危險廢物衍生燃料在水泥窯協(xié)同處置的應用分析

苑輝，李惠，趙春芳，李海龍，鄭金召，趙利卿，李勇，林莉

垃圾衍生燃料（Refuse Derived Fuel，簡稱RDF）是指把垃圾進行固體燃料化，加工成熱值更高、更穩(wěn)定的燃料，廣泛應用于干燥工程、水泥制造、供熱工程和發(fā)電工程等領(lǐng)域。目前，應用較多的RDF多為城市垃圾經(jīng)破碎、篩選出不燃物后所得到的，以廢塑料、紙屑等可燃物為主體的廢棄物或?qū)⒖扇紡U棄物進一步粉碎、干燥成型而制得的固體燃料。危險廢物作為固體廢物中的一類，所占比例相對較少，但是如果混入普通垃圾填埋場或直接拋棄至自然環(huán)境中，一旦滲入水體或土壤，隨著生物鏈的富集，對人類和生物將造成嚴重的危害。因此，我國危險廢物有著相對嚴格的管理制度。但是由于部分危險廢物具有較高的熱值，如果采用傳統(tǒng)的處置方式不僅會造成能源上的浪費，而且處置成本相對較高。隨著水泥窯協(xié)同處置危險廢物工藝的日趨成熟及危險廢物衍生燃料（Hazardous Waste Fuels，簡稱HWF）的出現(xiàn)，近些年來人們越來越重視危險廢物的協(xié)同處置。危險廢物衍生燃料有效利用了殘余的熱能，實現(xiàn)了危險廢物減量化(Reduce)、可回收及資源化(Recycle)、再利用(Reuse)的“3R”原則。

1 危險廢物衍生燃料的發(fā)展及應用

圖1 德國1987～2010年衍生燃料在水泥生產(chǎn)過程中的應用

表1 美國采用危險廢物作為替代燃料的水泥企業(yè)一覽表（截止到1997）

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，危險廢物產(chǎn)生量逐年遞增。據(jù)統(tǒng)計，2010年全國許可證中批準的危險廢物處理能力合計1587萬噸，僅有60%左右綜合利用，其他多為貯存，大量危險廢物無法得到有效處置。水泥窯協(xié)同處置危險廢物工藝的出現(xiàn)，有效避免了二次污染的產(chǎn)生，節(jié)約了珍貴的土地資源，同時也為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益[1-2]。而衍生燃料（RDF）的出現(xiàn)，則在很大程度上使垃圾中的能量得到了很好的利用，不僅能夠達到處置的效果，而且節(jié)約了資源。衍生燃料在上世紀50年代在水泥生產(chǎn)過程中得到了首次應用，而危險廢物衍生燃料（Hazardous Waste Fuels，簡稱HWF）是基于垃圾衍生燃料（RDF）提出的概念，在許多發(fā)達國已經(jīng)形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模[3]，部分危險廢物因具有較高的熱值，早在上世紀90年代就被許多發(fā)達國家用在水泥窯的協(xié)同處置過程中。

上世紀80年代后期衍生燃料在德國水泥生產(chǎn)行業(yè)不斷得到應用，圖1總結(jié)了德國自1987年到2010年衍生燃料在水泥生產(chǎn)過程中的應用情況。由圖1可以看出，垃圾衍生燃料的使用在逐年增加，到2010年，衍生燃料的使用已經(jīng)超過了60%[3]，值得注意的是，德國已經(jīng)有接近85%的水泥企業(yè)，其生產(chǎn)中使用的衍生燃料中有相當一部分是來源于危險廢物的。

截止到1997年，美國已經(jīng)有18家水泥企業(yè)使用危險廢物作為替代燃料（表1），這些企業(yè)危險廢物衍生燃料的總消耗量達到1億萬噸。然而，對于危險廢物衍生燃料的使用曾在美國引起了長達兩年之久的爭議。但是，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和一系列關(guān)于廢氣等污染物排放規(guī)范的出臺，目前許多環(huán)境和經(jīng)濟方面的組織對此項技術(shù)的開展深表支持。對于危險廢物衍生燃料的使用，美國國家環(huán)境保護局（USEPA，U.S.Environmental Protection Agency）也在不斷地對相關(guān)的監(jiān)管辦法進行改進。為了能夠適應危險廢物衍生燃料的使用，美國國家環(huán)境保護局出臺了新的規(guī)定，更加嚴格地對其污染排放進行限定。這些法律法規(guī)的頒布，極大地促進了危險廢物作為替代燃料在水泥生產(chǎn)過程中的應用。

到2007年，部分發(fā)達國家水泥行業(yè)燃料替代比例較高，如圖2所示。其中歐洲地區(qū)平均的燃料替代比例達到了19.4%，在部分西歐國家該比例超過了30%[4]。比利時危險廢物預處理設施于2010年中期開始運行，通過將液態(tài)、固態(tài)以及半固態(tài)危險廢物與木屑混合，生產(chǎn)的高性能的衍生燃料產(chǎn)量高達120000t/年[5]。

2 適用于衍生燃料的危險廢物

并不是所有的危險廢物都能用于水泥窯的協(xié)同處置。目前，歐洲地區(qū)尚未明確規(guī)定哪一種危險廢物適用于水泥窯協(xié)同處置。但是對于不能用于協(xié)同處置的危險廢物已基本上達成了共識，其主要目的除了保證水泥生產(chǎn)的正常運行以外，還要保障相關(guān)人員的人身安全。目前，具有如下特性的廢物暫時不能用于水泥窯的協(xié)同處置，必須排除在外[5]：

圖2 部分發(fā)達國家水泥行業(yè)燃料替代比例

? 自發(fā)聚合物廢料（Spontaneously polymerizing waste）

? 易自燃的廢物（Self ignitable waste）

? 釋熱廢物（Heat generating waste）

? 易爆廢物（Wastes with explosive components）

? 惡臭廢物（Wastes with disgusting odour）

? 衛(wèi)生危險廢物（Hygienically risky waste）

? 含有石棉的危險廢物（Asbestos containing waste）

? 釋放有毒氣體或粉塵的廢物（Wastes which release toxic gases or dusts）

目前RDF的分類基本上是按照美國ASTM(American Society for Testing and Materials)對RDF所做的分類定義[6]，其性質(zhì)也會隨著地域、生活習慣、經(jīng)濟發(fā)展水平等因素的不同而不同。通常其組成為紙68.0%，塑料膠片15.0%，硬塑料2.0%，非鐵類金屬0.8%，玻璃0.1%，木材、橡膠4.0%和其他物質(zhì)10.0%。而我國垃圾發(fā)熱值較低，通常在 4000～6000kJ/kg，水分含量較高，通常高達40%～60%，灰分在20%～50%之間，其燃燒溫度通常達不到垃圾焚燒爐標準規(guī)定的850℃[7]。在經(jīng)過加工處理之后，RDF的水分通常在30%～35%以下，灰分在12%～25%之間，揮發(fā)分在55%～75%之間，固態(tài)碳在7%～13%之間，其發(fā)熱量約為12500～17500kJ/kg，燃點約210～230℃。而對于RDF的制備，目前我國最大的難點在于垃圾的分類制度的實施，由于垃圾分類在我國大部分城市沒有得到完全普及，造成了RDF加工難度和成本的增大。

然而相對生活垃圾，危險廢物的管理與分類則在一定程度上有了嚴格的規(guī)定，大部分危險廢物在收集后往往已經(jīng)進行了明確的分類。在能夠應用于水泥窯協(xié)同處置的危險廢物中，有一部分能夠作為衍生燃料替代一部分傳統(tǒng)燃料。在歐洲，已用作水泥窯衍生燃料的危險廢物主要來源于工業(yè)廢物，如工業(yè)污泥、廢油、油泥、切削廢渣、灰渣、廢木材等[3]。目前，歐洲地區(qū)對于能夠作為替代燃料的危險廢物進行了一個較為明確的規(guī)定，表2對其進行了較為系統(tǒng)的總結(jié)[5]。歐洲地區(qū)對于危險廢物的分類與我國有所不同，如表2中列出的食用油脂廢物、油脂等在我國是不屬于危險廢物的范疇的。但值得注意的是，我國《國家危險廢物名錄》主要適用于對危險廢物產(chǎn)生行業(yè)的管理，在針對危險廢物處理要求的分類還存在一定的不足。不過，表2中所列的大部分危險廢物名單已經(jīng)包含在我國的《國家危險廢物名錄》之中。對應我國《國家危險廢物名錄》中的木材防腐劑廢物（HW05）、有機溶劑廢物（HW06）、廢礦物油（HW08）、油/水、烴/水混合物或者乳化液（HW09）、染料、涂料廢物（HW12）、含 酚 廢 物（HW39）、含 醚 廢 物（HW40）、其他廢物（HW49）等八類，其中以廢礦物油（HW08）和油/水、烴/水混合物或者乳化液（HW09）這兩類危險廢物為主。

表2 主要用于水泥窯協(xié)同處置的危險廢物衍生燃料的危廢名單（源自于瑞士聯(lián)邦環(huán)境署，2005年經(jīng)聯(lián)邦環(huán)境署/聯(lián)邦環(huán)境局批準）

3 采用危險廢物衍生燃料的優(yōu)缺點分析

與原生危險廢物直接焚燒相比，衍生燃料不僅具有體積小、密度高、臭味小、便于運輸和儲存等特點，并且燃燒性能相對于未加工過的危險廢物更加穩(wěn)定且熱值較高，產(chǎn)生的二次污染也有很大程度的降低。在經(jīng)過預處理等加工工序后，在一定程度上能夠降低HCl的排放，減輕了對設備的腐蝕，同時也降低了二惡英等有害污染物的排放。其主要優(yōu)點如下：

（1）便于統(tǒng)一運輸和貯存，由于將危險廢物加工成固體燃料，其運輸車輛和貯存條件將得到標準化的建設，不會因危險廢物的種類受到限制，同時也降低了長期貯存和長途運輸?shù)某杀尽?/p>

表3 部分常見危險廢物理化性質(zhì)一覽表[8-10]

（2）采用水泥回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置危險廢物由于具有溫度高、停留時間長、湍流強度大等優(yōu)點，能夠完全去除危險廢物，同時由于危險廢物的形狀和性狀得到均一，能夠保持一定的燃燒性能，在一定程度上提高了熱效率。

（3）由于加工后的危險廢物的燃燒相對穩(wěn)定，大大降低了二惡英等有害物質(zhì)的產(chǎn)生。

（4）焚燒后大部分殘渣能夠固化在熟料中，減少了焚燒殘渣的二次污染。

（5）替代一部分傳統(tǒng)原料和燃料，在一定程度上節(jié)約了能源。

（6）避免了填埋等處置手段造成的土地資源的浪費，降低了危險廢物泄露對自然環(huán)境、生物、人類的危害。

但是，鑒于加工和預處理的成本較高，采用危險廢物作為衍生燃料用于水泥窯生產(chǎn)同時具有如下缺點:

（1）與水泥窯常用燃料（如煤）相比，危險廢物衍生燃料制備提取過程相對困難，處理設施的建設成本相對較高，且具有一定的投資風險。

（2）需要建立相應危險廢物運輸、貯存、輸送等配套系統(tǒng)，投資較大。

（3）對于某些成分不明確的危險廢物入窯處置，極有可能對正常的生產(chǎn)造成影響，因此，在入窯前，要將不明成分的危險廢物剔除，這在一定程度上加大了預處理和檢測的成本。

（4）某些危險廢物燃燒會產(chǎn)生殘渣，對重金屬含量等有害因素需要進行全面評估，以避免殘渣進入熟料后，對產(chǎn)品造成不良影響。

（5）某些危險廢物在燃燒后會產(chǎn)生有毒性的煙氣或粉塵，因此需建立昂貴的煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)。

綜上分析，雖然危險廢物衍生燃料在水泥窯中的應用在危險廢物處置、環(huán)境保護、資源可持續(xù)利用等方面具有非常明顯的優(yōu)點，但是由于預處理設施建設和某些檢測的成本相對較高，以及有關(guān)政策制度的不完善，其在國內(nèi)的發(fā)展還受到一定程度的制約。但是，隨著危險廢物資源化利用不斷受到人們的重視，以及協(xié)同處置、預處理設施等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，其所具有的潛在優(yōu)勢將越來越受到人們的重視。

4 我國危險廢物現(xiàn)狀分析

目前，我國對于危險廢物的利用也進行了大量研究，通過對不同種類的危險廢物燃燒性能的測試發(fā)現(xiàn)，部分危險廢物具有較高的熱值，在經(jīng)過一定的預處理后，能夠作為衍生燃料使用。表3列舉了部分常見的危險廢物理化數(shù)據(jù)。從表3的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，這些危險廢物往往具有較高的熱值，部分高達10000kJ/kg以上。因此，預處理之后能夠?qū)崿F(xiàn)水泥廠替代燃料的功能。

5 結(jié)語

水泥生產(chǎn)過程需要消耗大量的能源，同時產(chǎn)生大量的溫室氣體，其中有相當一部分CO2源自于石灰石的分解，這對人類賴以生存的環(huán)境造成了很大的壓力。自20世紀80年代以來，廢油以及廢舊輪胎作為衍生燃料在水泥行業(yè)得到應用，隨著預處理技術(shù)的不斷進步，越來越多具有較高熱值的危險廢物成為水泥生產(chǎn)的替代燃料，與此同時，大量混合了鋸末和垃圾的危險廢物成為了具有很高熱值的危險廢物衍生燃料。借助于水泥窯協(xié)同處置的優(yōu)勢，我們應該在吸收、借鑒國外先進技術(shù)的同時，結(jié)合我國的實際狀況，在加大政策和宣傳的基礎(chǔ)上，開發(fā)適合我國國情的危險廢物衍生燃料（HWF）的制備技術(shù)，在利用熱值的同時降低危險廢物污染物的排放，逐步使我國危險廢物協(xié)同處置走上產(chǎn)業(yè)化道路。

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