城市生活垃圾水泥窑协同处置技术应用

1.概述

工业废弃物和农业废弃物因量大、均质，作为工业生产的替代燃料和原料利用具有很多便利条件， 因而处理相对难度较低；而城市生活垃圾由于成分复杂、散乱、均质性差，长久以来的净化处理一直是市政部门的难题。城市生活垃圾的特性随地理地域、生活习性、生活水平和餐饮结构等因素的不同而有较大差异，但通常都包括厨余物、有机可燃物、无机废弃物等几大类，也包括废弃的家具、电脑、电视、电冰箱等生活用品；废旧轮胎、绿化废弃物等。随着人们生活及消费水平的提高，城市垃圾的产生量预计未来10年将翻一番［1］，如何高效彻底净化城市生活垃圾，将是一项艰巨的综合性、系统性的工程，普遍为世界各 国所关注。城市生活垃圾的卫生填埋、焚烧和堆肥处理方法是目前世界各国垃圾处理所采用的主要方法，处理技术及设备都有相应的适用条件，而且或多或少存在垃圾处理后的二次污染问题。

2.水泥窑一体化处理城市生活垃圾技术

水泥预分解窑一体化处理城市生活垃圾技术是垃圾焚烧技术的一种进化。垃圾焚烧处理技术是在焚烧炉中将垃圾燃烧释放热能，将热能回收来供热或发电；烟气净化后排出，焚烧的残渣排出填埋或作他用，特点是处理量大、减容性好、无害化彻底，热能回收作用。但由于焚烧方式的限制，排放烟气的飞灰和焚烧残渣中存在二次污染的可能［２］。为彻底根除垃圾焚烧产生的衍生污染，水泥预分解窑一体化煅烧处理城市生活垃圾将比垃圾焚烧更优化，是迄今垃圾焚烧接近零污染的处理工艺。

⑴ 工艺流程简介

基本的原理是利用水泥熟料高温煅烧的热工环境将各类废弃物“减量化、资源化和再利用”（循环经济的3R原则）；同时在髙温环境下，废弃物本身或衍生的高毒性的成分分解为低毒或无毒的组分，应用于水泥熟料生产的各环节。

城市生活垃圾一体化处理技术（CKK工艺[３]）由三部分功能构成：1）垃圾存储系绫，２）垃圾焚烧气化处理系统，３）焚化气燃料化及废渣原料化；突出特点：１）垃圾无需分拣；２）废渣毋需后处理；３）废气燃料燃焊彻底

图1 一体化处理技术（CKK工艺）工艺流程图

１）垃圾存储系统城市生活垃圾通过专用密闭垃圾车运送到垃圾坑内分区储存、发酵，经过发酵的垃圾用行车进行拌和均化并抓人破碎机进行破碎，破碎后的垃圾用行车送入垃圾供料 系统，定量输送至垃圾气化炉中气化焚烧。垃圾在Ｃ存坑中发酵形成的臭气采用引风机送人垃圾焚化炉，作为垃圾焚化炉的助燃气体；贮存垃圾形成的渗滤液也送入气化炉焚烧，一 方面有机质在炉中发热煅烧，另一方面也一定程度上调节炉温避免炉温过高。

２）垃圾焚烧系统垃圾焚烧采用沸腾炉，进人炉内的垃圾投入高温沸腾床上燃烧，垃圾焚烧产生的热量一部分为沸腾床介质加热，大部分形成可燃性气体提供水泥窑预分解系统中分解炉的燃料。垃圾焚烧形成可燃性燃料气，只要温度控制得当，垃圾中的有害成分大部分分解或降解为无毒或低毒的成分。与纯粹的垃圾气化技术不同，水泥窑处理城市生活垃圾一体化处理技术是将焚化炉气化垃圾作为水泥窑可替代原燃料（AFR）的一个环节：焚化炉气化垃圾的烟气（含飞灰）是作为一种替代燃料（RDF），用于水泥窑预分解炉中（ 通常锻烧分解气体温度多850T）高固气比条件下的物料锻烧分解，而灰渣则作为可替代原料（ARM）用于水泥熟料煅烧环节，需要经历1450℃的物料高温，因此垃圾有毒物的处理和转化更彻底、更洁净［４］。

3）垃圾焚烧废气废渣废液处理水泥窑焚烧垃圾一体化处理技术对垃圾储存、焚烧产生的废液、烟气和炉渣形成了一个系统的处理环节：垃圾Ｃ存形成的废液、臭气引人焚化炉焚烧净化；焚化炉形成的烟气作为替代燃料用于水泥窑预分解系统分解炉的>850℃髙温锻烧；焚化炉的炉渣作为替代原料用于水泥熟料1450℃的髙温煅烧，整个环节对于二噁英的抑制和消减极充分，因此对城市垃圾的净化最为彻底。验收监测的废气二嚼英含量、水泥产品重金属浸出量极低也是很好的证明。

(2)二次污染物消减

１）二次污染物的危害 城市生活垃圾含较髙的氯成分，在特定的焚烧温度条件下易形成含有２个或１个氧键连结２个苯环的含氯有机化合物－二噁英。二噁英可积存于人体并且不能排出，具有强致癌性、损害人体免疫和生殖功能，造成畸形。大气环境中的二噁英90%来源于城市生活和工业垃圾焚烧，因此二噁英成分是垃圾焚烧工程污染物排放控制的重点。二噁英为白色结晶体，熔点302~305℃，500℃时开始分解，800℃时在2s以上完全分解；但高温下分解的二噁英类前体物，在烟气中的氯化铁、氯化铜、碳等的催化作用下，300℃在附近又会迅速重新组合生成二嚼英类物质。二噁英没有极性，难溶于水，具有相对稳定的芳香环，在环境中具有稳定性、亲脂性、热稳定性，同时耐酸、碱、氧化剂和还原剂；其抵抗能力随分子中卤素含量增加而增强，自然环境中的微生物降解水解以及光分解作用对其分子结构的影响均很小，土壤中的半衰期为12a，气态二噁英在空气中光化学分解的半衰期为8.3d，在人体内降解缓慢，主要蓄积在脂肪组织中。

２）消减技术原理 —体化处置技术将垃圾完全气化成含有热值的垃圾气体，气体通入水泥窑系统的分解炉中替代部分燃料燃烧；新型干法水泥窑髙温煅烧、碱性物料多，可以吸收降解垃圾产生的一系列有害物质（如二嗎英等），同时利用新型干法窑的余热发电技术回收焚烧产生的能量。系统中焚化炉燃烧垃圾处于还原性气氛，源头抑制了二嚼英的产生；垃圾成分中的高氯含量是产生二噁英的重要元素之一，通过水泥煅烧环节烟气旁路设置除氯装置，能够去除大部分氯成分从而保持系统内较低的氯浓度，可以显著降低二噁英的合成量。另外 ，垃圾焚化后的可燃性气体在高温分解炉中充分燃烧（分解炉内煅烧温度≥850℃），可燃气中的二噁英可完全分解；二噁英再合成需处于300℃左右的温度环境，水泥一体化处置垃圾系统的热工环境中再次合成二噁英的几率极低。

3.应用效果分析

⑴ 垃圾特性

水泥窑垃圾焚烧需满足特定条件：垃圾热值不能太低，热值不足则需要补燃；垃圾不燃物的含氯量需有所控制，否则将影响水泥质量。

１）物理特性 南方典型城市的城市垃圾通常比重250~400kg/m³；可燃物40%—70%；垃圾发热量3500MJ/kg（850KCal/kg）—100000MJ/kg（2400KCal/kg）。夏季和冬季垃圾中含水量差值较大，含水量多时产生的废水会发出难闻的臭味污染水质，因此垃圾污水需进一步处理；BOD、COD含量较高的垃圾污水通常的处理方法无法根治，还需通过蒸发酸化进行处理。城市 生活垃圾特性指标如表1。

表1 南方典型城市生活垃圾湿含量（湿度，%）

２）垃圾不燃物化学成分 城市垃圾不燃物的显著特点是氯含量较高，GB175－2007《通用硅酸盐水泥标准》限定水泥氯含量限值为0.06%，因此，为保证水泥熟料的质量，需设定垃圾不燃物的掺人量，因而垃圾灰的除氯（盐）系统是必要的设施。南方典型城市城市垃圾经高温煅烧的不燃无机物中氯含量0.435%，作为水泥熟料煅烧生料的掺人料，熟料中的渗人比约 1.78%。不燃无机物的化学成分如表２。

（2）开发实验线应用效果

开发实验线设计规模为2*300t/d城市生活垃圾处理能力，项目一次规划分二期建设。项目一期建设规模300t/d城市生活垃圾处理能力：2008年开工建设，2010年4月达产达标。项目验收检测数据：窑尾排放烟囱废气经规范取样、德国Ｅｕｒｏｆｍｓ ＧｆＡ ＧｍｂＨ实验室检测，二噁英排放量最高值0.0376ngTEQ/m³，优于国家规定的0.1ngTEQ/m³水泥窑排放控制标准；水泥产品重金属浸出量检测值仅镉、铅和铜微增，其余重金属没有变化或有所下降，但都远优（低）于标准限值。根据有关试验研究结果[５]，水泥窑垃圾焚烧煅烧的窑熟料制备的水泥中重金属的可浸出率不大于48%，协同处置固体废弃物的水泥产品是安全可靠的。由于城市生活垃圾中含氯较髙，分解炉中髙固气比的碱性物料吸收也较为充分，容易在水泥预分解窑预热器系统中形成氯循环富集－分解炉烟气旁路灰中氯含量高达6.75%，因此必须设置旁路除盐系统。经测算，水泥窑焚烧垃圾一体化技术的除盐系统本身除盐效率达70%。

表3南方典型项目水泥窑一体化处置垃圾系统验收监测数据

4.小结

水泥预分解窑一体化处置城市生活垃圾是市政废弃物净化的一项有效选择，基本消除二次污染（主要指二噁英），净化高效彻底。水泥窑一体化处置垃圾系统的投运减少了市政废弃物采用诸如普通焚烧、填埋、堆肥等处置方式的投人和处置费用，也大幅降低了二次污染及其处置费用，具有显著的社会和环境生态效益。