水泥窯協同處置固體廢物清潔生產水平分析

魏志剛+潘永寶+吳魁+馬超

摘要：以勉縣水泥窯協同處置固體廢物項目為例，對其生產工藝與裝備要求、資源能源利用指標、產品指標、污染物產生指標（末端處理前）和廢物回收利用指標等五大定量指標進行了分析，以評價項目其清潔生產水平。

關鍵詞：水泥窯；協同處置；清潔生產；危險廢物；污泥

1 引言

隨著我國經濟的快速發展和城鎮化進程的不斷深入推進，固體廢物的處置問題日益成為一件影響經濟可持續發展的大事，如何高效、合理地處置日益增多的固體廢棄物，也是擺在管理者面前一個亟待解決的難題。西安某科技公司主要業務范圍為利用水泥窯協同處置城市生活垃圾、污泥和工業廢棄物，建筑材料的循環利用，環保技術的咨詢和服務。該公司擬充分利用堯柏水泥布局全國的各水泥生產基地，依托漢中勉縣堯柏水泥公司先進的水泥窯生產線和得天獨厚的地理優勢，建設年協同處理有機危廢50 t/d、無機危廢100 t/d項目，以大大提升水泥行業綠色發展、可持續發展的能力，并進一步推動中國水泥工業綠色、環保轉型的進程。

2 生產工藝與裝備要求

2.1 利用水泥窯協同處置城市生活污泥處理工藝先進性

世界污泥處理已經歷了一個多世紀的發展，在發達國家已形成了較完善的處理模式，但污泥處理不單是一個處置問題，怎樣合理、有效地實現處置，怎樣在可持續發展的戰略要求下實現資源的再生與利用，是合理設計污泥廠的核心[1]。我國城市污泥處理起步較晚，污泥無害化處理能力較低。近幾年，隨著各級政府對環境保護的重視，污泥無害化處理呈加速發展趨勢。目前我國城市污泥處理技術主要以衛生填埋為主，有條件的城市正逐漸發展堆肥處理和焚燒處理[2]。

利用水泥窯燒成系統處理城市污泥正好可以幫助水泥廠解決節能和降耗等問題，降低了對傳統的不可再生燃料和自然資源的開采，減少了對環境和資源的破壞，減少了生活和工業污泥對自然環境的污染，避免了填埋和焚燒等處理方式對環境的二次污染等。水泥窯是現存最好的固體廢棄物焚燒窯爐，不需要新建污泥焚燒爐和發電處理工藝中的尾氣凈化處理裝置和廢渣處理裝置，處理過程不依賴于污泥熱值的高低。因此利用水泥燒成系統處理城市生活污泥是一種“雙贏”的處理方式，有利于實現資源的再利用和經濟的可持續發展[3]。城市生活污泥各種處理方法比較見表1。

國外利用水泥回轉窯處理各類廢棄物已有幾十年歷史的成熟經驗，美國、歐洲、日本等發達國家已有幾十家水泥廠將城市生活污泥作為替代原料和燃料，其替代量可達20%～40%[4]。韓國、巴西、墨西哥以及我國臺灣省等中等發達國家和地區，利用水泥回轉窯處理城市廢棄物替代傳統化石燃料的比例也相當高。德國和日本在處理生活污泥的技術上一直處于領先地位。據美國和德國國家環境保護局對水泥回轉窯的監測表明，水泥回轉窯使用污泥替代原燃料不僅對環境沒有危害，而且被列為現有的最佳示范技術。利用水泥回轉窯處理生活污泥，只需在現有水泥生產線基礎上進行適當改造，再增加污泥預處理設備，與新建專用焚燒廠相比，項目投資小，可節約大量的資金投入[5]。

2.2 利用水泥窯協同處置危險廢物先進性

（1）水泥回轉窯內的物料溫度在1450℃左右，而氣體溫度則高達1800 ℃，在高溫下危廢中的有毒有害成分可徹底分解，對于處置POPs類有機物的條件較好。另外，燒成系統中氣體流速較大，氣流湍流度達，有利于危廢的分散，保證危廢與高溫煙氣的充分接觸，使危廢處于高溫流態化燃燒過程，有利于危廢的完全燃燒分解，避免產生有毒氣體。

（2）水泥回轉窯筒體長，危廢在回轉窯高溫狀態下停留時間長。根據統計數據，物料從窯尾到窯頭總的停留時間在35 min左右，氣體在大于950 ℃以上的停留時間在12 s以上，高于1300 ℃以上的停留時間大于3 s，更有利于危廢的燃燒和分解。水泥回轉窯是一個熱容大、十分穩定的燃燒系統，不易受危廢投入量和性質的變化影響生產操作。

（3）生產水泥過程CaO以懸浮態均勻分布在系統中，加上顆粒細、濃度高極具吸附性，這就決定了燒成系統內的堿性固相氛圍，可將SO2和Cl-等酸性化學成分

化合成鹽類固定下來，有效地抑制了酸性物質的排放，減少或避免了焚燒處理后產生二噁英類的現象。以年處置工業危險廢物約8萬t的北京水泥廠為例，經中國科學環境監測中心對窯尾廢氣中二噁英濃度監測，二噁英的排放濃度監測值僅為0.0005 ngTEQ/Nm3，遠低于相關標準0.1 ngTEQ/Nm3的限值。

（4）利用水泥回轉窯處理危廢是各種處理方式中唯一沒有廢渣排放的處置方式，可徹底實現廢物的減量化。

（5）利用水泥回轉窯處理危廢，可以將危廢中的重金屬離子固化在熟料礦物中，避免了重金屬再度滲透、擴散污染水質和土壤。

（6）部分熱值較高的危廢可作為水泥生產替代燃料使用，從而減少了水泥工業對燃煤的需求量。

（7）現有的水泥工業燒成系統和廢氣處理系統，具有較高的吸附、沉降和收塵處理特性，可滿足相關環保排放標準要求。

（8）與新建專用焚燒廠相比，利用水泥回轉窯處理危廢，只需要增加廢物預處理設備，可節約大量的資金投入。可見，利用水泥窯協同處置危險廢物，是一項具有眾多優勢的環境保護處置技術，是廢物無害化、一站式最終處置的最佳選擇。

2.3 設備優勢明顯

該項目危廢燒成處置利用漢中勉縣水泥廠新型干法水泥窯，從水泥生產的角度看，新型干法水泥窯與其他窯型相比具有巨大的優勢，具有熱耗低、生產效率高、單機生產能力大、生產規模大、窯內熱負荷小、窯襯壽命長、窯運轉率高等優點，代表了當代水泥工業生產水泥的最新技術，是水泥產業結構調整的方向。從廢物協同處置的角度看，相比立窯，回轉窯具有明顯優勢。對于回轉窯來說，無論什么窯型，熟料煅燒都需要經過干燥、粘土礦物脫水、碳酸鹽分解、固相反應、熟料燒結及熟料冷卻結晶等幾個階段，各階段的氣固相溫度也基本相同。回轉窯內固有的氣固相溫度和停留時間都足以實現廢物的無害化處置。而立窯無論是窯內氣固相溫度分布、氣固相停留時間、氣氛以及火焰特點都與回轉窯有較大差異，廢物中的有機物和重金屬極易隨煙氣排入大氣，適合協同處置廢物種類一般僅限于以替代原料為目的的常規工業固體廢物和鉻渣。新型干法回轉窯相比其他回轉窯具有廢物投料點多，分解爐內分解反應對溫度要求低，廢物適應性強；氣固混合充分，堿性物料充分吸收廢氣中的有害成分，“洗氣”效率高，廢氣處理性能好；NOX生成量少，環境污染小等優點。因此，綜合考慮水泥生產和廢物協同處置，新型干法回轉窯是適合廢物協同處置的最佳窯型。

3 資源能源利用指標

勉縣水泥窯協同處置固體廢物項目新增用電負荷約180 kW，其中高溫風機電耗增加量5.2 kW·h/t固廢，窯尾排風機電耗增加量4.9 kW·h/t固廢，新增設備電耗28.8 kW·h/t固廢。折合綜合增加電耗為38.9 kW·h/t，年增加電耗1.93×106 kW·h。年總能耗折合標準煤為1692.94 t/a，固廢處理的噸耗能為1693.32×1000÷49500=3.21 kgce/t固廢。水泥窯協同處置固體廢物后，粘土的用量減少了30688.1 t/a，可節約一定量的土地資源。

4 產品指標分析

利用水泥窯協同處置固體廢物必須以不影響水泥產品的品質為前提，因此要分析協同處置固體廢物中的硫、氯、堿含量，評估對水泥質量的影響，通過對水泥廠的原燃料品質及配料方案進行調整，確定合理的加入比例。其處置過程要求對有害的硫、氯、堿含量，嚴格按照水泥行業的控制標準，折合至入窯生料其硫堿元素的當量比S/R應控制在0.6～1.0左右，Cl元素則控制在0.02%以下，（K2O+NaO）應小于1.0%。

根據溧陽天山水泥有限公司的實際生產統計數據，協同處置城市生活污泥后，水泥熟料的1 d、3 d及28 d抗壓強度均保持原有水平，熟料中f-CaO的含量也在正常范圍內波動，實現了熟料質量的控制目標要求。對于焚燒后危險廢棄物對水泥品質的影響，目前在北京、上海，廣州等地已經進行了多次工業試驗，為工業化大規模處置利用危險廢棄物及其他廢棄物奠定了基礎。北京水泥廠處置廢棄物，將危險廢棄物投入水泥窯焚燒，并對投入后水泥的品質進行了對比，見表2和表3。

從表2和表3可以看出，水泥窯投入危險廢棄物后對水泥品質影響不大。另外，通過工程實踐表明，利用危險廢棄物和危險廢棄物焚燒灰制造出的水泥，與普通硅酸鹽水泥相比，在顆粒度、相對密度等方面基本相似，而在穩固性、膨脹密度、固化時間方面表現較好。

5 污染物產生指標

水泥窯焚燒固體廢物煙氣通過高溫堿性環境、SNCR脫硝系統、布袋除塵器、增濕塔以及余熱發電鍋爐等措施后，經104 m煙囪高空排放。水泥窯窯尾排氣筒大氣污染物中顆粒物、二氧化硫、氮氧化物和氨能夠滿足《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB4915-2013）的表1中規定的大氣污染物排放限值；氯化氫（HCl），氟化氫（HF），汞及其化合物（以Hg計），鉈、鎘、鉛、砷及其化合物（以Tl+Cd+Pb+As計），鈹、鉻、錫、銻、銅、鈷、錳、鎳、釩及其化合物（以Be+Cr+Sn+Sb+Cu+Co+Mn+Ni+V計）、二噁英類等滿足《水泥窯協同處置固體廢物污染控制標準》（GB30485-2013）表1規定的大氣污染物最高允許排放濃度。

水泥窯的熱穩定性很強，在焚燒少量的危險廢物時不會改變爐內的燃燒工況，焚燒廢物不會改變原工程煙塵、NOX、CO等因子排放的達標現狀。水泥窯內呈堿性環境，焚燒產生的SO2、HCl、HF等酸性氣體會被大量的吸收，從而大大降低焚燒尾氣中的酸性氣濃度。利用SNCR脫硝系統進一步去處煙氣中的NOX，可將NOX濃度控制在400 mg/Nm3以下。廢物中的重金屬絕大部分被固化在水泥熟料中。

項目生產廢水主要為車間、車輛沖洗廢水，與有機危廢一并泵入水泥窯焚燒處置。有機危廢車間均密閉設置，廢氣經集氣罩負壓收集后通過管道鼓入水泥窯焚燒處置，逸散量很小。運營期產生的噪聲通過采取建筑隔聲、消聲、減振等措施后，廠界噪聲可達標排放。

6 廢物回收利用指標

利用水泥窯協同處置固體廢物，所用原料均為廢物，實現了廢物的“無害化、減量化、資源化”。

7 結論

勉縣水泥窯協同處置固體廢物項目利用水泥窯協同處理固體廢物，屬廢物回收利用項目，處理工藝先進，設備優勢明顯，產品指標滿足相關要求，各類污染均可達標排放，清潔生產水平屬于國內先進水平。

參考文獻：

[1]蔣明麟.大力推進水泥回轉窯處置和利用廢棄物技術的應用發展[J].中國水泥，2006（11）：24～28.

[2]胡芝娟，沈序輝.利用水泥窯處置城市工業廢棄物技術研究與應用資源節約與環保[J].中國水泥，2008，24（6）：36～38.

[3]田 巍，張 覬.利用水泥窯處置工業廢棄物及城市生活污泥的技術研究和應用[J].中國水泥，2006（11）.

[4]何 捷，崔敬軒，蕭 瑛，等.水泥窯協同處置固體廢物項目進展[J]. 中國水泥，2016（10）：79～81.

[5]劉 姣，李斯婷，修 莎，等.水泥窯協同處置污泥研究進展[J].環境與生活，2014（14）：224.