基于靜脈產業園思維的水泥窯協同處置項目實踐

方明，張冬冬，王朝雄

1 背景

靜脈產業園是指以靜脈產業為主體的生態工業園，以節約資源、保護環境為目的，運用先進技術將傳統的“資源—產品—廢棄物”線性發展模式，升級為“資源—產品—再生資源”的閉環發展模式，實現生活及工業垃圾等變廢為寶、循環利用。建設靜脈產業園，既可實現園區內的資源共享、污染集中處理、能源梯級利用，又解決了環境問題，實現了垃圾等廢物的資源化利用，成為解決城市固體廢棄物的重要途徑[1]。目前，我國城市靜脈產業園建設處于起步階段，國家多部委于2016年聯合發布《關于進一步加強城市生活垃圾焚燒處理工作的意見》，意見中指出，要積極開展靜脈產業園區、循環經濟園區、靜脈特色小鎮等建設，統籌生活垃圾、建筑垃圾、餐廚垃圾等處理，形成一體化項目群。各省市也相繼出臺相關政策，如河南省于2018年出臺《河南省靜脈產業園建設三年行動計劃》，旨在推進河南省廢棄物處理方式由無害化處置向資源化利用轉變，推進美麗河南的建設[2,3]。

我國當前已建成的靜脈產業園區，在突破傳統固廢處置模式的同時，在園區建設、園區治理及能源綜合利用方面提供了有效示范。以佛山南海固廢環保產業園為例，園區以垃圾焚燒為中心，形成了從源頭到終端處置的完整產業鏈，固體廢棄物100%協同化處理，成功實現從“鄰避”到“鄰親”再到“鄰利”的華麗轉變，該靜脈產業模式受到了政府、行業及公眾的一致認可[4，5]。水泥窯協同處置廢棄物因具有投資低、處置能力大和處置效果優等優點，近年來發展勢頭強勁。據不完全統計，截至2018年，我國投產的水泥窯協同處置垃圾生產線約65條，年處置垃圾量500萬噸；全國危險廢棄物采用焚燒法的年處置量總計約634萬噸，其中利用水泥窯協同處置的量占比45%，幾乎占據危廢總焚燒處置量的一半[6，7]。從市場推崇程度可見，固廢行業和水泥行業利用窯協同處置相結合在技術成熟度和實施可行性方面已無障礙。國內對以水泥窯為中心的循環經營模式已有部分研究，但對生產模式的研究尚不全面[8]，若用靜脈產業的思維來指導建設水泥窯綜合處置項目，形成綜合性的水泥窯協同靜脈產業園區處置廢棄物，將有利于地區經濟的發展和社會環境的改善。

2 項目情況

2.1 園區建設

某水泥廠是沿海某省最大的水泥生產企業，目前擁有9條新型干法回轉窯水泥熟料生產線，其中8條用作水泥窯協同處置。某靜脈產業園區建于該水泥廠附近，依托水泥企業的多條生產線，結合我公司成熟的、有實施業績的水泥窯協同處置經驗，利用水泥生產過程中高溫煅燒的生產特點，無害化處置生活垃圾、餐廚廚余垃圾、建筑垃圾及危險廢棄物等，項目各單元建設情況見表1。項目處置廢棄物規模分別為生活垃圾900t/d、餐廚廚余垃圾100t/d、建筑垃圾500t/d及危險廢棄物60 000t/a（其中，固態危險廢物處置量：25 000t/a，半固態危險廢棄物處置量：20 000t/a，液態危險廢棄物處置量：15 000t/a），項目利用生活垃圾等廢棄物焚燒后的熱資源建設了3×6MW的中溫中壓汽輪發電機組。水泥廠區內各廢棄物處置單元資源共享及互用，形成了區域內廢棄物的閉環處理，打造了水泥窯協同靜脈產業園的示范建設工程。

按處置的廢棄物類型，該水泥窯協同靜脈產業園由生活垃圾、餐廚垃圾、建筑垃圾及危險廢棄物處置四個子單元組成。水泥窯系統是整個協同產業園的核心，園區內各子單元根據入園廢棄物和水泥窯生產線投入量可獨立運作，也可協同運作。廢棄物實現閉環處置，涵蓋前端多種廢棄物入廠、廢棄物儲存、廢棄物預處理；中端入窯燃燒，可燃物、蒸汽和電能等能源共享和互用；以及各子單元的末端滲濾液處置、飛灰殘渣處置等。處置過程不產生中間產物，除少量具有附加價值的成品離開園區外，其余全部得到無害化處理和資源化利用。

表1 項目建設情況明細欄

2.2 園區特征

該靜脈產業園項目是當地“十三五”生態保護規劃的重點工程項目，設計處置量基于區域內廢棄物的調研情況和未來城鎮一體化后的預測擴容量計算求得。當地政府已承諾滿足該廠生活垃圾、餐廚垃圾及建筑垃圾量（以裝修垃圾為主）的需求量。危廢處置方面，當地2017年產生工業危廢33.2萬噸，貯存量3.8萬噸。預計至2020年，當地工業危廢產生量將達到38.86萬噸，年貯存量接近6萬噸。區域內現有危廢產生量不能滿足處置能力需求，該危廢處置系統服務范圍主要立足于工程所在地，并輻射周邊市區及整個省區。為確保生產安全及可行性，HJ 662-2013《水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》中提及的有害廢物（如放射性、爆炸性及反應性廢物、未拆解廢電池、電子產品、鉻渣及含汞廢物等）禁止入窯，協同處置的危廢種類暫定32類，最終危廢處置類別以核準的危險廢物經營許可證范圍為準。目前當地多家較大的危廢產生單位已與該企業簽訂了意向協議（常規可協同危廢）。

3 水泥窯協同靜脈產業園的介紹

該水泥窯協同靜脈產業園的結構及資源利用簡圖如圖1所示。項目以水泥窯生產線為核心，將生活垃圾、餐廚廚余垃圾、建筑垃圾和危險廢棄物處置等子單元有機結合，相互連接，實現廢棄物園區內集中經營、協同處置。

圖1 水泥窯協同靜脈產業園的結構及資源利用簡圖

3.1 生活垃圾處置

生活垃圾處置采用機械爐排爐進行焚燒，產生過熱蒸汽進行發電，同時利用水泥窯對廢氣、灰渣進行無害化處理，實現垃圾處置、水泥生產以及垃圾發電三種工藝相結合。具體實施時，儲倉內堆存的生活垃圾送入爐排爐燃燒，高溫煙氣經過鍋爐產生過熱蒸汽驅動汽輪發電機，鍋爐出口煙氣送入水泥窯生產線篦冷機的高溫段，與水泥熟料換熱至950℃以上，作為水泥線分解爐的三次風；爐排爐的燃燒空氣來源于垃圾儲倉內抽出的臭氣，經過蒸汽或煙氣預熱后作為垃圾焚燒的一次風；垃圾堆存產生的滲濾液收集后進入滲濾液池，經“預處理+UASB+外置式MBR+NF+RO系統”處理后，出水作為廠區工業用水，膜濃縮液則入窯霧化焚燒；垃圾焚燒后的灰渣輸送到水泥原料系統參與配料，最終經窯系統煅燒成水泥熟料，成為水泥生產的替代原料。

本垃圾處置單元分兩期建設，一期新建兩臺300t/d的垃圾焚燒爐，分別與兩條水泥生產線（7號、8號）協同搭配。機械爐排爐是垃圾焚燒單元的核心，本項目采用光大環保成熟的多級順推焚燒爐，保證焚燒系統運行可靠。垃圾焚燒煙氣經篦冷機引入分解爐，需基于煙風情況對篦冷機及相關配套進行改造。未通入熱煙氣時，水泥窯生產線三次風量約為140 000m3（標）/h，通入熱煙氣后，300t垃圾焚燒后煙氣風量約53 000m3（標）/h。為了滿足三次風氧量和風量需求，保持原一風室結構及二次風量不變，熱煙氣全部作為三次風使用，將篦冷機二風室全部改為充氣梁供風。新配置兩臺全壓8 000Pa、風量41 000m3/h的風機，原二風室兩前排風機繼續使用，對應切斷供二風室的充氣梁，只對三、四風室的充氣梁供風。改造后，二、三次風分配與原供風情況滿足要求。此外，滲濾液厭氧發酵過程產生的沼氣直接送入分解爐內燃燒，以彌補膜濃縮液回噴窯內造成的煙氣熱量損失。

3.2 危險廢棄物處置

危險廢棄物可分為液態、半固態及固態危險廢棄物，處置工藝隨廢棄物狀態而有所不同。固態危廢處置主要在于預處理，系統設有兩臺3t/h的剪切式破碎機，一路破碎機與混合器、柱塞泵構成SMP系統，物料破碎至指定粒徑后，調配至適宜的狀態再送入水泥窯；另一路破碎后的純固態物料送入固態倉，按處置需求直接輸送至分解爐固化焚燒。半固態危廢處置系統主要包括儲倉、柱塞泵、閥門及自動控制系統等，密封料倉下采用雙軸螺旋給料裝置，進入柱塞泵通過閥門分成兩路，一路進入SMP系統混合器參與物料調配，另一路半固態直接送往窯尾分解爐內霧化焚燒，固態和半固態危廢均對應園區9號水泥生產線。液態危廢按熱值選用不同工藝，但均包括除雜、儲存和入窯焚燒三個部分，物料經過濾除雜后，分別送往高熱值和低熱值廢液儲罐，其中，純高熱值廢液由氣動隔膜泵直接霧化送入3號線窯頭焚燒；為避免影響窯頭熟料燒結的工藝溫度，通過切換系統閥門，低熱值廢液泵入SMP系統混合器中參與物料調配，隨半固態及固態危廢一并送入3號線窯尾處置。

SMP系統是危廢處置子單元的中心，設備由潤天環保提供，運行時來料優先利用SMP系統協同處置，當入園為純固態、純半固態及純液態危廢或不滿足SMP系統運行時，各處置系統獨立工作。協同工作時系統設計處置量為15m3/h，純固態危廢處置工藝路線上各配件相應參數隨破碎機按3t/h的規格來設計選取，純半固態危廢處置工藝以10m3/h設計，純廢液回噴入窯按2.4m3/h設計，與SMP系統協同時以6m3/h設計，來料無半固態危廢時兩臺運行液態危廢高低熱值儲罐區各設置2個50m3的玻璃鋼儲罐，以滿足系統3d處理能力的儲存量要求。破碎時為保證安全，系統向密封倉內通入N2，使物料與外界空氣隔絕。為防止大塊雜物進入半固態危廢儲倉堵塞泵送系統，儲倉入口設置入料格柵，濾出的大塊廢物送往SMP系統破碎處置。

3.3 建筑垃圾處置

建筑垃圾處置單元主要定位在處置裝修垃圾。要實現可燃物和骨料分離，篩分技術是工藝的重點，采用“風選+兩篩（棒條篩、彈跳篩）+兩碎（顎式破碎機、反擊式破碎機）+磁選”的工藝路線，工藝過程中分選出的可燃料送至生活垃圾焚燒系統，處理后的成品骨料最終作為生產水泥的原料。系統主要設備由江蘇科選提供，考慮設備型號選擇的限制，生產線設計處理量為100t/h，系統每天工作5h即可，篩分后的物料分區堆放使用。具體實施時，進廠垃圾由人工分揀出大件可燃垃圾（如桌椅、沙發等），分揀后的物料經大件棒條篩篩分后分兩路，篩上物（粒徑在150～400mm）輸送到風選機，分選出大塊可燃物，剩余骨料進入顎式破碎機；另一路是棒條篩的篩下物（粒徑＜150mm），與風選出的大塊可燃物一起進入彈跳篩分選，彈跳篩的篩下物分為小輕物料、小重物料以及＜50mm的物料三種物料，＜50mm的物料直接輸送到成品區，分選出的小重物料（篩上物）和風選機風選后選出大重物料通過人工分揀、除鐵、顎式破碎機、反擊式破碎機等設備處理后輸送到成品堆放區（粒徑＜50mm），分選出的小輕物料（可燃物）和入廠時剔除的大件可燃物一起直接輸送到可燃物料堆放區。

3.4 餐廚、廚余垃圾處置

項目所在地旅游業發達，餐廚、廚余垃圾主要來源于景區餐飲場所，具有水分含量高、油脂等有機質豐富的特點。處置系統工藝主要包括接料輸送系統、雜物分選系統、固液分離系統、油水分離系統四個部分，單線工藝設計處理能力為10t/h。具體實施時，廚余、餐廚垃圾送入廠區車間的接收料斗，通過惰性物分離器實現有機質和無機質的粗分離。塑料及紙張等回收處置，有機漿液經出料擠壓螺旋實現固液分離。固相有機質送至垃圾處置單元焚燒，分離后的廢水與接收料斗的瀝水一起進入漿液除渣機。提出砂土后，經漿料加熱罐和三相提油機分離出有附加值的油脂儲存外售，低價值廢水接入生活垃圾處置單元的滲濾液處置系統進行生化處置。厭氧發酵產生的殘渣送入生活垃圾協同系統焚燒，產生的沼氣送至水泥生產線窯尾分解爐內焚燒。參考相關項目的垃圾成分數據，100t垃圾經壓濾后大約產生55.6m3左右污水，擠壓螺旋出口固相有機質42.6t。主要處置設備依據物料量計算選用，具體見表2。

表2 餐廚、廚余垃圾處置單元主要設備清單明細

4 項目特點及優勢

4.1 廢棄物處置

本園區利用水泥廠4號、6號、7號及8號回轉窯生產線年協同處置生活垃圾30萬噸，2號水泥窯生產線年處置建筑垃圾15萬噸，5號生產線年處置餐廚、廚余垃圾3萬噸，3號及9號水泥回轉窯年處置危險廢棄物6萬噸。項目整體投入后，可滿足當地近期內廢棄物的無害化處置需求。水泥窯生產線作為本協同靜脈產業園項目的核心設施，具有生產溫度高、煅燒時間長及熱體量大的特點，熟料生產線每日處理適量的廢棄物，不會因可燃物投入和性質的變化而造成溫度波動過大，從而保證廢棄物處理系統運行穩定。水泥企業利用新型干法水泥回轉窯協同處置廢棄物，其窯尾分解爐內的溫度在1 000℃左右，回轉窯內燃燒溫度能達到1 500℃以上。該項目系統中的生活垃圾、其他子單元垃圾中分離出的塑料、紙張等可燃物焚燒煙氣及危險廢棄物等進入水泥窯后，此溫度環境下有毒有害的有機物迅速燃燒、分解，再利用水泥生產線的廢氣處理系統將協同處置后的廢氣進行二惡英脫除、脫硫、脫硝及除塵等，達到排放標準后從煙囪排放。焚燒后的灰渣經煅燒熔融后，重金屬物質被水泥熟料晶格穩定固化，廢棄物協同處置后的水泥質量幾乎不受影響。

4.2 物質閉環利用

園區內物質閉環利用主要是指各處置單元之間的物質傳用與互用。廢棄物焚燒的污染物包括灰渣、酸性氣體（HCl、HF、SOx、NOx等）、重金屬（Hg、Pb、Cr等）和有機劇毒性污染物（二惡英等）四大類。本項目焚燒煙氣出鍋爐后經過篦冷機高溫區，被1 400℃的水泥熟料加熱到950℃以上進入分解爐，在高于900℃的高溫堿性區停留＞10s，99.99%以上的二惡英將被分解，酸性有毒氣體被堿性生料吸收，有毒成分均可以被處理和控制。廠區內日產灰渣約230t，其中爐渣經除鐵后直接送至水泥窯中煅燒，有害重金屬被固化；飛灰來源于垃圾焚燒過程和系統旁路放風過程，由于飛灰中氯鹽含量高（最高能達到20%），本項目將飛灰經水洗烘干后送至水泥生料配料，而飛灰水洗液經蒸發結晶獲得鈉、鉀鹽等產品。生活垃圾堆放在系統儲坑內散發出惡臭的氣體（H2S，NH3），經預熱后送入機械焚燒爐內焚燒處理。餐廚垃圾分離出的固渣入窯和可燃物送入離線焚燒爐焚燒，瀝出的廢水和脫油后的廢水送入滲瀝液處置系統集中處理。垃圾滲濾液處置系統的出水作為工藝用水，處理后的濃水在垃圾焚燒爐中上部噴射進窯尾處置。建筑垃圾分選出的小輕物料（可燃物）和入廠時剔除的大件可燃物一起直接輸送至垃圾儲坑等。本項目處置工藝減容減量及無害化徹底，生產過程的附加物和二次污染物在系統中均可得到資源化疊加利用及有效處置，僅部分具有附加值的成品離開園區，形成系統內物質資源的閉環利用，有效解決了建設單位自行尋找消納場所處理存在的亂倒、亂堆、亂填現象。

4.3 能源利用

協同靜脈產業園區在完成廢棄物“無害化和資源化”的同時，以低碳綠色的理念統籌園區熱能、生物質能和電能綜合利用，減小外部不必要的能源投入，力爭實現能量利用的最大化、梯級化。系統中城市生活垃圾、建筑垃圾剔出的小輕物料（可燃物）和入廠時剔除的大件可燃物、餐廚廚余垃圾中分離出的塑料、紙張等及部分含熱值的危險廢棄物均參與燃燒，高溫煙氣產生的過熱蒸汽，一方面用于加熱餐廚、廚余垃圾中的冷漿液，預熱垃圾燃燒過程所需的一次風，為廠區內的供暖供熱及洗浴提供熱能等；另一方面中溫中壓的過熱蒸汽驅動汽輪發電機發電，產生的電量供水泥生產線廠區生產設備或生活設施使用。此外，滲濾液處置系統的生化處置過程產生的沼氣，用管線接入垃圾焚燒爐或水泥窯的分解爐燃燒，產生的部分電能也可帶來可觀的經濟價值。

5 結語

本項目通過建立水泥窯協同靜脈產業園，將城市生活垃圾、餐廚廚余垃圾、裝修建筑垃圾及危險廢棄物完全無害化、減量化及資源化協同到水泥窯生產線，最大限度地做到多種廢棄物處置和綜合利用。園區內物質實現閉環處理，除少量具有附加值的成品離開區域外，全過程無廢水、廢渣排放，可完全實現零排放，無二次污染。廠區內通過合理統籌園區熱能、生物能和電能，減小額外能源投入，可實現能量利用的最大化。該“城市生活垃圾+餐廚、廚余垃圾+建筑垃圾+危險廢棄物＋余熱發電+水泥窯”的聯合處理方案，是國內較為理想的廢棄物處理方案，本項目整體建設完成后，可以在項目所在地建立起廢棄物處置循環經濟圈，為水泥窯協同靜脈產業項目帶來一定的示范效應，促進水泥行業及地區經濟的綠色發展。