浅析利用水泥窑协同处置城市生活垃圾

摘 要：水泥窑协同处置城市生活垃圾的工艺技术、工艺设备、特点。

关键词：水泥窑；协同处置；垃圾

随着资源开发和城市化进程的加快，无论是发达的工业国家还是正在崛起的发展中国家，各类垃圾及废弃物的处理利用已成为一个不容回避的现实问题。我国对生态环境的保护也是越发重视，在党的“十八大”报告第八章“大力推进生态文明建设”中就对今后“坚持节约资源和保护环境的基本国策”进行了明确要求和具体部署，其中提到“坚持预防为主、综合治理，以解决损害群众健康突出环境问题为重点，强化水、大气、土壤等污染防治”。

目前，城市垃圾的处理主要采用以下三种方式：填埋法、堆肥法、焚烧法。填埋法有适用任何垃圾、投资较少的优点，但是也有占用土地多、资源化程度低、污染地表水、污染地下水等缺点。堆肥法有能生产堆肥产品、投资不多的优点，同时缺点也很明显，只能适用于有机物含量较高的垃圾，减容性不理想。焚烧法可适用于任何垃圾，占地小，能有效实现资源化、无害化、减量化，其中以水泥窑协同处置垃圾最为合理和科学，在国家发布的《十二五规划纲要》中指出“支持水泥窑协同处置城市生活垃圾、污泥生产线和建筑废弃物综合利用示范线的建设”。

1 水泥窑协同处置城市生活垃圾的工艺技术

由于我国城市生活垃圾现在未进行有效的分选，绝大部分还是混合垃圾，从技术的经济性角度来说，以垃圾焚烧炉与水泥窑协同处置生活垃圾的方法最为适宜，该法可将垃圾热能和灰渣充分利用，污染物排放少，具有很好的环境友好性。

此法是在水泥窑旁设置垃圾焚烧炉协同处置生活垃圾，从水泥回转窑窑头罩抽取冷却熟料后的热风以燃烧空气的形式进入焚烧炉，使其焚烧炉中的垃圾进行焚烧。焚烧炉所产生的烟气由于温度较高（1100℃左右），因此进入分解炉和预热器中为水泥生料的分解提供热量，同时烟气中的细小颗粒在分解炉内可彻底焚烧，烟气最后经由窑尾的废气处理系统进行排放。垃圾在焚烧炉中所产生的灰渣直接入水泥窑中，成为水泥熟料的一部分。水泥主要原料石灰石（碳酸钙）在水泥回转窑的高温下化学反应生成二氧化碳和氧化钙，所以窑体内有很好的碱性环境，这对于吸收垃圾焚烧产生的有害酸性气体非常有利。垃圾中的重金属物质则以吸附、物理封固、替代等形式随着熟料的形成被包熔固化在熟料的晶体结构中，而这所形成的晶体缺陷有利于提高水泥熟料强度。

虽然垃圾焚烧炉与水泥窑协同处置对垃圾的适应性很强，但是以下几种固体废物根据《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》（GB30485-2013）的规定禁止协同处置：放射性废物；爆炸物及反应性废物；未经拆解的废电池、废家用电器和电子产品；含汞的温度计、血压计、荧光灯管和开关；铬渣；未知特性和未经鉴定的废物。因此水泥企业应先对垃圾进行评估和检测是否适宜协同处置，然后再决定是否接收。

2 水泥窑协同处置城市生活垃圾的工艺设备

垃圾储存必须采用全封闭的方式并且处于负压状态，以防止异味污染周围环境，所抽取的空气入水泥窑进行高温焚烧。而废气处理系统应采用高效布袋除尘器。输送系统也应采用密闭的箱式拉链机或带式输送机。破碎系统建议采用在欧美等国已普遍使用的斯瑞德，它属于剪切式破碎机的一种，通过定刀和动刀的特殊设计可将各种袋装垃圾瞬间破开，不缠绕、不挂料。

焚烧炉是水泥窑协同处置中的关键设备，型号很多，目前国内主要有以下四种：机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉、回转式焚烧炉、热盘炉。

2.1 机械炉排焚烧炉

炉排有三个区，分别是干燥区、燃烧区、燃烬区，通过炉排之间的交错运动，使垃圾依次通过这三个区域，直至燃烬从焚烧炉排出。从炉排下部进燃烧空气，高温烟气在产生热蒸汽的同时也得到冷却，烟气最终由废气处理系统在处理后进行排放。由于此类型焚烧炉结构复杂，维护工作量大，所以造价和维护费用都高。

2.2 流化床焚烧炉

此焚烧炉也称作气化热解炉，由多孔分布板组成，并在炉内加入大量的石英砂，工作时一方面将石英砂加热到600℃以上，一方面从焚烧炉下部进燃烧空气，先将石英砂沸腾，然后放入垃圾。垃圾很快就燃烧沸腾起来，燃烬的垃圾由于密度较大，落到炉底，而未燃烬的垃圾由于密度较小，继续燃烧沸腾。设备使用时间越长，石英砂对炉体的磨损就越严重，因此设备维护和运行的费用较高，并且操作复杂。

2.3 回转式焚烧炉

炉体水平放置并倾斜3%～5%，随着回转式焚烧炉的不停运转，炉体内的垃圾由加热、烘干逐步达到充分燃烧，并在燃烧的过程中向炉体倾斜的方向移动，直至最终燃烬排出炉体。由于炉体无运动机械，所以运行和维修费用低，并且运行可靠，对不同生活垃圾的适应性也较强，但热值较低的垃圾燃烧时不充分，焚烧的效果不理想。

2.4 热盘炉

热盘炉是由丹麦史密斯公司研发并推向市场的。炉盘在炉体下部，是一可调节转速的圆盘给料机。垃圾经过计量后由锁风喂料阀进入炉体，在炉盘上与上方吹来的高温三次风进行接触随后燃烧，生成的灰渣随炉盘的转动由炉盘尾部不断卸出，灰渣中的细粉随着烟气进入分解炉，而粗颗粒则直接入水泥回转窑中。由于炉盘转速可调，这保证了垃圾在炉体内有充分的燃烧时间。热盘炉的运行和维护费用较为适中，同时对垃圾的适应性也好，较为适合中国的国情。

目前我国使用机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉技术的比重较大，但是由于它们的缺点显而易见，已不适应我国未来垃圾处置的发展和需要。回转式焚烧炉、热盘炉技术适应国内垃圾成分复杂、未分选的情况，后期的运行和维护费用也不高，但相比较而言，热盘炉技术可降低氯化氢的含量，这对于避免二噁英在水泥窑中的生成和稳定水泥性能都有积极作用，所以个人建议采用热盘炉技术。

3 水泥窑协同处置城市生活垃圾的特点

3.1 水泥窑协同处置能有效抑制二噁英的生成

城市垃圾焚烧是二噁英的主要来源，二噁英的全称是多氯二苯并对二恶英和多氯二苯并呋喃，是一种无色无味、毒性严重的脂溶性物质，毒性之大超乎一般人的想象，是氰化物的130倍、砒霜的900倍，有“世纪之毒”之称。它在自然环境中很难自然降解消除，具有持久性、化学稳定性并且易于被脂肪组织吸收，因此二噁英不仅有致癌毒性，还有生殖毒性和遗传毒性，对人体的健康危害极大。

二噁英在垃圾焚烧过程中主要通过以下两种途径生成：一是含氯垃圾在低于800℃不完全燃烧时极易生成二噁英，二是含氯垃圾经过金属离子的催化作用生成二噁英。水泥回转窑的物料温度在1400℃以上，气体温度更是高达1600℃以上，使其垃圾能充分燃烧，并且水泥窑良好的碱性环境能吸收氯离子生成氯化钙，重金属物质则被包熔固化在熟料中，这些都保证了能有效避免生成二噁英。

3.2 水泥窑协同处置垃圾彻底，能实现无害化处理

《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》（CJJ90-2009）中规定，二燃气室的烟气在不低于850℃的环境下滞留时间不能小于2s。水泥回转窑的气体温度在1600℃以上，气体在回转窑的停留时间能达到6s以上，这些都大大满足了技术规范的要求，可彻底分解垃圾中各种有害成分，其焚毁去除率接近100%。

由于水泥窑的碱性环境，使其垃圾燃烧产生的酸性有害气体能被有效中和，然后以盐类的形式固化下来，同时也能使垃圾中的部分重金属物质被固定在氧化物中。大部分重金属则随着熟料的形成被固化其中。根据有关研究，垃圾中重金属的含量远低于能影响水泥性能的限值（重金属含量0.5%），故并不会对水泥性能有任何不利影响。

3.3 水泥窑协同处置垃圾资源化利用率高，运行成本低

水泥窑协同处置垃圾燃烧充分，燃烧所释放的热量在水泥回转窑中可代替部分燃煤来煅烧熟料，经抽样不完全统计，垃圾热值取均值6000 kJ/kg，则每吨垃圾燃烧放出的有效热量约合0.17t燃煤。垃圾灰渣与水泥原料中的粘土成分很相近，完全可以与水泥原料一起烧成熟料，实际上也就代替了部分原有水泥原料，每吨垃圾焚烧后大约可产生0.24t～0.27t的灰渣，即相当于0.24t～0.27t的粘土。

虽然近年煤炭价格有所下滑，但随着国内和国外经济的逐渐向好，预计未来化石燃料价格仍会稳步上扬，焚烧垃圾可代替部分燃煤这无疑降低了水泥厂的燃料成本。垃圾灰渣可直接作为水泥原料，也降低了水泥厂的原料成本。整个协同处置过程不仅降低了水泥厂的运行成本还达到了垃圾资源化利用的目的。

3.4 水泥窑协同处置垃圾工艺布置简单实用，投资少

水泥窑协同处置垃圾主要依托水泥厂原有生产设备，工艺流程简单实用，相比新建垃圾焚烧发电厂，尽管增加了有关设备的改造费用，但是减少了焚烧后烟气处理设备的建设，还是降低了很大的投资。由于是利用原有水泥生产线，无需新征大量土地，这无疑保护了我国宝贵的土地资源，也减少了项目建设中和土地有关的费用。

3.5 垃圾中的含氯物质应引起高度重视

水泥中过多的氯离子会锈蚀钢筋，破坏混凝土结构，影响建筑物的安全使用，危害很大。同时在水泥生产过程中，如果生料中氯离子含量大于0.015%，会经常性地造成预热器系统结皮堵塞和回转窑窑皮增厚及结圈现象，严重影响水泥厂的生产运行和水泥熟料的质量、产量。因此在垃圾处理前要对垃圾中的氯离子含量进行检测，注意垃圾处理量的控制，避免垃圾中含氯物质过多造成水泥回转窑的生产事故。

4 结 语

随着我国经济发展水平的不断提高和人们环保意识的增强，城市生活垃圾的分类收集将逐步得以实现，这将有助于提高城市生活垃圾在水泥生料中的添加比例和水泥窑协同处置的处理量。

我国目前利用水泥窑协同处置生活垃圾处于刚刚起步阶段，实际应用还很少，而全国有1600多条新型干法水泥生产线，未来发展潜力巨大，前景广阔。

作者简介：张玮（1979.10- ），汉族，本科，中级工程师，研究方向：建材行业的研究、设计。