水泥窯協同處置城鄉生活垃圾工藝技術

高敏

1 前言

隨著我國城鄉一體化的快速發展，生活垃圾的產生量逐年增多，對環境造成的危害也越來越嚴重，目前利用水泥窯協同處置生活垃圾已成為我國生活垃圾處置的重要發展方向。我國水泥行業發展迅速，技術先進，采用水泥窯協同處置城市生活垃圾已有多年的實踐經驗，具備廣泛處置城鄉生活垃圾的物質和技術條件。將城鄉生活垃圾處置與水泥工業的可持續發展相結合，是低成本、大規模處置城鄉生活垃圾的重要措施，也較為適合我國國情。

2 城鄉生活垃圾一體化收運體系

目前城鎮生活垃圾收運體系已基本成熟，形成了集“垃圾收集—收集站中轉—轉運站運輸—終端處置（衛生填埋、水泥窯協同處置）”于一體的生活垃圾收運處置模式，實現了城鎮生活垃圾的“日產日清”。但農村垃圾收運工作處于起步階段，農村地區面積較大、人口多，且村莊分布相對分散，生活垃圾收集、轉運路線曲折，這嚴重制約了垃圾的有效收集、處置；農村生活垃圾未實行源頭分類，且受地理位置、交通狀況、經濟發展水平等因素影響，生活垃圾處置水平差異較大。總而言之，鄉村地區生活垃圾的收運基本處于無體系管理狀態，末端處理以簡易填埋為主，且存在隨意丟棄現象，因此有必要建立城鄉生活垃圾一體化收運體系，并利用水泥窯協同處置的方法完成城鄉生活垃圾的資源化利用與無害化處置。

針對鄉村的特點，可建立鄉村生活垃圾四級收運體系，具體收運模式如圖1所示。

從圖1可以看出，鄉村生活垃圾收運系統運行方式為：村莊垃圾收集點?村莊生活垃圾收集站?鄉鎮生活垃圾轉運站?終端處置系統（城鄉生活垃圾預處理中心、水泥窯協同處置）。鄉村生活垃圾收集完成后運輸至城鄉生活垃圾預處理中心，預處理完成后通過水泥窯系統完成資源化利用與無害化處置。

圖1 某市農村生活垃圾收運方式流程圖

3 水泥窯協同處置城鄉生活垃圾預處理技術

水泥窯協同處置固廢的范圍較為廣闊，包括城鄉生活垃圾，但同時需要對城鄉生活垃圾進行適當的預處理，以滿足水泥窯協同處置的運行要求。

3.1 城鄉生活垃圾的基本特點

城鄉生活垃圾由城鎮生活垃圾和鄉村生活垃圾兩部分構成，其成分復雜，主要包括廢紙、廢塑料、廢橡膠、竹木、磚瓦、玻璃及石塊等。同時，鄉村生活垃圾的成分與城鎮生活垃圾的主要成分差異較大，而且在采暖季與非采暖季的差異也較大，主要差異見表1、表2。

從表1、表2可以看出，城鎮與鄉村生活垃圾的組分差異較大，鄉村生活垃圾中廚余垃圾含量較高，在采暖季灰渣含量較高。因此，生活垃圾預處理系統必須適應城鄉生活垃圾成分的復雜性和多樣性。

3.2 城鄉生活垃圾梯級分選預處理系統

城鄉生活垃圾梯級分選預處理系統針對城鄉生活垃圾的特性開發，通過多級破碎、梯級分選等工藝過程將城鄉生活垃圾分為三部分，包括：有機可燃物、腐殖物渣土、無機重質物（灰渣、磚瓦、玻璃及石塊等），主要工藝如圖2所示。

表1 某市城鎮生活垃圾組分

表2 某市鄉村地區生活垃圾組分分析，%

圖2 城鄉生活垃圾預處理工藝

從圖2可以看出，該工藝系統特點主要體現在以下方面：

（1）城鄉生活垃圾經過預處理后將生活垃圾分選為三部分：初級RDF、腐殖物渣土、無機重質物，無機重質物經破碎處理后與腐殖物渣土一起送入水泥窯SPF焚燒系統，實現生活垃圾“零填埋”。

（2）風選所得到的有機可燃物經過進一步多級破碎處理，將有機可燃物制成初級RDF，在制備過程中未加入任何添加劑（石灰粉、煤粉等），未經過烘干、成型等傳統工藝，簡化了處置方法。

（3）有機可燃物經過多級破碎形成粒徑≯25mm的初級RDF，為后續的終端處置奠定了良好的基礎。

目前城鄉生活垃圾梯級分選預處理系統已實現工程化應用，獲得了良好的效果，城鄉生活垃圾經過預處理后的篩下物、無機重質物及初級RDF的形態如圖3所示。

圖3 生活垃圾預處理成品形態

4 水泥窯資源化利用與無害化處置城鄉生活垃圾技術與裝備

新型干法水泥窯燒成系統是完成城鄉生活垃圾資源化及無害化處置的重要終端，在水泥窯燒成系統中，各組分礦物通過熟料固相反應，生成了新的礦物——水泥熟料，同時完成了生活垃圾的焚燒和熱回收，實現了水泥窯協同處置城鄉生活垃圾的資源化與無害化。本文所述的水泥窯資源化利用與無害化處置城鄉生活垃圾工藝技術包括三部分，即RDF水泥窯噴射系統、SPF爐水泥窯焚燒系統和水泥窯協同處置生活垃圾二次污染控制技術。

4.1 RDF水泥窯焚燒系統工藝技術及裝備

RDF水泥窯焚燒系統所處置的物料為城鄉生活垃圾預處理后所得到的初級RDF（≤25mm），通過多通道燃燒器（帶RDF通道）將RDF在窯頭噴入回轉窯內，在回轉窯內高溫煙氣（1 700～1 800℃）的作用下，廢棄物迅速焚化，灰分熔入水泥熟料中，實現廢棄物的資源化利用和無害化處置。主要生產工藝流程如圖4所示，主要裝備包括RDF計量與輸送系統、帶RDF通道的多通道燃燒器，分別如圖5、圖6所示。

圖4 RDF水泥窯焚燒系統工藝流程

圖5 RDF計量與輸送裝置

圖6 水泥窯窯頭燃燒器

從圖4可以看出，RDF水泥窯焚燒系統包括RDF的儲存、輸送、計量及噴射入窯，在儲存中采取了多種廢棄物集中存儲的方式，并保持廠房微負壓狀態，所抽取的異味氣體進入異味氣體集中處置系統，采用TiO2催化除臭-活性炭吸附的組合處置方式，處置達標后排放。RDF計量與輸送裝置針對RDF水分較高易粘堵的特點開發，主要包括計量緩沖倉、倉底卸料器、定量供給機及輸送鎖風閥（見圖5）。RDF輸送至計量緩沖倉后，通過倉底卸料器的強制卸料將RDF喂入定量供給機內，定量供給機采用失重計量與強制卸料的方式，經過計量后的RDF通過管道輸送至窯頭燃燒器（見圖6）噴射入窯，在定量供給機與輸送管道之間設有輸送鎖風閥，以防止輸送氣體阻礙RDF卸料。

4.2 SPF爐水泥窯焚燒系統技術與裝備

SPF爐水泥窯焚燒系統針對城鄉生活垃圾預處理系統中的腐殖物渣土特性開發。腐殖物渣土成分復雜，包括灰土、小石塊、磚瓦、玻璃等無機物，也包括部分消化的有機腐殖物與碎片化的塑料與紙片，而且有機碎片與無機灰土處于粘附狀態，既不能噴射入窯，也不能作為替代原料直接入磨，因而腐殖物渣土需要較長的焚燒時間。在水泥窯協同處置的過程中SPF爐水泥窯焚燒系統可以滿足腐殖物渣土的焚燒處理，同時具有廣泛的適應性。具體的工藝流程及裝置見圖7、圖8。

圖7 SPF爐水泥窯焚燒系統工藝流程

從圖7可以看出，SPF爐水泥窯焚燒系統包括廢棄物儲存、廢棄物輸送與喂料、SPF焚燒爐（由SPF預燃爐和水泥窯分解爐組成）及灰渣冷卻器。其主要工藝過程包括：

（1）廢棄物儲存、輸送及喂料。腐殖土灰渣（固體廢棄物）經計量后通過管狀皮帶機輸送至水泥窯窯尾廢棄物焚燒系統，通過雙層鎖風系統后，廢棄物被喂入SPF預燃爐內。

（2）在SPF預燃爐內，采用高溫三次風（≥850℃）作為助燃空氣，并設置了輔助燃燒器，將爐內的溫度控制在850～1 100℃；通過調整SPF預燃爐推桿的運行周期，靈活地調節廢棄物在爐內的焚燒時間。根據實際焚燒要求，可以在2～30min的范圍內調整焚燒時間，以適應腐殖物渣土的焚燒要求，同時滿足其他廢棄物的焚燒要求。腐殖物渣土在SPF預燃爐內焚燒完全后，煙氣進入分解爐內進一步焚燒，而灰渣則進入冷卻器。

圖8 SPF推動式預燃爐

（3）在灰渣冷卻器內，通過逆流換熱，灰渣被冷卻，冷卻空氣被加熱后進入分解爐，完成冷卻后的灰渣則被直接喂入生料磨系統，參與生料配料，完成資源化利用。

目前RDF水泥窯焚燒系統工藝技術及SPF爐水泥窯焚燒系統工藝技術及裝備在某水泥生產線上（5 000t/d）已實現工程化應用，獲得了良好的效果。RDF水泥窯焚燒系統處置能力可達5t/h，SPF爐水泥窯焚燒系統處置能力可達15t/h，水泥生產線運行穩定，熟料質量合格，產量穩定，與未處置生活垃圾時保持一致。

4.3 水泥窯協同處置生活垃圾二次污染控制技術

二惡英是生活垃圾焚燒處置過程中的典型污染物，其“頑固”的特性和劇毒的特點使二惡英的排放成為生活垃圾焚燒處置污染物排放的關鍵指標，同時受到公眾的廣泛關注。因此有效阻斷二惡英的二次污染是生活垃圾焚燒處置污染物控制的重點。本文所介紹的阻斷二惡英二次污染的工藝方法主要包括：對有機物進行充分的高溫長時間的焚燒，使合成二惡英的有機前驅體被焚毀；固化重金屬離子，降低煙氣中重金屬離子的含量；在二惡英后合成溫度區間快速降溫；使用水泥窯窯尾高效袋收塵器。具體體現在如下工藝過程中：

（1）在窯頭RDF水泥窯焚燒系統中，RDF直接噴入回轉窯內。在窯頭高溫區，煙氣溫度高達1 700～1 800℃，焚燒后的煙氣在≥1 200℃的環境中停留時間已達6s以上，實現了對有機物的高效焚毀。焚燒后的灰渣落入水泥熟料中，參與水泥熟料固相反應，重金屬離子熔入水泥熟料的晶格中，完成了對重金屬離子的固化，大幅降低了煙氣中重金屬離子的含量，降低了二惡英后合成的催化能力。

（2）在窯尾SPF爐水泥窯焚燒系統中，廢棄物在SPF預燃爐內完成焚燒，焚燒后的煙氣及細顆粒物進入分解爐。在分解爐內，活性CaO的濃度高達0.5kg/m3（標），脫氯效果明顯，煙氣溫度＞850℃，煙氣停留時間約為6s。可見，SPF系統在煙氣氣氛、煙氣溫度及高溫停留時間方面，均遠遠高于其他生活垃圾焚燒裝置（包括垃圾焚燒發電）煙氣凈化系統。

（3）焚燒后的煙氣進入窯尾預熱器系統后，在二惡英的后合成溫度區間，水泥生料粉與煙氣快速換熱，煙氣溫度迅速下降，實現了煙氣的急冷。

（4）新型干法水泥生產線窯尾收塵器已普遍使用高效袋收塵器，滿足煙氣處置的要求。

通過檢測實際生產線，證實了窯頭RDF水泥窯焚燒系統和窯尾SPF爐水泥窯焚燒系統對二次污染均具有良好的阻斷效果，實際檢測結果如表3所示。

表3 某水泥窯協同處置生活垃圾生產線主要污染物環保監測結果

從表3可以看出，主要污染物的排放指標均優于國標（GB 30485-2013），特別是對二惡英和重金屬的效果明顯，進一步證實了該工藝系統對二次污染優異的阻斷效果。

5 結語

水泥窯協同處置城鄉生活垃圾工藝技術與裝備成功實現了工程化應用，為實現城鄉生活垃圾的一體化處置和“零填埋”的目標，為美麗鄉村的建設作出了積極的貢獻，踐行了水泥行業綠色經濟發展模式，展現了良好的環保效果、社會效益及發展前景。