窑处置城市污水处理厂污泥试验性研究及应用》、
《城市垃圾焚烧飞灰无害化技术的研究》等。
相关的国际合作项目注重学习国外的前沿科学技术，包
括二恶英的控制和检测技术、废物协同处置的技术程序及管理体系。
地方项目则是对具体种类的废弃
物进行尝试性资源化综合利用，这些废弃物包括生活垃圾、污泥、焚烧飞灰等。
一些水泥生产企业在
科研院所的协作指导下，已经成功地实施了危险废物和城市生活垃圾的处置实践。
3、利用水泥窑协同处置垃圾的原则
在利用水泥窑炉协同处置城市生活垃圾的过程中，应根据垃圾的形态、成分、特性确定其处理方案，
以确保在不影响水泥生产系统正常稳定运行和产品质量的同时，垃圾能够彻底地得到消解，且不产生
新的污染，实现资源的合理利用和环境保护的控制目标要求。
在水泥工业处置生活垃圾方面，必须遵
守如下原则：
（1）政府应在资源利用、利益分配等方面为水泥企业提供合适的政策支撑条件；
（2）处理过程应不干扰水泥生产系统的正常稳定运行，也不影响水泥熟料产品质量；
（3）处理过程不造成新的二次污染（如：
重金属、二嗯英、臭气、其它有毒害的物质等），水泥产品在后续使用、再生以及废弃处置过程中无重金属等渗透污染，不给人类健康和环境带来负面影
响。
（4）水泥企业应根据生产系统的情况，确定合理的垃圾接纳量和接纳半径，并在处理过程中获得一定的经济利益。
（5）处置过程中的各项记录应具有可追溯性，不易被水泥生产过程固化的污染物需限制其浓度；烧成系统启动和停窑等非稳态过程不得擅自处置废弃物。
4、利用水泥窑协同处置垃圾的流程及路线
4.1水泥窑协同处置垃圾的流程
处理主要流程是把垃圾运到这些厂进行机械分选，把热值高、宜焚烧的成分分选出来（热值要求在
3500kcal/kg以上），然后进行破碎，再运至水泥厂，由水泥厂专用设备输送到水泥窑作为替代燃料
焚烧。
部分工厂将分选下的垃圾，同样经过筛分、破碎后，掺入生料中作为辅助原料，其过程都有
严格的技术规范和标准，以保证水泥产品的质量要求。
在日本：
将在垃圾焚烧发电厂排放出来的废
渣，经过处理，除掉有害成分，作为水泥厂的部分原料，生产水泥，称之为“生态水泥”，其过程同
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样也有一套完整的技术规范和标准，控制水泥质量。
垃圾处理工艺流简图述如下：
4.2水泥窑协同处置垃圾的Sinoma的技术路线
由于我国城市生活垃圾为混合垃圾，为了不影响水泥熟料煅烧过程和产品质量，最大限度地提升
水泥窑系统的接纳能力和过程控制能力，必须设置预处理系统。
按水泥生产系统的接纳要求，将垃圾
预处理分选，然后再进行精细化处理，在满足环境控制指标要求的同时，提高城市生活垃圾的利用价
值和经济效益。
城市生活垃圾成分复杂，按照水泥窑协同处置垃圾综合利用要求，可将垃圾分为轻质可燃物、有
机厨余物、无机混合物、渗滤液四大部分。
轻质可燃物主要包括塑料、纸张、树枝、织物、橡胶等，
经加工后用作原料；有机厨余物主要指厨房中产生的各种蔬菜、剩饭残余、动物内脏等，经过发酵抑
制后低温烘干，用作原、燃料使用；无机混合物包括渣土、石块、砖瓦、玻璃、陶瓷、废砼等，直接
用作水泥原料；处置过程如有稍量的金属也将被单独分选回收；渗滤液经污水系统处理达标后，可直
接排放或用于灌溉。
Sinoma利用新型干法水泥窑处理垃圾时的技术路线如图1所示。
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除此以外，如果城市周边没有水泥生产线，可将预处理过程进一步延伸，作精细化处置，以满足
进一步利用的要求。
5、预处理过程的关键技术及控制要求
5.1影响水泥窑系统稳定和产品质量的主要因素及其控制指标
大量的实验研究和生产实践证明：
决定水泥窑接纳城市生活垃圾能力的关键因素不是垃圾中主要化
学成分高低，而是垃圾中的含水量、干扰成分及其主要化学成分的波动幅度，以及解决这些问题的代
价高低。
5.1.1含水量
随季节的不同，垃圾的含水量差异很大，一般约为40％～70％，这是影响垃圾有效利用的重要因素
之一，应严格加以调整和控制。
根据水泥生产系统余热量的利用情况，决定进入系统的垃圾含水量，
必要时应采用补充方法，对垃圾厨余物进行脱水处理，否则将会对水泥生产系统带来较大的影响。
Sinoma在入窑垃圾含水量对窑系统稳定性的影响方面做了大量研究，结果表明：
在控制水泥窑合适接
纳量的情况下，其水分应控制在30％以内。
5.1.2钾、钠、硫、氯等干扰成分
众所周知，钾、钠、硫、氯是干扰现代新型干法系统正常稳定生产的重要因素，无论这些元素来自
原料，还是燃料，均应给予重视。
这些元素在高温烧成系统中，会随着时间的推移而产生富集，造成
预分解系统、回转窑系统结皮、堵塞，干扰系统正常稳定运行。
由于碱、氯属于高挥发性物质，在富
集过程中可采用旁路放风技术加以控制。
硫在高温过程中会生成SO2，也易循环富集，引起窑尾烟室
结皮堵塞或窑内后结圈。
由于硫挥发度低、相转变较快，难以采用旁路放风技术解决，应对其严格控
制。
此外，过高的碱、氯、硫的化合物也会对回转窑耐火材料造成化学侵蚀。
因此，必须对上述腐蚀
元素进行协同限量控制，其要求如下所述：
K20+Na20<1.0％、硫碱比S／R在0.6～1.0、Cl<0.015％～
0.020％（若有旁路放风系统，Cl含量可适当放宽）垃圾中氯含量比水泥原、燃料中的氯含量要高许多，
实验分折和实践证明，在垃圾的这些干扰元素中，氯是决定性的因素，因此为提高城市生活垃圾处理
量，应尽量控制城市生活垃圾中的氯含量，有条件可采用氯放风技术。
8
图2熟料KH值随垃圾成分波动的变化情况图3熟料LSF值随垃圾成分波动的变化情况
图4
熟料SM值随垃圾成分的波动情况
图5熟料IM值随垃圾成分的波动情况
5.1.3
生活垃圾成分波动对烧成系统的影响及控制
如果考虑一个5000t/d的水泥厂接纳450t/d
生活垃圾，熟料率值正常控制要求分别为
KH=0.900，
LSF=93.29，SM=2.60，IM=1.60，生活垃圾焚烧后灰渣的掺入量（干基）占原料的3.770％。
下面针对
两种情况，分析生活垃圾成分波动对水泥熟料产品质量的影响。
（1）生活垃圾灰渣参与配料计算
在考虑生活垃圾掺入量不变的情况下，如果其焚烧后
的灰渣成份产生±l5％波动时，熟料各率值的波动情况如图
2～图5所示。
图中粗线为平均值，虚线
为标准偏差线范围。
从图中不难看出，KH值处于0.890～0.910
之间的概率达97％，SM值处于2.50～
2.70之间的概率达l00％，IM值处于1.50～1.70
之间的概率达
100％。
表1为各率值的平均值和标准
偏差。
从上述分析可以看出，在配料时考虑垃圾灰渣参与配料，其成分发生±
15％的波动时，对熟料
的烧成质量不会带来不利的影响。
表1
垃圾参与配料时熟料各率值变化
率值KHLSFSM
IM平均值0.90093.2922.6001.598
标准误差0.005
0.4930.0230.021
（2）生活垃圾不参与配料
在配料时不考虑生活垃圾的校正问题，当生活垃圾掺入量和
率值控制不变的情况下，如果其焚烧后的灰渣成份产生±15％波动，熟料各率值变化情况如表2所示。
从表2中不难看出，KH值降低了0.066，LSF值降低了6.14，SM值增加了0.018，IM值降低了0.159。
随着垃圾接纳量的增加，影响和偏差则更大。
由此可见，在配料过程中不采取措施对所配生料进行必
要调整和配合，将会造成水泥熟料不合格等一系列问题。
否则必须降低垃圾的处理量，才能确保水泥
熟料质量达到控制要求。
表2垃圾不参与配料时熟料各率值变化率值KHLSFSM
IM平均值0.83487.1542.6181.441标准误差0.0040.4100.0220.017
比较上述两种计算结果可知：
在利用水泥窑协同处置垃圾的过程中，必须考虑焚烧后灰渣参与配料
9
计算问题，除非垃圾接纳量少到一定的规模。
同时还要考虑垃圾灰渣成分波动范围可能对熟料烧成带来的影响，达到控制水泥熟料质量的目的。
为了提高系统的垃圾处理能力，在垃圾预处理过程中必须对其进行均化处理。
5.1.4可燃物燃烧对烧成系统的影响及控制
Sinoma课题组对生活垃圾中约60余种可燃物的燃烧特性做了大量仔细的研究，三类典型可燃物的
热失重曲线如图6所示。
结果表明：
垃圾中各可燃组分在空气中的热失重过程大致可分为三阶段：
干
燥阶段、挥发份析出燃烧阶段、固定碳燃烧阶段，其中大多数植物类的热值位于在15～20MJ／kg范围
内，动物类位于20MJ／kg左右，合成类相对复杂，热值最低的棉纱布只有6.66MJ／kg，最高的聚乙
烯可达47.4MJ／kg。
垃圾中绝大部分可燃物的可燃性指数比煤的可燃性指数高得多，更容易燃
烧。
此外，课题组还利用Fluent软件平台，模拟研究了回转窑内替代燃料用燃烧器的火焰特性及其他各
物理场的情况，结果表明：
替代燃料热量替代率为l5％时，替代燃料的加入并未给水泥窑热工状态带
来不利影响。
图6三类典型可燃物的热失重曲线
5.1.5重金属含量对烧成系统的影响及控制
水泥生料中常见的重金属种类有Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ni、Mn、As等，大量的水泥生产统计数据表
明：
其含量一般处于mg／kg数量级。
生活垃圾中的常见重金属与生料中的类似，含量也处于同一数量
级，因此，生活垃圾作为水泥生产的替代原、燃料时，不会超过安全生产的许可范围。
重金属对烧成系统的影响主要表现在重金属对熟料形成过程以及熟料质量等影响。
大量的研究指出：
含量低于0.5％的Cr、Ni和Zn可以降低f-Ca0的含量，对于C3S的形成没有任何影响；Mn02可以提
高C3S的含量，其固溶度大约是l％；Ni优先进入铁相，即使很高含量，对于熟料的形成和水化作用
都不明显；0.5％的Cu0至少可以把烧成温度降低50℃，1％的Cu0可以降低60％的f-Ca0。
由此可知：
生料中的重金属含量只有达到百分数量级上，才会对熟料中f-Ca0含量、熟料的化学组分和矿物组成
等产生不良影响。
生活垃圾中的重金属含量均属微量，不会超过1?
，因此，不会对水泥产品的质量带来不利的影响，相反有些重金属元素还具有助熔剂或者矿化剂的作用，对熟料的煅烧过程有
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利。
重金属随烟气、粉尘排放到大气中的浓度受其挥发性、在熟料中的固化率、以及粉尘中含量
等的影响。
水泥回转窑内的煅烧温度一般控制在1400℃以上，难挥发的重金属（如Zn、Cu、C0、Ni、
Cr、Pb、Cd等）90％以上会发生化合反应，进入熟料相的矿物晶格内，其中即使有一定挥发性的重金
属也只在窑和预热器系统内形成动态平衡的内循环，最终被固化在水泥熟料中，很少带出窑外；极少
数挥发性金属（如Hg）以气相状态或者吸附在微细粉尘上，往复于系统循环，仅有痕量随烟气排出。
Sinoma课题组在入窑重金属总量、重金属逃逸率均取最大值的苛刻情况下，模拟计算了附着在微细粉
尘中重金属的排放浓度，技术合作方也分别2005年和2009年针对利用水泥窑处置相关废弃物时，检
测了废气出口中各种重金属排放浓度，结果如表3所示：
表3模拟计算与实际生产中重金属排放浓度（mg/m3）
从表3可看出，模拟结果和实际生产过程中，各重金属含量的排放浓度处于痕量级别，均远远低于美国、欧盟及我围GBl8485—2001和GB50295—2008等规范的限值，不会对环境产生危害。
6、处置过程对环境的影响及控制要求
在垃圾预处理和利用水泥窑焚烧垃圾的过程中，存在或产生硫化氢、硫醇、胺类等恶臭气体的可
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能性；同时还可能产生二嗯英，以及在烟气中附加的其它有毒有害气体，因此必须采取技术措施消除
和尽量降低这些物质，达到环境保护的的指标控制要求。
一般情况下，城市生活垃圾不会含带超剂量
的放射性物质，在水泥生产过程中，也不会产生大量焦油，在此对其不做评述。
6.1恶臭气体的控制
Sinoma课题组开展了有机厨余物发酵及其抑制实验，常见的臭气成分见表4所示。
结果表明：
加入
l0％的抑制剂后，可以在60hr内明显抑制生活垃圾发酵过程、有效控制臭气的产生，为垃圾的无臭处
理提供时间保证。
技术研究合作单位某水泥厂于2009年4月，针对水泥窑处置相关废弃物时，检测了
废气出口中复合臭气的排放浓度”，结果如表5所示。
表4几种主要臭气成分
注：
*嗅觉阈值指可以嗅觉气味存在的感觉阈值。
表5某水泥厂处置废弃物时复合臭气的排放浓度
6.2固体类污染物的控制
6.2.1类生料粉尘
现有的水泥生产系统具有先进的除尘系统，实践证明：
粉尘的排放浓度完全能够满足30mg／m3的现
有控制标准。
利用现代干法水泥生产系统焚烧生活垃圾，并没改变原有系统的固体粉尘排放点和排放
量。
因此，水泥生产系统原有的收尘系统，完全能够有效地满足环保规范的控制要求。
6.2.2二嗯英
利用水泥窑炉焚烧处置垃圾的过程，不具备二嗯英产生的条件，从而能有效地抑制二嗯英的产生，
具体的论述如下：
（1）从源头上减少了二嗯英产生所需的氯源
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为了保证窑系统操作的稳定性和连续性，现代干法水泥生产系统常对生料中干扰生产操作的Cl-的
含量进行控制。
一般情况下，进入烧成系统的Cl-总含量低于0.015％～0.02％。
而这部分Cl-在水泥
煅烧系统内可以被水泥生料完全吸收，以氯硅钙石（2Ca02Si022CaCl2）的形式存在，最后夹带在熟料
矿物中被带出烧成系统。
即使在900℃～1000℃之间，氯以气态离子状态存在，经冷却后直接形成无
机盐，可采用旁路放风系统排出，不会形成有机的多氯联苯物质，即二嗯英有机物。
（2）高温焚烧确保二嘿英不易产生
为确保不产生二嗯英，国家标准GBl8485—2001《生活垃圾焚烧污染控制标准》中规定的焚烧炉技术要求指标为：
烟气温度≥850℃，烟气停留时间≥2s，或烟气温度≥1000℃，烟气停留时间
≥1s。
在分解炉底部，温度均在900℃以上，气体停留时间大于7s，固体物料的停留时间高达20s以上，
而回转窑中气相温度最高可达l800℃以上，物料温度约为1450℃，因此，无论将垃圾的可燃物加入分解炉或回转窑，都完全可以保证有机物的完全燃烧和彻底分解，杜绝了二嗯英的产生条件。
此外，在燃烧过程中高温气流与高温、高细度的碱性物料（Ca0、CaC03、Mg0、K20、Na20等）充分接触，有利于抑制二嗯英的产生。
图7德国二噁英检测结果
图7为德国某机构针对常规燃料、替代燃料和替代原料的多条水泥窑检测结果。
从大量的检测结果
中不难看出，在160个检测样中，二嗯英有机物的浓度均在0.1ngTE／m3以内，大多数情况在0.002～
0.05ngTEQ／Nm3，其平均值约为0.02ngTEQ／Nm3。
技术研究合作方某水泥厂于2009年，针对水泥窑处置相关废弃物时，检测了其废气出口中颗粒物粉尘和二嗯英排放浓度，结果如表6所示。
表6某水泥厂处置废弃物时固体颗粒物排放浓度
由表6可知：
采用现代干法水泥窑系统处置生活垃圾时，能够有效地抑制二嗯英的产生，其排放浓
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度完全能够控制在国标GB50295—2008中0.1ng／Nm3的限值以下，达到国家规定的环保标准要
求。
6.3其它毒害气体的控制
（1）硫的氧化物（S0x）
水泥生产系统本身就是一种脱硫装置，其燃烧产生的S0x将和生料中的碱性金属氧化物生成相应的
钙硅硫酸盐等矿物（2（C2S）2CaS04；CaS0421.75Si02；2CaS042K2S04；3Na2S042CaS04等），随熟
料排出窑外。
因此随气体排放到大气中的S0x，一股情况下低于20mg／Nm3，完全能够满足现行国家环
保要求的200
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