國外水泥工業(yè)消納廢棄物的現(xiàn)狀(上)

韓仲琦

1 前言

（1）“水泥窯協(xié)同處置廢棄物”，是國外水泥工業(yè)發(fā)達國家在20世紀90年代初提出的一種水泥工業(yè)使用廢棄物的方式，它是指將能滿足回轉(zhuǎn)窯煅燒要求的廢物（含固態(tài)、液態(tài)、半液態(tài)工業(yè)廢棄物、城市垃圾、污泥及危險廢棄物等）投入水泥窯，在進行水泥熟料生產(chǎn)的同時對廢物進行高溫無害化處理。隨著技術(shù)的發(fā)展、廢棄物的種類增加和范圍的擴大，與其適應的標準規(guī)范和法規(guī)政策，也逐步得到完善，“水泥窯協(xié)同處置廢棄物”現(xiàn)已成為水泥生產(chǎn)企業(yè)的一種優(yōu)選模式。日本、德國、美國、丹麥、瑞士、法國、英國、意大利、挪威、瑞典、加拿大等發(fā)達國家，先后采用了這種技術(shù)，近30年來出現(xiàn)了多種范例并積累了一些經(jīng)驗。日本、歐洲一些水泥企業(yè)的廢物替代率可達50%左右，水泥窯的“替代燃料”達到20%～40%。此外，韓國、巴西、墨西哥、印度尼西亞、泰國、摩洛哥、巴基斯坦、印度等，也都加入了這一行列。

（2）水泥是一種重要的基礎原材料，為經(jīng)濟建設和人類文明做出了巨大貢獻，然而隨著經(jīng)濟體系的不斷發(fā)展，水泥產(chǎn)業(yè)越來越受到了環(huán)保壓力，在顛覆性水泥生產(chǎn)技術(shù)出現(xiàn)之前，“水泥窯協(xié)同處置廢棄物”可能成為水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，各國都在關注這一領域的發(fā)展，并在深入探索消納廢棄物與水泥生產(chǎn)之間的關系。

（3）我國水泥科技工作者在20世紀90年代后期，開始研究探索水泥工業(yè)處置廢棄物的問題，在吸取國外成功經(jīng)驗的基礎上，開展了水泥窯系統(tǒng)協(xié)同處置工業(yè)危險廢棄物、生活垃圾及城市污泥的基礎研究及應用工作，現(xiàn)已取得很大進展，取得一批專利技術(shù)，建設了不同類型的多條示范線。隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的深入調(diào)整，落后產(chǎn)能逐步退出舞臺，“協(xié)同處置”將會有更快的進展。

（4）“水泥窯協(xié)同處置廢棄物”（本文以下簡稱“協(xié)同處置”）的內(nèi)涵包括兩層意義：其一是，水泥工業(yè)從替代燃料和替代原料的收益中，可以減少化石類燃料的能源消耗或減少天然化石類原料的資源消耗，是對環(huán)境友好的表現(xiàn)。但“協(xié)同處置”也使得傳統(tǒng)水泥企業(yè)流程變復雜。“協(xié)同處置”另一層意義是，可以減少社會廢物的無害化處理量，可以減少傳統(tǒng)垃圾焚燒廠的數(shù)量和填埋場的數(shù)量。總的來說，“協(xié)同處置”的社會意義更為重要。

（5）本文以下介紹了國外“協(xié)同處置”的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，如協(xié)同處置廢棄物的各種模式和范例、法律法規(guī)體系、“協(xié)同處置”的延伸研究及與環(huán)境關系的深層次研究等。在文章的最后，筆者提出了推進“協(xié)同處置”要關注的事項，供讀者參考。

2 國外“協(xié)同處置”的模式和研究

2.1 日本的范例和研究

2.1.1 概說

2018年日本共有17家水泥公司30家工廠，年熟料生產(chǎn)能力約5 500萬噸。日本每年約產(chǎn)生6億噸廢棄物，其中約一半得到了循環(huán)利用，而循環(huán)利用量的十分之一由水泥工業(yè)“協(xié)同處置”。

水泥產(chǎn)業(yè)一直積極地把廢輪胎、粉煤灰等其他產(chǎn)業(yè)的廢棄物作為代用燃料、代用原料或以混合材形式使用，最近下水污泥、垃圾焚燒灰和城市垃圾也得到了積極采用，從2001年開始處理肉骨粉，并在全日本得到推廣。日本水泥廠用的廢棄物熱回收率可達70%。

日本水泥協(xié)會從1996年開展了“環(huán)境自主行動計劃”，其中有3項內(nèi)容與“協(xié)同處置”有關：

（1）提高替代燃料的使用量

從社會效益看，會減少化石類燃料的消耗，減少溫室氣體CO2生成量。

（2）擴大使用各種廢棄物

利用含有CaO的廢棄物，不但可以消減CO2排放量，還可對循環(huán)經(jīng)濟社會作出貢獻。

（3）增加混合水泥的產(chǎn)量

日本的混合水泥是指摻加混合材的水泥（即我國的普通硅酸鹽水泥），由于比波特蘭水泥的熟料使用量少，可減少燒成的熱耗和減排CO2。

日本關于廢物的定義是這樣的：根據(jù)日本廢棄物處理法的規(guī)定，水泥工廠可以接受處理“廢棄物種類”的廢棄物，而“副產(chǎn)物”是指廢棄物以外的水泥廠可接受處理的廢物。日本處理量超過100萬噸的廢棄物是：礦渣、粉煤灰、污泥、副產(chǎn)石膏、建筑廢土、焚燒灰。現(xiàn)在每噸水泥使用的廢棄物約達到500kg，包括替代燃料、替代原料、混合材的使用量。一般處理量比較少的廢棄物包括：廢酸、廢堿、碎玻璃、廢陶瓷、罐頭盒、RDF、RPF。

2.1.2 應用研究

在21世紀初，日本針對城市垃圾急速增加的問題，結(jié)合國情對城市垃圾的“協(xié)同處置”進行了應用研究，建立了3種處理模式，對水泥工業(yè)做出了一定貢獻，簡述如下：

（1）水洗垃圾飛灰氯

此方法由日本埼玉縣、熊谷市和秩父小野田公司合作研究，解決垃圾焚燒飛灰中的高氯問題，濾液與回轉(zhuǎn)窯廢氣中的CO2反應產(chǎn)生沉淀，經(jīng)壓濾后可作為粘土的替代品使用，生產(chǎn)硅酸鹽水泥。

（2）以城市垃圾焚燒灰（焚燒渣）和下水污泥等作為水泥的主原料

這種水泥定義為“生態(tài)水泥”，最先由市原水泥廠生產(chǎn)，在日本已制定工業(yè)標準并用于工程實例。生態(tài)水泥最大限度地利用了焚燒灰的有用成分，1t水泥約使用垃圾焚燒灰和下水污泥500kg，燒成時產(chǎn)生的二噁英類毒素可在回轉(zhuǎn)窯1 350～1 500℃的高溫中分解。

（3）原生態(tài)城市垃圾發(fā)酵處理法

這種方法是不對城市垃圾分類處理，城市垃圾直接運到水泥廠通過發(fā)酵處理后便作為水泥的補充原料和燃料進入回轉(zhuǎn)窯煅燒成熟料。此技術(shù)由日本太平洋水泥公司開發(fā)，在埼玉水泥廠進行了工業(yè)實驗，年處理垃圾量為1.5萬噸。

2.1.3 “協(xié)同處置”的深入研究

在產(chǎn)能過剩情況下，兩年一次的全日本“水泥技術(shù)大會”持續(xù)召開，2019年5月在東京召開第73屆大會。在“面對下一個100年”的口號下，提出了多項可研討的課題。水泥與環(huán)境領域的研究重點是替代燃料、高效利用廢棄物和減少環(huán)境負荷的影響。目前已進行的兩項基礎研究是：

（1）廢棄物與水泥熟料質(zhì)量的關系

使用廢棄物的水泥產(chǎn)品中，Al2O3的成分較多，所以今后要考慮的是，水泥中“間隙質(zhì)”的增加問題，“間隙質(zhì)”較多的話將對凝結(jié)時間、水化熱、流動性、最終強度、收縮率造成影響，故應研究其影響關系，找到對應措施。另外，“間隙質(zhì)”對水泥熟料燒成的節(jié)能作用，其研究成果可能促進廢棄物的應用。

（2）混合材的研究

摻入混合材是“協(xié)同處置”中替代原料的問題，在控制一定量的情況下，加入石灰石等混合材與廢棄物混合，能保證水泥的性能不變，從而實現(xiàn)廢棄物的可利用性與低碳化的平衡，是“協(xié)同處置”的新研究內(nèi)容。

2.2 德國的模式

2.2.1 循環(huán)流化床熱解廢棄物方法

20世紀80年代中后期，德國伯利休斯、洪堡等公司已進行了一系列工業(yè)性試驗，研究利用水泥窯處置垃圾、廢輪胎及其他可燃性工業(yè)廢棄物的相關技術(shù)，取得了一定的成功，并開始用于工業(yè)生產(chǎn)。1995年漢堡附近的一臺4 500t/d水泥回轉(zhuǎn)窯開始投產(chǎn)用來處理生活垃圾，柏林水泥廠因焚燒大量的垃圾及有害物，大大降低了水泥產(chǎn)品成本。

德國Rüdersderf水泥廠，每年處理廢棄物作為替代原燃料量在24萬噸以上。廢棄物主要是舊木材、塑料、橡膠、粉煤灰、鑄造廢砂、高爐爐灰等。廢棄物的處理設備主要是熟料車間的循環(huán)流化床，對廢棄物的質(zhì)量有著一定要求，控制指標見表1和表2。

可燃廢棄物通過氣控熱分解形成可燃氣體，采用循環(huán)流化床焚燒廢棄物有許多優(yōu)點，如廢棄物在流化床內(nèi)可充分氣固混合，停留時間較長，可保證固體可燃物充分氣化所需的反應時間，可以進行很好的氣固熱交換，并且熱解氣體的輸出對廢棄物的投料量和窯的操作波動狀況不敏感。

此外，該廠還對生產(chǎn)過程中形成的廢棄物，進行了很好的分類，進行再利用或循環(huán)再生，不向環(huán)境提供廢棄物。

表1 Rüdersderf水泥廠原燃料重金屬含量要求，%

表2 Rüdersderf水泥廠替代燃料廢棄物性能要求

2.2.2 洪堡“協(xié)同處置”技術(shù)

2012年在德國亞琛舉辦的第六屆國際水泥燃料大會上，洪堡公司獲得“最具創(chuàng)新性替代燃料技術(shù)”大獎，德國洪堡的回轉(zhuǎn)窯燃燒器適合在回轉(zhuǎn)窯上焚燒多種替代燃料，保證一次風量低和低氮運行。其最新開發(fā)的AFR燃燒器，可使用多種類替代燃料并具有較高的替代燃料比率。另外，在分解爐燃燒替代燃料技術(shù)上，能適應粗顆粒或塊狀的替代燃料，其預燃室能夠確保燃料完全燃盡，確保替代燃料在燃燒室的停留時間，所以適合高替代燃料比使用。根據(jù)替代燃料的氯、硫等有害成分的含量，還有阻隔氯和硫循環(huán)富集的預案。這樣的燃燒爐很適用于非常難以點燃且燃燒性差的劣質(zhì)燃料，例如劣質(zhì)無煙煤、石油焦、劣質(zhì)二次燃料或廢棄物衍生燃料等。由于這樣的燃燒室對燃料質(zhì)量和燃料制備的要求低，所以在實際應用中，分解爐幾乎可以達到100%的替代燃料利用率。

2.2.3 物料預處理系統(tǒng)

物料預處理系統(tǒng)（Shredding-Mixing-Pumping System）是為解決工業(yè)廢棄物和危險廢棄物而設計的物料預處理系統(tǒng)，即破碎—混合—泵送系統(tǒng)。該系統(tǒng)全程無需人工參與，自動運行，最大限度地避免了操作者與危險廢棄物的直接接觸，保證人員安全。該術(shù)語1988年被提出，1998年德國首次采用，是危險廢棄物預處理最先進的方式，目前我國已有企業(yè)引進該系統(tǒng)。

2.3 丹麥史密斯公司

丹麥史密斯公司熱盤爐技術(shù)是在水泥生產(chǎn)線的分解爐處設置垃圾焚燒爐，見圖1。熱盤爐是一種構(gòu)造簡單的燃燒裝置，與水泥窯預分解系統(tǒng)組成一個整體，主要流程是：窯三次風、部分高溫生料和可燃垃圾一同進入熱盤爐內(nèi)，在慢速旋轉(zhuǎn)的圓盤上開始充分地氧化燃燒，圓盤的轉(zhuǎn)速為1～4r/h，從物料進口到爐渣和生料混合物卸出，在圓盤上大約要運行270°，卸出的殘渣向下落入窯尾，細小的飛灰和生料則隨高溫氣體分解入爐。按可燃垃圾的性質(zhì)，調(diào)節(jié)圓盤的轉(zhuǎn)速，使其能在爐內(nèi)有足夠的時間，達到充分燃燒的目的。

圖1 史密斯公司熱盤爐系統(tǒng)圖

表3 廢棄物分類

表4 可燃廢棄物的來源

當燒成系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障時，設在熱盤爐上方的冷生料小倉可以直接放生料入爐，阻斷垃圾燃燒，使熱盤爐上的火很快熄滅，避免水泥窯系統(tǒng)運行不正常時環(huán)保超標排放。熱盤爐已在挪威一家1 600t/d水泥生產(chǎn)線上投入運行，主要是燃燒可燃垃圾（如汽車輪胎、電話機插板等）。

2.4“協(xié)同處置”廢棄物的分類和來源

2.4.1 廢棄物分類

不同國家或地區(qū)的廢棄物定義可能不同，但其分類和內(nèi)容可參考表3、4的內(nèi)容，本文中所使用的廢物與廢棄物是等同的含義。

2.4.2 替代原料的廢棄物

主要內(nèi)容是：工業(yè)副產(chǎn)物、尾礦渣：石灰漿、電石渣、工業(yè)石灰、鑄造渣、硅石廢料、粉煤灰、赤泥、硫鐵礦尾礦、赤鐵礦渣、錫渣、石材廢棄物等。

2.4.3 不允許使用的廢物

主要內(nèi)容是：核廢物、電子廢物、特別類電池、具有傳染性和生物活性的醫(yī)療廢物、無機酸和腐蝕劑、爆炸物、包含石棉的廢物、放射性廢物、含高濃度的氰化物廢物、要銷毀的化學武器或生物武器、未分類市政垃圾、其他未知成分的廢物。

2.5 廢棄物的前處理

（1）一般固體廢物的前處理流程（見圖2）。

（2）液體廢物的前處理（見圖3）。

（3）半固體廢物的前處理（見圖4）。

2.6 機械生物預處理技術(shù)

這是最近發(fā)展起來的綜合廢物分類處理技術(shù)，采取機械生物處理，獲取垃圾衍生燃料（Refuse Derived Fuel），具有熱值高、燃燒穩(wěn)定、易于運輸、易于儲存、二次污染低和二噁英類物質(zhì)排放量低等特點，美國檢查及材料協(xié)會（ASTM)按城市生活垃圾

圖2 固體廢棄物的入窯前處理

圖3 液體廢棄物的入窯前處理

圖4 半固體廢棄物的入窯前處理

2.7 回轉(zhuǎn)窯焚燒廢棄物的各種方法

（1）使用專門的多通道燃燒器，焚燒廢塑料、廢木屑、廢織物等多種固體廢棄物；

（2）使用專門的液體或液體與固體混合的燃燒器，焚燒渣油、廢酒精類等液體可燃廢棄物（見圖6“協(xié)同處置”回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)示意圖）；衍生燃料的加工程度、形狀、用途等將RDF分成7類，可提供給不同用途的循環(huán)再利用，其中有可供水泥使用的替代燃料，見圖5。

（3）使用專門設計的固體可燃廢料投放裝置，將廢輪胎或其他整捆、整包固體廢棄物投擲到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)焚燒；

（4）在回轉(zhuǎn)窯尾增設的高溫煅燒爐內(nèi)，焚燒尼龍纖維等高溫膠質(zhì)廢棄物；

（5）使用一種稱為熱盤的輔助燃燒裝置，對一般可燃廢棄物和衍生燃料加工，產(chǎn)生的氣態(tài)熱能從窯頭進入水泥窯或從窯尾進入分解爐煅燒物料，其殘渣作為輔助原料使用；

（6）使用流化床裂解爐系統(tǒng)，處理廢木屑、廢布料、廢塑料、廢橡膠、廢紙張以及被油浸漬或污染的土壤等具有較高熱值的廢棄物，裂解形成的高熱值煙氣通過管道輸送到分解爐上的氣體燃燒器，而裂解形成的無機物殘渣則通過流化床底部的卸料口卸出，作為原料磨的配料組分之一進入生料制備系統(tǒng)。

2.8 “協(xié)同處置”所需的機械設備與檢測裝置

2.8.1 磁選和分選機械設備

在工業(yè)廢棄物中難免摻有鐵物質(zhì)，因此高效的磁選機械設備是十分必要的。另外要適應不同產(chǎn)業(yè)廢棄物的分級分離特性，還要有各種分選設備。利用固體物料本身特性的差異（如比重、色彩、成分等特性）分離分選固體顆粒的技術(shù)，隨著廢棄物再循環(huán)利用技術(shù)的發(fā)展而得到了進一步開發(fā)。汽車、廢家電和電子零部件的拆分、廢塑料、城市垃圾、粉煤灰、建筑廢棄物等的分級，目前已用于衍生燃料的制備上。

2.8.2 移動式給料機和儲料裝置

圖5 機械生物預處理流程圖

圖6 “協(xié)同處置”回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)示意圖

廢棄物的種類很多，數(shù)量和品種的變化又很大，所以水泥廠的輸送機械和儲存設施與常規(guī)水泥廠不同，要求靈活性大且容易移動，往往儲存和破碎結(jié)合在一起。如Aumund集團B&W公司的薩姆森帶式給料機，可以直接從自卸卡車接受物料，然后向前傳送到次級給料器或物料接受點,全套裝置可以是全封閉的或部分封閉，沒有操作時的粉塵污染。

2.8.3 破碎與壓縮固化機械設備

水泥工業(yè)通常使用的破碎機械設備是為了石灰石和粘土等的破碎，但是廢棄物很復雜，這些破碎機械設備很可能不能適應，現(xiàn)在國外已出現(xiàn)許多產(chǎn)業(yè)廢棄物的破碎機械設備，如已出現(xiàn)建筑廢材用、粗大垃圾用、廢塑料用、廢木材用的三軸或四軸強力破碎機，針對廢紙、纖維狀廢料和橡膠類廢棄物的破碎機等。新出現(xiàn)的四軸二段式粉碎機，可以把廢棄物破碎到25mm以下。此外還有用于城市垃圾不燃物的減容及產(chǎn)業(yè)廢棄物的固形化的壓縮成形機，可形成有一定外形的代用燃料或再利用原料，這樣處理之后，雜亂且占有很大空間的廢棄物，可以擺放整齊且緊湊，減少空間的占用。

2.8.4 閥門、泵和風機

對這些通用機械設備的總的要求是：耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐磨、耐沖擊，往往直徑的變化范圍較大。

2.8.5 監(jiān)測和檢測裝置

污染物監(jiān)測與檢測所需的裝置很多,光學、機電學、微電子技術(shù)、粉體技術(shù)、儀表制造技術(shù)、計算機及智能技術(shù)的高速發(fā)展，使得近代檢測技術(shù)和儀表裝置有了很大進步，出現(xiàn)了許多智能化儀器。下面舉出“協(xié)同處置”可能涉及到的監(jiān)測與檢測內(nèi)容：

（1）大氣污染物的監(jiān)測與檢測的內(nèi)容：顆粒物、SO2、NOx、氟化物；

（2）焚燒生活垃圾的污染物監(jiān)測內(nèi)容：汞、鎘、鉛、二噁英、惡臭；

（3）焚燒危險廢棄物的污染物監(jiān)測內(nèi)容：煙氣黑度、煙塵、CO、SO2、HF、HCl、氮氧化物、Hg、Cd、砷、鎳及其化合物、鉛及其化合物、鉻、錫、銻、銅、錳及其化合物、二噁英類；

（4）原燃料重金屬檢測內(nèi)容：Hg、Ti、Cd、Pb、As、Cr、Cu；

（5）水泥和熟料中有害元素檢測內(nèi)容：Sb、As、Be、Cd、Cr、Co、Cu、Sn、Hg、Ni、Pb、Se、Ti、Zn及產(chǎn)品放射性。