水泥窑协同处置城市生活垃圾的最佳实践（上）

水泥窑协同处置城市生活垃圾的最佳实践（上）

Best Practice of Disposal of Urban Domestic Waste by Cement Industrry(Ⅰ)

王新频，吴小缓，梁树峰，赵娇，王冬

水泥窑协同处置城市生活垃圾，既可以减少煤的使用和CO2的排放量，又有助于解决城市生活垃圾日益增长给安全和环境带来的不良影响问题。

水泥窑的高温、足够长的停留时间和水泥生产的其他特性，使城市生活垃圾的协同处置成为一种可行的策略，这种做法已在一些发达国家中（如美国、日本以及欧盟的一些国家）普遍使用，许多发展中国家，如中国和南非也在积极采用。

1 城市生活垃圾现状

城市生活垃圾是人们使用后扔掉的日常用品，如产品包装、家具、衣服、瓶子、食物残渣、报纸、电器、涂料和电池等。城市生活垃圾的组成取决于其来源、季节以及当地居民的生活方式和行为。生活垃圾含水量较高，热值低，粒径范围广，灰分含量高。由于这些原因，直接使用城市生活垃圾作燃料是不现实的。垃圾可以在机械处理厂（MT厂）或机械生物处理厂（MBT厂）加工成垃圾衍生燃料（RDF）。RDF的优点是热值高，化学成分较稳定，易储存、处理和运输，易燃烧等。

表1为2012年世界各国的城市生活垃圾总量及人均每天产生的垃圾量[1]。最近几年，城市生活垃圾总量和人均垃圾产生量在一些发达国家已趋于稳定或正在减少（如美国），但在一些发展中国家却在增加（如中国）。此外，发达国家的垃圾回收率和利用率往往高于发展中国家。图1为2012年世界各国城市生活垃圾处理方法[1]，图2为2012年我国城市生活垃圾处理方法[2]，表2为城市生活垃圾作为替代燃料的典型特征[3]。一些发展中国家城市生活垃圾的热值往往低于表2所示的范围。据资料显示，全世界垃圾年均增长速度为8.42%，而中国垃圾增长率达到10%以上。全世界每年产生4.9亿吨垃圾，而仅中国每年就产生近1.5亿吨城市垃圾。目前中国城市生活垃圾累积堆存量已达70亿吨[4]。

表1 2012年世界各国城市生活垃圾总量和人均产生量

图1 2012年世界各国城市生活垃圾处理方法

图2 2012年我国城市生活垃圾处理方法

表2 作为替代燃料的城市生活垃圾的典型特征*

从图1和图2可以看出，我国的城市生活垃圾处理与世界发达国家相比还存在较大差距。比如，2012年，日本城市生活垃圾焚烧利用达到72.8%，堆肥8.7%，循环利用6.5%，卫生填埋仅12%；葡萄牙城市生活垃圾基本以焚烧为主，达到90%，堆肥10%，没有填埋处理；瑞士城市生活垃圾焚烧利用达到76%，堆肥13%，循环利用6.5%，卫生填埋仅11%。而我国2012年依然以卫生填埋为主，达到68.28%，简单填埋达到6.59%，可见我国城市生活垃圾的有效处理依然任重而道远，还有很大的利用潜力。

2 水泥窑协同处置介绍

2.1 水泥生产中二氧化碳的排放

每生产1t的水泥约释放0.73～0.99tCO2，二氧化碳排放量取决于水泥中熟料的比例和其他因素。水泥工业和其他大部分工业之间的主要区别在于，燃料消耗不是水泥工业二氧化碳排放的主要来源，水泥生产中释放的二氧化碳50%以上（或约540kg-CO2/t熟料）是由碳酸钙煅烧分解产生的。水泥生产过程中排放的二氧化碳的其余部分是燃料燃烧产生的，以提供加热到1 450℃煅烧所需的热能。水泥综合电耗100～110kWh/t，这部分电耗等效二氧化碳排放量5%。另外，大约5%的二氧化碳排放量与矿山开采和运输相关。

2.2 水泥工业城市生活垃圾的协同处置的原则

《巴塞尔公约》（2011年）将“协同处置”定义为“在能源和/或资源回收利用的制造工艺和生产过程中替代常规燃料和/或原材料的废物的使用”。

图3 欧洲水泥行业2003年和2004年协同处置废物量统计

废物协同处置在世界发达国家和地区，如日本、美国和加拿大等已经实行了二十多年。图3为欧洲水泥工业2003年和2004年的废物协同处置量[3]。在2006年，美国水泥工业采用废旧轮胎和溶剂以外的替代燃料（如城市生活垃圾和污水污泥）约占总能量输入的2.5%。到2009年，美国有63家水泥厂（约占70%）使用替代燃料[6]。然而并非所有的废物都适合于水泥工业的协同处置。水泥工业协同处置必须考虑废物和最终产品（水泥）的化学成分及其对环境的影响。不适用于水泥工业的废物有核废料、医疗垃圾、电池和未经处理的混合城市生活垃圾。GTZ/Holcim（2006）概述了水泥工业协同处置废物必须遵循的一般原则，见表3[6]。

表3 水泥行业协同处置废物必须遵循的一般原则

图4 废物的管理层次

2.3 水泥窑协同处置城市生活垃圾的优点

世界各地的水泥生产商使用城市生活垃圾、污泥和其他替代燃料来替代化石燃料。荷兰和瑞士的废物处置率分别为83%和48%，处于世界领先水平[8]。美国环境保护局2008年的研究表明，许多美国水泥厂表示使用替代燃料对他们保持持续的竞争力非常重要。利用水泥窑协同处置城市生活垃圾的优点如下：

（1）节省燃料成本，特别是在燃料价格上涨的时期。

（2）节约不可再生的化石燃料和保护环境。

（3）减少温室气体排放。

如前所述，水泥工业产生的二氧化碳排放量约为全球人为排放量的5%，其中能源相关的排放量约占半数，约40%来自燃料燃烧，10%来自用电和运输。图5为世界各地的水泥工业二氧化碳排放量历史数据和预估值[9]。从图5可以看出，全球水泥工业的二氧化碳绝对排放量将显著增加。

从表2可以看出，城市生活垃圾与燃煤相比碳排放因子较低。据报导，RDF协同处置与燃煤相比，CO2排放减少约1.6kgCO2/kg燃煤。2006年欧洲水泥工业废物协同处置节省燃煤18%，减少约800万吨二氧化碳排放量，节省约500万吨煤炭[10]。

图5 全球水泥行业的二氧化碳排放量历史数据及预估值

（4）避免垃圾焚烧和填埋的负面影响

在发达国家，常见的垃圾处置方式是焚烧，焚烧灰再在水泥窑协同处置，飞灰作填埋处理，尽量避免垃圾直接填埋。美国有86个城市生活垃圾焚烧设施，能够处理＞2 800万吨/年的废物，热回收能力2 720MW。城市生活垃圾焚烧后的灰渣因为重金属含量超标，被作为危险废物处置。

（5）协同处置后的焚烧灰掺入水泥熟料中，节省了水泥生产的原材料。

（6）避免焚烧或填埋时增加投资。

3 协同处置的相关法律

有效的监管是确保水泥工业协同处置废物不对健康或环境产生负面影响的重要手段。在回转窑的高温下废物有机物质几乎完全转化为CO2和水，有机化合物的排放（如二■英和呋喃）浓度很低，烟气排放和水排放必须严格执行相关的国家标准。

3.1 一般性法律框架

在国际上，巴塞尔公约是国际公认的处理危险废物的法律框架，对水泥工业协同处置危险废物发挥着重要作用。目前，已有178个国家加入了巴塞尔公约。公约规定，危险废物经过协同处置对环境无害时才可以越境出口、进口或过境；对巴塞尔公约缔约国负有义务，以确保对危险废物和其他废物的无害环境管理。发达国家大多已建立了自己的废物管理法律框架。

图6 垃圾焚烧、填埋与水泥窑协同处置的温室气体排放量比较

3.2 欧盟

像李先生这样的小客户，更换设备的频率很小，公司根本就没指望再能赚到他们的钱，我便不耐烦地告诉他，公司的优惠政策只针对长期合作的老客户。

（1）废物框架指令（WFD）

欧盟通过废物框架指令（2008／98／EC）对基本废物进行限制。所有会员国均须在规定的时间内调整本国法律，使其与该指令的规定一致。WFD建立了基本概念和定义，包括废物回收、循环、预防和管理。该指令还建立了废物管理原则，要求废物的管理不能危害人体健康和污染环境，特别是不能危及水、空气、土壤、植物和动物，无噪声或异味，并对农村或有特殊要求的地方无不利影响。此外，WFD还规定了废物管理层次（见图4）。

（2）填埋指令

1999年颁布的填埋指令（1999／31／EC）是欧盟水泥窑协同处置最有影响力的驱动因素之一。填埋指令的颁布是为了应对人们日益增长的对废物填埋负面影响的担忧，废物填埋污染了土壤、水源和空气，导致生存条件及人类健康不断恶化。该指令的最终目标是实现欧盟的垃圾分级，它将填埋定义为垃圾处理和处置的最后选择。

表4 欧盟水泥窑协同处置城市生活垃圾污染物排放限值，mg/m3

表5 美国水泥窑协同处置2011 CISWI标准排放限值

垃圾填埋指令规定了垃圾填埋场的垃圾处理程序、垃圾的成分和浸出行为，并建立了垃圾填埋场许可证制度。

（3）废物焚烧指令（WID）

针对公众对垃圾焚烧所带来的健康和环境影响的关注，欧洲委员会制定了废物焚烧指令（2000／76／EC），其目标是通过设定垃圾焚烧厂的排放限值，减少垃圾焚烧对环境的负面影响。

（4）综合污染预防和控制指令（IPPC）

除了WID的排放限制及其他具体要求，综合污染预防和控制指令也适用于协同处置工厂。IPPC指令旨在采用综合的方法，围绕环境准入制度和最佳实用技术（BAT）的应用，减少工业污染。

（5）工业排放指令

工业排放指令（2010／75／EC）整合了7个现有的与工业排放有关的指令，重申了综合污染防治与控制指令（IPPC）概述的原则，包括执行基于综合方法的环境许可制度，要求采用最佳实用技术（BAT），给予许可部门一定的弹性空间，以及提供公众参与许可流程和访问排污数据报告的便利条件。

表4为欧盟水泥窑协同处置城市生活垃圾排放限值[10]。

3.3 美国

欧盟的水泥工业协同处置条例源于对废物产生、污染和垃圾填埋场短缺的担忧，与此不同的是，美国协同处置的法规，主要源于对环境保护的关注和清洁空气法案的实施。该法案要求美国环境保护局制定空气质量的最低国家标准，不符合排放标准的区域（称为“非达标区”）需要实行特定的控制空气污染的措施。

该法案的第109条要求美国环保署对6种主要污染物（即“标准污染物”）制定国家环境空气质量标准。标准污染物包括：CO、Pb、NO2、臭氧、2.5μm和10μm颗粒（PM2.5和PM10）以及SO2。

在清洁空气法案第129条特别规定，在水泥工业水泥窑协同处置城市生活垃圾和污水污泥,其排放必须符合以下污染物排放限值：Cd、CO、二英和呋喃（PCDD/PCDF）、HCl、Pb、Hg、NOX、PM2.5和PM10以及SO2。

表5为美国水泥窑协同处置2011 CISWI标准排放限值[12]。

（未完，待续）

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建筑材料工业技术情报研究所，北京100024；

2016-06-22；编辑：赵莲