水泥窯協同處置工業固體廢物的研究進展*

馬名妍，張澤新，李其彥，孫 艷，魏 薇，李英華

(吉林化工學院，吉林 吉林 132022)

工業固體廢物是指工業生產活動所產生的固體廢物。根據對環境和人類生命的破壞程度，工業固體廢物分為一般工業固體廢物和危險廢物[1]。工業固體廢物具有長久性、持久性以及易于轉化為污染物的特點，會通過某種途徑對水、空氣、土壤以及生態環境造成破壞，從而對人類造成危害。而伴隨著工業的不斷發展和城市化建設的不斷推進，工業固體廢物的產生量和種類日益增多，因此需要對工業固體廢物進行合理的處理和處置。近年來，相關的科學技術在不斷發展，減少工業固體廢物產生量的同時，綜合利用率也在持續增加。2019年，我國196個大、中城市一般工業固體廢物產生量達13.8億噸，綜合利用量占總量的55.9%；危險廢物產生量達4498.9萬噸，綜合利用量占總量的47.2%，但是距離國家“十四五”大宗固體廢物的綜合利用率達到60%的目標還有一定的距離。所以，我國亟需加大投入，加強管理，持續推進工業固體廢物的無害化，資源化和減量化。

1 工業固體廢物的處理處置現狀

20世紀70年代以來，西方許多發達國家的環保產業逐步興起。在工業固體廢物處理處置方面，經過近40年的理論研究和大量的實踐得到很大的發展，對我國當前工業固體廢物處理處置產業的發展、環境管理質量的提高起到了很好的借鑒作用[2]。

1.1 工業固體廢物的主要處理技術

根據工業固體廢物產生量及物質流分析結果，我國對工業固體廢物進行分類別處理[3]：

(1)物理處理技術：主要包括揀選、浮選、重選、磁選、摩擦以及彈跳分選等分離技術，對固體廢物進行物理方法的處理。

(2)化學處理技術：主要用來處理無機廢棄物，如酸、堿、氰化物、乳化油以及重金屬廢液等，通過使用化學中和、氧化還原等化學手段對工業固體廢物進行處理。

(3)固化穩定化技術：主要用于處理不適合焚化或無機處置的廢物。為了實現減少固體廢物的毒性和運輸的目標，一般將固體廢物包封或固定在惰性固體基質中，以降低包含來自固體廢物的所有污染物的危害。

1.2 工業固體廢物的主要處置技術

固體廢物處置技術解決的是固體廢物的最終性質問題，也是控制固體廢物污染的最終環節，比較典型的工業固體廢物處置技術有如下幾種[4]：

(1)焚燒處置技術：是通過焚燒廢棄物中的有機物，用以縮減廢棄物的體積，主要用于處理高熱值和高毒性的危險廢物。焚燒后廢物的體積可減少到原來的5%～20%，實現了廢物的無害化處理，但是耗能高效益差。

(2)高溫堆肥技術：是采用半坑式堆積法和地面堆積法堆置，這兩種方法都需要利用好氧微生物。高溫堆肥技術針對一般可降解有機固體廢物，可以實現資源化利用，但是效率低周期長。

(3)固體廢物熱分解技術：是指在無氧或缺氧條件下，使用可燃性工業固體廢物在高溫下進行分解，最終成為可燃氣體的過程。該過程實現減量化的同時也可以實現資源再利用，但是投入產出比還不夠理想。

2 水泥窯協同處置技術特點及優勢

水泥窯協同處置技術是一種非常有效的固體廢物處理處置技術，可以應用于各種固體廢物，如生活垃圾、市政污泥、礦渣、工業油泥等，尤其適用于規模較大的工業固體廢物。通過水泥窯協同處置，具有高熱能的固體廢物可以代替燃料，含有礦化物質的固體廢物可替代部分水泥原材料，實現固體廢物“三化”的同時，達到減少不可再生資源使用的目的。

2.1 新型水泥窯協同處置技術的特點

新型水泥窯協同處理技術不僅具有專業焚化爐的基本特征，還具有如下技術特點[5-7]：

(1)溫度高。水泥窯爐中溫度約為1650～1800 ℃，傳統的專業焚化爐無法達到該溫度。固體廢物中有害的成分可以在高溫下完全焚化，甚至穩定的有機物也可以完全分解。

(2)停留時間長。物料從窯尾到窯頭的總停留時間超過 30 min，大于1300 ℃的時間超過6 s，因此固體廢物滯留在窯中的時間更長。由于停留時間長且與空氣接觸，從而使固體廢物能夠分解得更加徹底充分。

(3)空間大。一般回轉窯體通常直徑為3～5 m，長度為 45～100 m，較大的焚燒空間保證了水泥窯中相對穩定、均勻和連續的焚化條件，具有更大的固體廢物處理能力。

總之，新型水泥窯協同處置技術可以保證工業固體廢物處置的效率大幅度提高。

2.2 與傳統工業固體廢物處置技術的比較

與傳統工業固體廢物處置技術相比，水泥窯協同處置的優勢顯而易見[8-10]。

(1)技術優勢：水泥窯協同處置技術是直接利用水泥窯生產水泥工藝的高溫，且溫度遠高于傳統焚燒裝置的溫度。另外，該技術能夠在不影響水泥生產的同時完成大規模固體廢物的綜合處置和利用。

(2)成本優勢：水泥窯協同處置主要包括原始場地和生產線的改造，添加預處理設備、投料和其他設備，以及以資源利用為基礎的聯合處理場所。投資少，建設周期短。只需要在原有的水泥廠作部分設施和流程的改動，不需要新開發一部分用地。水泥窯協同處置同類廢物的成本比焚化和垃圾掩埋的價格便宜得多，具有明顯的價格優勢，因此更加受廢物產生單位的歡迎。

(3)環保優勢：水泥窯協同處置的高溫使得絕大部分有機物完全分解，并減少二噁英的產生機會，其含量遠遠低于國家相關標準；焚燒后固體殘余物得到完全處理，不產生額外的固體廢物；處置后的大多數重金屬固化在水泥熟料中，使得窯尾廢氣中的重金屬排放量很少。該技術還可以實現部分替代原料，或者替代部分燃料，從而減少不可再生資源的消耗和能耗。

水泥窯協同處置雖然優勢明顯，也存在一些約束條件，在產業化之前需要進行充分論證。首先，水泥生產受產業政策、市場供求，北方地區還會受到冬季市場影響，尤其是危險廢物的處理主要取決于水泥窯協同處理的區域。其次，與一部分發達國家相比，我國在技術規格和法律法規方面還需要進一步改進。如，固體廢物中Cl、S和重金屬的含量過多會對水泥窯生產穩定性和產品質量帶來一定影響；缺乏高效率分揀技術和污染物分類和開發集合技術；固體廢物燃燒的效率有待提高，從而影響了對水泥窯有毒物質排放等等，需要進一步加強水泥窯協同處置技術的系統研發。另外，從水泥加工企業本身的角度來看，現有許多企業尚未建立起規模體系，存在研發能力差、實踐經驗少、專業技術人員缺的條件不足[11]。

2.3 水泥窯協同處置工業固體廢物的發展

隨著水泥窯協同處置技術的發展，使之在工業固體廢物利用領域涌現了越來越多的應用。在發達國家，水泥窯協同處置儼然已經成為固體廢物和危險廢物處置的主要措施之一。德國最早利用水泥窯協同處置和垃圾發電產生能源來處理焚燒垃圾，另外水泥工業的燃料替代率也呈現增長趨勢。同時固體處置產業鏈也很完善，從企業固體廢物中分離出來熱量高的廢棄物，用以燃燒、破碎、再輸送到水泥廠，以減少焚燒時燃料的使用率。日本的水泥工業在20世紀80年代就已經從其他產業納入大量的廢棄物和副產品，逐漸采用的廢棄物有鑄造業的鑄型廢砂、重油廢渣、廢棄油、廢塑料、廢木材等[12]。目前，水泥窯協同處置技術已經成為發達國家普遍采用的處置技術，大概有三分之二的水泥廠可以進行固體廢物的協同處置。

在國內，北京水泥廠有限公司1988年建立了首個工業危險廢物環境保護示范基地，成為我國第一家使用水泥回轉窯處理油墨、樹脂、油漆等有機危險廢物的公司[13]。湖北華新水泥股份有限公司2010年建成了利用水泥窯協同處置三峽庫區漂浮物項目,日接受處理能力1000 m3，年處理能力達30萬m3，為三峽庫區提供了安全又環保的終端處理[14]。在一些先進的領域，水泥窯協同處置技術已迅速發展，促進固體廢物處置技術設備的開發和污染控制技術應用。在此基礎上，環境保護部于2016年發布了《水泥窯協同處置固體廢物污染防治技術政策》，在全國范圍內推廣水泥窯協同處置危險廢物的應用[15]。目前已有多家水泥生產企業獲得危險廢物經營許可證，擴展了協同處置固體廢物的種類和能力。如，江西亞東水泥有限公司2018年開始利用水泥窯協同處置造紙廢棄物，2019年申請新增協同處置危險廢物5萬t/a[16]；吉林金隅環保科技有限公司2016年提出了利用現有4500 t/d水泥熟料生產線回轉窯協同處置工業固體廢物，2019年7月申請增加危險廢物種類到17大類，年處置規模為6萬t[17]；江蘇溧水天山水泥企業2021年建成了年處置10萬t的水泥窯協同處置危險廢物項目[18]。這些項目的投產真正實現了一般工業固體廢物和危險廢物的規模化處置，正在成為解決我國工業固體廢物的主力軍。

3 結 語

水泥窯的協同處置為工業固體廢物的無害處理和資源綜合利用打開了一種新的方式，實現了工業固體廢物的“三化”處置，符合我國發展循環經濟的要求，因此有必要積極開展這項技術的研發和應用。為推廣這項技術，在實際應用過程中，政府還需要提供政策支持，同時也需要考慮到相關技術規范和標準的改進，促進水泥窯協同處置技術的推廣和應用。