利用水泥窑协同处置废弃物技术研究

本研究获天津市市长基金项目《大沽排污河底泥及城市污泥处置集成技术研究及应用》支持-1-利用水泥窑协同处置废弃物胡芝娟*（天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400）摘要在经济合作与发展组织国家中，现代焚化工厂和安全的垃圾填埋是普遍采用的处理方式，但投资和运行成本非常高，而且需要有资质的管理和运行人员。高效水泥窑能为许多种废物提供环境友好且低成本的处理/回收方案。与其不做能源回收而直接将废物白白烧掉或处理掉,还不如用废物来代替化石燃料和原始原料(AFR),这还可以进一步降低CO2的总排放量。使用替代性燃料和原料能减少废物对环境的影响，能安全地处置危险废物，能减少温室气体排放，减少废物处理成本，降低水泥工业生产成本。在《巴塞尔公约》的条文中,水泥生产过程中危险废物的协同处理方法已被认为是对环境无害的处理方法。这说明了水泥生产过程中对危险废物进行协同处理的适用性，以及协同处理的先决条件。水泥工业消耗了大量的自然资源和能源。同时也为全世界城市和基础设施的发展和现代化做出了贡献。水泥工业及其行业协会通过优化自然资源的使用和减少整体的能源消耗，在不断改善环境质量。天津水泥工业设计研究院有限公司经过十余年潜心研究，结合水泥窑炉操作条件，针对中国固废处置客观环境，研发出一整套针对城镇污水处理厂污泥，生活垃圾，污染土等废弃物的水泥窑协同处置技术并在实践中的到检验和推广。关键词：水泥窑；协同处置；污泥；生活垃圾；污染土引言全球水泥消耗量正在增加，特别是发展中国家和处于转型期的国家。由于发展中国家和转型期国家的巨大需求，全世界的水泥产量从2001年的16.9亿公吨开始，以年均3.6％的速度稳步增长，2003年全世界的水泥产量为19.4亿公吨。欧洲的消耗量占14.4%；美国占4.7%；美洲其他国家占6.6%；亚洲占67.5%(中国占41.9%)；非洲占4.1%，世界其他国家占2.7%。预计2004年的水泥消耗量为人均260千克。在经济合作与发展组织国家中，现代焚化工厂和安全的垃圾填埋是普遍采用的处理方式，但投资和运行成本非常高，而且需要有资质的管理和运行加拿大以及澳大利本研究获天津市市长基金项目《大沽排污河底泥及城市污泥处置集成技术研究及应用》支持-2-亚等国家和地区将各种类型的人员。高效水泥窑能为许多种废物提供环境友好且低成本的处理/回收方案。与其不做能源回收而直接将废物白白烧掉或处理掉,还不如用废物来代替化石燃料和原始原料(AFR),这还可以进一步降低CO2的总排放量。20世纪70年代初以来，欧洲、日本、美国、废物作为替代燃料和原料(AFR)在水泥窑中成功地进行了协同处理。使用替代性燃料和原料能减少废物对环境的影响，能安全地处置危险废物，能减少温室气体排放，减少废物处理成本，降低水泥工业生产成本。在《巴塞尔公约》的条文中,水泥生产过程中危险废物的协同处理方法已被认为是对环境无害的处理方法。这说明了水泥生产过程中对危险废物进行协同处理的适用性，以及协同处理的先决条件。水泥工业消耗了大量的自然资源和能源。同时也为全世界城市和基础设施的发展和现代化做出了贡献。水泥工业及其行业协会通过优化自然资源的使用和减少整体的能源消耗，在不断改善环境质量。不过使用替代性燃料和原料应当遵守一些基本规则和原则。当前公众最为关注和讨论最多的生态问题是温室气体、全球变暖、非再生性化石燃料的有效利用、毒性残留物和水土资源的污染。而商界人士则更关注成本竞争力、全球竞争和利润。如何在环境保护和经济利益之间取得平衡，乃是当今社会所面临的挑战。天津水泥工业设计研究院公司经过十余年潜心研究，结合水泥窑炉操作条件，针对中国固废处置客观环境，研发出一整套针对城镇污水处理厂污泥，生活垃圾，污染土等废弃物的水泥窑协同处置技术并在实践中的到检验和推广。1水泥窑协同处置废弃物原则及特点水泥窑协同处置废弃物，主要利用水泥高温煅烧窑炉焚烧处理废弃物。在焚烧过程中，有机物彻底分解无害化，产生的热量被水泥生产回收实现能量利用的最大化，灰渣作为水泥组分直接进入水泥熟料产品中，实现资源化的同时做到废弃物的彻底减量化。1.1水泥生产工艺简介典型的新型干法水泥生产工艺如下图所示：本研究获天津市市长基金项目《大沽排污河底泥及城市污泥处置集成技术研究及应用》支持-3-图1水泥生产基本工艺流程Fig.1Theprocessofcementproduction水泥生产需要大量原材料。在对原料进行开采、研磨和均化之后，碳酸钙分解形成的氧化钙与二氧化硅、氧化铝和氧化铁在回转窑内通过高温固相反应生成熟料。熟料与石膏和其他成分在一起碾磨得到水泥。利用水泥回转窑处理城市污泥，不仅具有焚烧法的减容、减量化特征，且燃烧后的残渣成为水泥熟料的一部分，不需要对焚烧灰进行填埋处置，烟气焚烧彻底，污染物形成总量显著降低，是一种清洁有效的污泥处置技术。1.2水泥窑协同处置废弃物定义水泥窑协同处置废弃物是指在水泥生产过程中使用废弃物，并从中回收物质和能量的过程。废弃物可在不同的喂料点进入水泥生产过程。最常见的是：——窑头主燃烧器；——窑尾烟室；——上升烟道；——预分解炉；——分解炉的三次风风管进口；废弃物焚烧残渣甚至可按照与传统原料一样的喂料方式被喂入窑系统中，例如通过正常的原料喂料系统。但含有可在低温时挥发成分(例如烃)或二噁英等剧毒有机物的废弃物必须喂入窑系统的高温区。1.3水泥窑协同处置废弃物的基本原则水泥窑协同处置废弃物应遵循以下基本原则：本研究获天津市市长基金项目《大沽排污河底泥及城市污泥处置集成技术研究及应用》支持-4-1）应遵循水泥窑利用废物的分级原则。如果在生态和经济上有更好的回收利用方法，则不要将废弃物使用在水泥窑中。利用水泥窑协同处置废弃物必须建立在社会处置成本最优化原则之上，并保证对环境无害的资源回收利用。废弃物的协同处置应保证水泥工业利用的经济性。2）必须避免额外的排放物和对人体健康和环境的负面影响。水泥窑协同处置污泥应确保污染物的排放不高于采用传统燃料的污染物排放与废弃物单独处置污染物排放总和。3）必须保证水泥产品的质量保持不变。协同处置废弃物水泥窑产品应通过浸析试验，证明产品对环境不会造成任何负面影响，水泥产品的质量应满足寿命终止后再回收利用的要求。4）必须保证从事协同处置的公司必须具有合格的资质。利用水泥窑协同处置废弃物作为跨行业的协同处置方式，应保证从产生到处置完成良好的记录追溯，在全处置过程确保污染物的达标排放和相关人员健康和安全，确保所有要求符合现有的国家法律、法规和制度。能够有效地对废物协同处置过程中的投料量和工艺参数进行控制，并确保与地方、国家和国际的废物管理方案协调一致。5）必须考虑到具体的国情及地区经济文化不平衡性差异。只有废弃物不能以更经济、更环保的方式加以避免或再生时，方可对其进行协同处置。生态循环利用废弃物是最理想的解决方案，协同处置应当被认为是一种可选的处理方式。1.4水泥窑协同处置废弃物的主要特点利用水泥窑协同处置废弃物具有以下特性：（1）处理温度高，焚烧空间大，停留时间长，可彻底分解废弃物中有害有机物。（2）无残渣飞灰产生。（3）回转窑内碱性环境抑止酸性气体和除水银、铊以外的绝大部分重金属排放。（4）可选择不同温度点处置废弃物，避开二噁英等有毒有害气体产生。（5）废弃物可替代部分一次原料和燃料。（6）回转窑热容量大、工作状态稳定，废弃物处理量大。（7）水泥回转窑是负压状态运转，烟气和粉尘很少外溢。本研究获天津市市长基金项目《大沽排污河底泥及城市污泥处置集成技术研究及应用》支持-5-（6）从处理费用较低。（7）尾气处理投资省。2水泥窑协同处置固体废弃物固体废弃物是人们在生产、生活中产生的污染环境的物质，即平常所说的“垃圾”。主要包括固体颗粒、垃圾、炉渣、废弃的制品、破损器皿、残次品、动物尸体、变质食品、人畜粪便等。2.1技术体系关键利用水泥窑协同处置废弃物的技术体系关键在于：1）依据废弃物的特性选择合理的处置方式，并通过不同的高温区加入的物料的特性要求确定合理的预处理工艺；2）通过对废弃物热值及组分的合理调配，提高废弃物入窑处置的热能利用水平，在客观上实现废弃物处置及节能替代利用的有效复合利用，提高水泥窑协同处置的经济效益；3）针对废弃物焚烧处置过程产生的大气污染物、重金属等的排放特点，确定水泥窑协同处置废弃物的合理工艺，并通过生产技术的优化处置实现水泥窑协同处置废弃物的清洁排放；4）水泥窑协同处置废弃物应保证水泥产品及下游相关产品在产品性能上不发生改变。这就要求对部分影响水泥矿物水化过程及产品性能指标的部分有害元素（如ZnO、CuO、P2O5、F-等）进行严格的控制。以替代燃料为例，水泥行业可利用废物替代燃料种类很多，绝大多数的可燃工业废物及几乎所有的商业、市政、农林业、畜牧业废物以及部分家庭垃圾均可以通过水泥窑系统进行焚烧的热能回收利用。下表为常见的水泥窑用替代燃料。表1常见的水泥窑用替代燃料Table1ThecommonAlternativeFuelforcementkiln固体替代燃料废纸，造纸废弃物，石油焦碳，石墨灰，木炭，塑料废弃物，橡胶废弃物，旧轮胎，储物箱，灰化土，废木材，秸杆，农业废弃物，家庭废物，次品燃料，纤维，含油土壤，下水道污泥液体焦油，酸性淤泥，废油，石化废弃物，油漆厂废弃物（油漆类），本研究获天津市市长基金项目《大沽排污河底泥及城市污泥处置集成技术研究及应用》支持-6-替代燃料化学废弃物，溶剂废弃物，稀释废弃物，蜡状悬浊液，沥青浆，油泥，气体替代燃料垃圾填埋气体，热解气体应用于窑头主燃烧器的废弃物必须是高热值、低水分、小颗粒的废物替代燃料，并且通常需要和煤粉搭配，添加量严格受到火焰温度要求的制约。在分解炉内应用这些替代燃料一般不会对分解炉的气流的停留时间有额外的要求，采用正常的操作方式能满足废物的处置利用。适当减小固体废弃物颗粒直径，可以确保废弃物在分解炉内保持更好的燃尽度。2.2天津水泥工业设计研究院公司技术特色在利用水泥窑协同处置固体废弃物方面，天津水泥工业设计研究院公司着重点立足于危险废物及部分附加值较高的工业废弃物方面。针对我国废物管理的现状，从天津水泥工业设计研究院公司收集到的废弃物数据来看，目前国内很少有专门对废弃物进行分散、稳定、均质化的预处理公司，与国外采用均质和调热处理过的废弃物不同，国内水泥厂能采用的废弃物热值、成分波动很大。国内可供处理利用的废物往往含有较高的水分和有害物质成分，仅仅是利用水泥厂进行销毁而已；工业废物的规模化利用将只能采用处置为主，能源回收为辅的原则。基于以上观点，危险废物预处理主要包括：1破碎(将固体废弃物破碎至水泥窑接受要求)；2混合调质(对不同来源的废弃物完成混合调质均化，达到稳定成分的要求）。图2多种废弃物预处理流程图Fig.2Thepretreatmentprocessofvariouswaste针对生活垃圾热值低、灰分大、干化困难的特点，采用其他焚烧处置工艺往往具有较高的运行成本。利用水泥窑协同处置生活垃圾可以显著降低固定投资和运行成本研究获天津市市长基金项目《大沽排污河底泥及城市污泥处置集成技术研究及应用》支持-7-本，具有较高的社会效益，废物中的硫、氯、碱含量对水泥厂生产有较大的影响，水泥行业的控制标准为，折合至入窑生料其硫碱元素的当量比S/R应控制在0.6～1.0左右，Cl元素则控制在0.03～0.04％以下。2.3工程实例北京金隅集团城市工业废弃物综合处置示范线2005年10月，由天津水泥工业设计研究院设计的北京金隅集团北京水泥厂年处理10万吨废弃物示范线工程全线投产。该生产线日产3000吨水泥熟料，具有年处置废弃物l0万吨的能力，实现了废弃物减量化、无害化、资源化处置。该水泥厂被国家发改委评为第一批国家循环经济试点单位，同时该厂被英国《国际水泥评论》杂志誉为“生态友好型企业”。表2示范线处置对象及消纳能力Table2Thecapabilityofdisposingindustrialwast序号系统处置能力（万吨/年）处置对象1浆渣制备系统3污泥、工业垃圾、废漆渣、废液等2废液处理系