水泥窑协同处置城市生活垃圾技术工艺及进展

目前，我国城市生活垃圾每年清运处理总量约1.9亿t，人均垃圾年产量达500kg。国家统计局对我国各地区的城市生活垃圾清运量、无害化处理方式、处理能力、处理厂数目和无害化处理率等有关城市环境卫生情况进行了统计。2010年-2016年我国城市生活垃圾清运和处理情况见表1。

表1 2010年-2016年我国城市生活垃圾清运和处理情况

从上表可看出，我国城市生活垃圾处理具有以下特点：

1)我国城市生活垃圾每年处理总量大。从2003年的1.48亿t增加到2016年的2.04亿t，每人每年产生生活垃圾500kg以上。而1979年全国总的城市垃圾产生量仅为0.24亿t左右，四十年间增长8倍。

2)我国城市生活垃圾的无害化处理总量和无害化处理率逐年增加。无害化处理率从2003年的50.8%增加到2016年的96.6%，有了巨大进步。但每年仍然有近1000～2000万t甚至更多生活垃圾没有经过无害化处理，而仅仅是简单堆放。据有关部门统计，我国历年来积累堆积的城市生活垃圾已达60亿t以上，侵占土地面积达5亿m2，造成全国200多个城市被垃圾包围。

3)我国城市生活垃圾无害化处理方式中，主要以卫生填埋为主。无论是从无害化处理厂数量和处理能力，还是从无害化处理总量上来看，都是以卫生填埋的处理方式占绝对主导地位。堆肥处理方法由于生产的产品占据不到主导市场，销售困难，呈逐渐萎缩趋势，有相当一部分堆肥厂处于亏损和倒闭状态。垃圾焚烧制能的处理方法由于具有无害化处理率高、减量化大和可资源化利用等优点，近年来得到政府和工业部门大力提倡和推广，从处理厂数量、处理能力和无害化处理量上来看，都得到飞速发展，但总体上仍未占据主导地位。

4)目前我国还没有城市生活垃圾综合处理厂。所谓综合处理，就是结合卫生填埋、堆肥和焚烧三种处理方式的优点，按照“无害化、减量化、资源化”原则，对城市生活垃圾进行综合处理。对可以回收的金属、塑料瓶和书籍等垃圾进行回收处理;对富含有机质的厨余垃圾和庭院垃圾进行堆肥处理;对塑料、纸张和纤维等可燃质则进行焚烧处理或制成垃圾衍生燃料，与其它固体燃料混合燃烧;对暂时无法处理的垃圾则进行卫生填埋。从而实现较高的无害化处理率、较大的减量化和较高的资源化处理。

我国城市生活垃圾常规处置方法

我国传统城市生活垃圾处置方式主要有卫生填埋、高温堆肥和焚烧制能等几种。卫生填埋的原理与方法比较简单，垃圾处理量较大，初投资相对较少，运行维护费用不高;缺点是无害化处理程度不高，资源回收率较低，并占用大量土地资源，而且会对土壤、地下水和大气等造成严重污染，对环境不友好。高温堆肥主要适宜于垃圾中含有较多易腐物(或称可堆腐物)，如食品、草木、纸张和厨余等，在厌氧菌和好氧菌单独或交替作用下转变成有机肥料，对土壤的地力提高有一定作用，可以回收垃圾中部分资源，并消除垃圾中部分病原体;缺点是无害化程度较低，不易密封，会产生各种难闻气味，无法彻底解决垃圾中含有的氯和苯等有害有机物和重金属等污染，处置地点一般建立在城市郊区，转运费用较高。垃圾焚烧制能则是将垃圾作为一种燃料，单独或者与其它燃料(如煤、油和生物质等)通过燃烧生产蒸汽、热水和电力等，从而实现垃圾的资源化利用，并达到较高的无害化处理率和较大减量化效果，而且占地面积较小，可以建在城市中心区，转运费用较低;缺点是日常运行维护费用相对较高，并且在焚烧过程中处置不当的话，容易造成二次污染，产生二噁英和呋喃类毒性物质及NOx、SOx、HCl和N2O等酸性气态污染物，对环境造成危害。几种不同种处置方式比较见表2。

表2 几种不同种处置方式比较

水泥窑协同处置城市生活垃圾的优越性

近年来利用新型干法水泥回转窑协同处置城市生活垃圾日益引起人们的重视。与传统垃圾处理方式相比，水泥回转窑具有更加理想的处置生活垃圾条件。利用新型干法水泥回转窑协同处置城市生活垃圾可实现无害化、减量化及资源化利用，具有显著优越性。从表2中可以看出，利用新型干法水泥回转窑系统处置城市生活垃圾技术的优越性主要体现在以下几个方面：

1)水泥回转窑内处理温度高。预热器系统分解炉操作温度一般在850℃以上，回转窑内物料温度在1450～1550℃，而气体温度则高达1700～1800℃。在如此高温下，垃圾中的有机物能够得到彻底分解，有毒有害成分可以得到彻底“摧毁”和“解毒”。

2)垃圾在炉内焚烧停留时间长。焚烧烟气通入分解炉，气体在高于850℃以上温度区域的停留时间在4s以上，这更有利于有机物的热解燃烧和彻底分解，二噁英几乎完全被分解。回转窑内气体在1100℃以上高温区通过的时间长达45min以上，物料则达30min左右，有利于垃圾在炉内焚烧燃烬。

3)水泥回转窑容积大、焚烧空间大、热容量大、热惯量大、工况稳定，且窑内有大量高温熔体，因此具有很强的热稳定性,不仅可处理大量垃圾固体废弃物，而且可维持均匀和稳定的燃烧气氛。

4)在高温水泥回转窑中，由于生活垃圾中的无机物质与有机物质分解后与其它物质结合，不会释放出危害大气的各种污染气体。另一方面，焚烧后产生的灰渣将作为水泥熟料的成分之一，结合在水泥熟料的矿物相中，其中有害重金属粒子会以氧化物形式固化在熟料矿物中，对水泥质量不会产生不良影响，从而可以做到彻底焚烧而不产生二次污染。

5)水泥窑内气氛为碱性气氛，对垃圾焚烧过程中产生的酸性气体，如HCl、SO2和CO2等能起到中和作用，使它们变成盐类固定下来。另一方面，也能将垃圾中可能存在的重金属元素固化在氧化物固体中，毋须对焚烧后含重金属灰渣进行再处理。因而，水泥回转窑起到净化尾气和重金属高温固化双重作用。

6)水泥窑内高温气体湍流运动强烈，有利于气固两相的混合、传热、传质、分解、化合和扩散，可确保处理垃圾的完全燃烧、分解和有害物质的固化。

7)新型干法水泥窑系统一般在负压下运转，这样就杜绝烟尘的外溢，避免焚烧过程中二次污染的产生。

8)节省投资。相对垃圾填埋处理和垃圾焚烧发电行业，水泥生产线协同处置生活垃圾节省了烟气处理系统，大大降低投资和运行成本。

由于水泥窑具有上述优势，因而新型干法水泥窑被认为是焚烧处置城市生活垃圾的较好焚烧装置，而且与建设专用垃圾焚烧炉相比，具有运行费用低、经济效果好、建设投资低和无害化彻底等优点，从而使得水泥窑协同处置城市生活垃圾得到越来越广泛的应用。人们对城市垃圾在水泥窑中的焚烧过程和焚烧过程中有害气体产生排放及各种有害重金属元素的迁移规律等问题进行深入系统研究，提出城市垃圾在水泥炉窑中的多种焚烧技术和工艺路线。

水泥窑协同处置城市生活垃圾技术工艺

现代新型干法水泥窑协同处置城市垃圾技术工艺流程按照是否单独设置垃圾热解焚烧气化炉可以分为两大类：一类是设置单独的热解焚烧气化炉，第二类是不设置单独的垃圾焚烧处理炉。第一类气化炉的特点是城市垃圾在热解焚烧气化炉内经过热解焚烧或气化处理后产生的高温烟气可以通入分解炉内加热生料，或作它用如生产热水、蒸汽和发电等，而焚烧炉产生的灰渣排出炉外收集起来可作为水泥的部分替代原料进入水泥窑焙烧成熟料。第二类气化炉一般需要建立垃圾预处理厂对原生垃圾进行干燥脱水、分选、破碎和筛分等精细预处理，其中含有的铁金属等进行资源回收利用，筛分出的可燃筛上物直接作为替代燃料送入分解炉焚烧利用，筛分后筛下的不可燃物可作为水泥生料的部分替代原料。这样可以将城市垃圾的物质和能量全部利用起来，从而降低水泥工业生产过程中资源消耗和能量消耗。单独设置垃圾热解焚烧气化炉的工艺流程如图1所示。

图1 单独设置垃圾热解焚烧气化炉的工艺流程图

该技术路线首先在日本发展起来。日本作为一个岛国，资源贫乏，对城市垃圾的资源化利用处于领先地位，每年产生的城市生活垃圾约80%～90%左右进入垃圾焚烧厂进行焚烧处理，焚烧后产生的飞灰和灰渣则用做建筑材料或作为水泥工业中生料的部分替代原料一起进入水泥窑生产系统中进行烧成处理，最终成为水泥熟料加以利用。国内这一类型的水泥窑协同处置城市垃圾的代表性技术主要有海螺公司的CKK技术，浙江泰来与北京金隅合作研发的热解气化焚烧技术，合肥水泥院研发的回转式焚烧炉与水泥窑联合处理技术等[1-3]。CKK技术由海螺公司与日本川崎公司合作研制开发成功，铜陵水泥厂5000t/d新型干法水泥窑协同处置城市垃圾生产线已成功运行。北京金隅公司在北京太行前景公司3200t/d新型干法水泥生产线进行100t/d城市生活垃圾气化炉的示范线建设和运行调试也已获得成功。该工艺技术的优点在于技术较为成熟，生活垃圾热解焚烧气化处理技术和新型干法水泥生产技术各自的发展历史较长，技术工艺设备等都较为成熟，二者可以很好配套衔接，且该技术可以充分利用城市垃圾的物质和能量资源，焚烧气化炉所产生的能量并不局限于水泥窑本身的生产系统中，还可用于生产热水、蒸汽、发电和制冷等多种用途，对城市垃圾的处理比较彻底，二次污染较少，运行可靠灵活。缺点是需要设置单独的垃圾热解焚烧气化处理系统及其它辅助设备和系统，会增加水泥厂的投资成本和运行管理维护费用，使得整个生产系统更加复杂庞大，实现自动化控制难度增加。

不单独设置垃圾焚烧炉的工艺技术主要以欧美等国为代表。国内这一类型的水泥窑协同处置城市垃圾的代表性技术主要有中材公司的SINOMA技术，华新公司的HXH技术等[4]。中材国际SINOMA技术的工艺流程如下：对城市生活垃圾先进行预处理，将其分选为不可燃物部分(如渣土、砖石等)和可燃物部分(如塑料、纸张、橡胶等)两类，再根据各部分物理和化学特性在水泥生产系统中采取不同处置方式。不可燃物部分作为水泥生产部分替代原料输入原料磨,可燃物部分经机械破碎后输入窑尾分解炉内进行热解焚烧处置。可燃物部分先经过压缩设备挤压脱水，之后再通过皮带输送设备送至料仓，经过取料和计量后通过皮带输送设备送入炉尾分解炉内，在分解炉内可燃物经过880℃以上的焚烧处置，在分解炉内的停留时间一般超过6s。焚烧处置后产生的灰渣则随物料一同进入水泥回转窑内，在高达1450℃左右的高温环境中参与熟料煅烧。不可燃物则先送入缓存储库内，使用螺旋铰刀切割后将出料送入进料皮带上，与其它原料一起在原料磨中混合、烘干和粉磨。之后随原料一起分别进入预热器系统、分解炉和回转窑，在整个水泥炉窑生产系统中停留时间超过30min，且通过850～1450℃的高温灼烧，焚烧之后所产生的灰渣成为水泥熟料的组成部分。华新公司的HXH技术工艺流程大体上与此相似。中材国际研发设计的溧阳水泥窑无害化协同处置450t/d生活垃圾示范线项目已顺利建成投产，运行情况良好，各种污染物排放均符合相关国家标准规定。该技术的优点在于生产系统中不单独设置垃圾焚烧气化装置及其附属设备，可以节约一定的投资成本和运行管理维护费用。通过分选处理得到不同性质的垃圾组分，分别送入水泥窑生产系统不同部位进行不同处置，这样可以最大程度利用城市垃圾的物质和能量，并可减少对外界的污染物排放，避免二次污染。缺点是对收集来的城市混合垃圾需要进行脱水分选处理，一般需要建有专门的脱水分选处理设备，对垃圾进行精细化预处理，这会增加一定的场所、建设成本及运行维护费用。

从以上的分析可以看出，上述两种类型的水泥窑协同处置城市垃圾工艺技术各自具有自己的特性。各水泥生产厂应根据本厂实际生产情况和接收到的城市垃圾物理化学特点，综合考虑附加投资成本、运行维护费用、对最终产品的影响和对外界环境污染物排放等多种因素，从而选择最适合于自身发展的技术工艺。

结 语我国城市生活垃圾分类收集处理尚未得到普及，一般都是混合在一起作为混合垃圾收集处理，具有厨余垃圾多、水分含量高和热值低等一系列不同于西方发达国家城市垃圾的特点。因此，我国水泥窑协同处置城市垃圾不能直接照搬国外经验，应该根据我国城市垃圾的独有特点，探索具有自己特色的协同处置技术。笔者认为我国不分类回收的混合垃圾应先送入垃圾预处理厂，对收集来的原生态垃圾进行破碎、干燥脱水、分选和筛分等精细化预处理，从而得到不同废弃物。可回收的含铁金属资源进行回收利用，可燃物作为替代燃料进入水泥分解炉或回转窑内进行焚烧处理，也可以将可燃物送入单独设置的垃圾热解焚烧气化炉内处置，不可燃物可作为水泥生料的部分替代原料进入水泥炉窑焙烧成熟料，部分不可燃物质不能作为水泥生料替代原料，可用于建筑材料或填埋处理，从而达到城市垃圾处理的“无害化、资源化、减量化、稳定化”的目的，减少水泥生产过程中的物质消耗和能源消耗。

参考资料

本文作者：刘典福，谢军，孙雍春，周超群(安徽工业大学能源与环境学院)

参考资料：

[1]陈晓东，李威，刘海兵，等.生活垃圾气化水泥窑协同处置技术研究及应用

[2]陈伟定.水泥生产过程协同处理生活垃圾技术的应用

[3]袁文献，毛志伟.回转式焚烧炉与水泥窑协同处置生活垃圾技术

[4]尹国明.水泥窑协同处置生活垃圾对水泥生产的影响及应对措施