我国水泥窑协同处理生活垃圾主要问题分析

宋薇，蒲志红，陈冰，丁兆勇

（中国城市建设研究院有限公司，北京100120）

我国水泥窑协同处理生活垃圾主要问题分析

宋薇，蒲志红，陈冰，丁兆勇

（中国城市建设研究院有限公司，北京100120）

生活垃圾处理保障性、垃圾掺加量、垃圾分选效率、二次污染控制以及技术经济性是当前评价我国水泥窑协同处理生活垃圾技术适用性时最为关注的问题。分析了上述问题产生原因，讨论研究了可行的解决方案及其进一步工作方向。

水泥窑；协同处理；生活垃圾；掺加量；分选

我国水泥窑协同处理生活垃圾技术从2007年开始实践研究，到2010年进展明显加快［1］。截至2015年7月，已经投产运行项目共18个，设计生活垃圾处理规模为8 350 t/d，占到同期我国生活垃圾处理能力的1.6%。总体看来，目前我国水泥窑协同处理生活垃圾仍处于探索实践阶段，技术工艺仍有待完善。生活垃圾处理保障性、垃圾掺加量、垃圾分选效率、二次污染控制以及技术经济性是讨论此技术适用性时最为关注的问题。

1 生活垃圾处理保障性问题

1.1 市场需求与产能过剩问题

近年来，水泥行业一直存在产能过剩的问题，2015年实际产能利用率已低至65%，即水泥厂在全年有35%的时间处于停产状态。造成这种总体产能过剩的原因是前几年的快速扩大产能，全国各地争相上项目，市场对水泥的需求急剧增加，催生出大批水泥项目。而随后几年，基础设施建设速度的放慢直接导致水泥需求量的下降，水泥行业产能严重过剩问题凸显出来。

1.2 产品需求季节波动较大，北方地区实行错峰生产

在我国北方冬季采暖期间，水泥企业实行全面统一停窑行动，在冬季采暖结束后再开窑生产的运行机制。因此，水泥生产具有明显的周期性与季节性，而生活垃圾的产生则是稳定连续的，对垃圾处理设施也要求具备一定的稳定运行时间，如炉排炉要求年运行时间不少于333 d（8 000 h）。在将水泥窑作为惟一垃圾处理设施的地区，实现稳定有保障的垃圾处理是有风险的。因此，需要当地建有垃圾焚烧或填埋处理设施共同承担垃圾处理任务，或者与周边地区形成一定应急联动机制，特定情况下能由其它地区的垃圾处理设施代为处理垃圾。

2 生活垃圾掺加量的问题

生活垃圾在水泥窑焚烧处理后，形成的固体物质除含有水泥的主要成分SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，还有影响水泥质量的化合物，如MgO、Na2O、K2O、SO3及Cl-等。所以生活垃圾掺加量不宜过多，否则会影响熟料性能。另外，垃圾掺加量过大，会造成热工系统紊乱，引起窑尾系统的结皮和堵塞，影响水泥窑的正常运行，为此需要确定垃圾的最大掺加量。目前垃圾掺加量主要受到其中的氯含量限制。在水泥窑设计时，通常要求生料中氯含量不超过0.03%。超过这一值时，需要设置旁路系统以保证系统正常生产［2］。

根据标准规定以及相关理论分析，对于垃圾掺加量进行粗略估计。假设条件如下：①水泥窑生产能力5 000 t/d熟料，生料量则为8 000 t/d；②进料氯含量为0.04%；③石灰质原料中的氯含量为0.005%；④生活垃圾（含氯量平均值在0.2%～0.8%），垃圾衍生燃料（RDF）含氯量在0.5%～1.3%；⑤每放风1%，热耗增加约9.6 kJ/kg，物料损失量0.001 kg/kg［3］。经过分析，在不采用旁路放风时，RDF进料量为120～320 t/d；采用旁路放风，放风量为10%时，则进料氯量为0.13%，RDF进料量为470～1 220 t/d。在增加垃圾掺加量时，旁路放风也会造成一定的能耗与物耗。①能耗损失，根据每放风1%，热耗增加约9.6 kJ/kg计，按10%的放风量，1 d放风1 h，则相当于增加了75 t标煤，即增量垃圾要多消耗标煤0.08～0.21 t，按500元/t标煤计算，则需按40～105元/t增加RDF。②熟料损失，按物料损失量0.01 kg/kg计，则每天熟料减产2 t，即增加2 t窑灰，此部分污染物含量较高，按危险废物处理（2 000元/t计），则损失4 000元，即4～11元/t增加RDF。综合以上2部分，则5 000 t的水泥窑为提高RDF量350～900 t，则需要增加的成本为44～116元/t增加RDF。经由上述分析，通过旁路放风可提高生活垃圾的掺加量，同时也因此增加了能耗与物耗，相应地增加了垃圾的额外处理成本。

3 垃圾分选技术问题

分选协同处理路线是建立在一定的垃圾分选效果上。混合生活垃圾分选一直是我国生活垃圾处理的一个难点。由于混合垃圾含水率高、有机物含量高，导致分选效果一直不理想。先发酵后分选及先分选后发酵垃圾分选入窑的技术中，前者分选效果较好，但是发酵过程中会产生较为严重的臭气，控制臭气则需要较高的运行成本；先分选后发酵避免产生严重的臭气污染，但是分选效果较差，分选出的RDF质量较低。

4 二次污染控制

水泥窑协同处理垃圾过程产生的二次污染主要有：烟气、渗沥液、臭气、窑灰或旁路粉尘，对于只处理RDF不处理惰性物质的企业，还要妥善处理分选得到的惰性物质。其中臭气控制、窑灰与旁路粉尘控制以及重金属污染需要特别关注。

4.1 窑灰与旁路粉尘

窑灰中Hg、Tl等挥发性元素含量较高；旁路粉尘中氯含量、Se、Mo、Pb、Cd等半挥发性重金属含量较高，因此窑灰与旁路粉尘需要谨慎处置。《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》规定：未经处置的从水泥窑循环系统排出的窑灰和旁路放风收集的粉尘不得再返回水泥窑生产熟料；从水泥窑循环系统排出的窑灰和旁路放风收集的粉尘若采用直接返回入水泥熟料的处置方式，应严格控制其掺加比例。目前，对于窑灰与旁路粉尘建议按危险废物进行安全处置。

4.2 重金属污染控制与水泥产品环境安全性

生活垃圾中含有一定量的重金属，通过水泥窑煅烧过程，有部分重金属固结在水泥熟料中。水泥制成品在使用过程中，由于老化、风化等因素影响，重金属会发生迁移现象。国外发达国家已经建立从重金属产生源头到水泥产品中重金属含量的测量方法，相关的法规及标准也比较完善。国外经验表明，只要控制得当，重金属的浸出、迁移对环境的影响较小。但是我国垃圾分类也不如国外彻底，相关的标准体系也不完善，因此需要进一步研究确定基于环境风险评价的水泥产品重金属含量标准以及进料中的重金属可接受量。

5 经济效益问题

5.1 建设投资与运行成本

新增建设投资包括：预处理设施（卸料及输送系统、干化系统、后分选系统、物料存储、配套工程、生产管理与生活服务设施）、协同处理设施（可燃物入窑系统、无机渣土入窑系统）、配套工程（旁路放风系统、新增生活垃圾有关的监测化验、在线监测系统、车辆冲洗等设施）［4］。由于技术路线、建设规模、建设内容与设备水平不同，各项目的建设投资相差较大：预处理设施为15～20万元/t；协同处理设施17～31万元/t；预气化处理18～42万元/t；总体看来水泥窑协同处理垃圾设施总增量投资在30～50万元/t。

新增运行成本包括：垃圾预处理（卸料、发酵干化、分选）及其二次污染控制（渗沥液处理、除臭系统）、协同处理（贮存与投加）、二次污染控制（烟气处理）等。根据目前项目的运行经验，吨垃圾运行成本在50～85元/t。综合考虑建设投资折旧与运行成本，各技术吨处理成本大体为：预气化处理210元/t；分选协同处理200～220元/t（其中分选预处理110～140元/t，水泥窑协同处理100～140元/t，不包括运输成本）。

5.2 增加收益

5.2.1 节省煤量

水泥窑的节煤量不仅与替代料性质有关，还与协同处理技术与装备配置有关。海螺的CKK系统为气化炉离线型燃烧垃圾，系统热损失较大，替代标煤量较少。中材溧阳与华新的处理系统是在分解炉内在线型燃烧，替代标煤量较多。在此粗略估计在线型燃料的节煤量，按替代燃料热值不低于11 MJ/kg，含水率不高于30%计，则吨替代燃料可替代0.3～0.4 t标煤。以500元/t标煤计，则替代燃料价值为150～200元/t。对于1台5 000 t/d水泥窑，处置垃圾能力400 t/d的生产线，替代燃料产出率按30%～40%计，则日节煤1.8～2.4万元，即吨垃圾由替代燃料产生的收益为45～60元。

5.2.2 垃圾处理补贴

水泥窑协同处理垃圾的国内市场还未完全成熟，政府补贴通常参照焚烧发电项目。其中，安徽铜陵与甘肃平凉项目的补贴较高，分别为192元/t与156元/t外，其它项目垃圾补贴均不超过100元/t。

综合考虑节煤与垃圾处理补贴收益，绝大多数协同处理垃圾项目增加的收益低于其垃圾处理成本。

6 结论与建议

6.1 结论

1）由于水泥生产具有明显的周期性与季节性，因此需要与其它垃圾处理设施（垃圾焚烧厂或填埋场）形成一定联动机制，特定情况下可由其代为处理，以此保证生活垃圾的有效处理。

2）生活垃圾掺加量过大会对水泥窑的正常运行以及熟料质量造成不利影响。通过旁路放风可以提高垃圾掺加量，但由此也会产生较高的物耗与能耗。

3）垃圾分选效果差是影响分选协同处理技术应用的主要难题。我国生活垃圾采用混合方式收集，分选效果不理想。协同处理时通过发酵可以一定程度地提高分选效率，但也伴随着臭气污染。

4）窑灰与旁路粉尘含有较高的有害物质，建议按危险废物进行安全处置；垃圾带入过多的重金属可能对水泥制品的环境安全性造成不利影响，因此需要进一步完善相关标准体系，确定安全的生活垃圾重金属带入量。

5）综合分析现有协同处理垃圾项目的资金投入（建设投资与运营成本）与收益（节煤与垃圾处理补贴）表明，绝大多数水泥窑项目，协同处理垃圾增加的收益低于其处理成本。

6）比较协同处理与垃圾焚烧，在建设投资方面，协同处理略低于垃圾焚烧；在处理成本方面，两者相差不大，但由于垃圾焚烧有发电上网补贴，经济收益较好。在目前垃圾焚烧技术成熟度高，应用广泛、处理效果良好且稳定，在同等垃圾补贴条件下，协同处理技术没有明显的替代优势。

6.2 建议

1）目前我国对水泥窑协同处理生活垃圾进行了积极探索，但技术工艺上还有待完善，因此建议利用现有运行项目对垃圾掺加量、垃圾分选、二次污染控制、经济效益核算等问题再进行深入研究，提出更为适宜的解决方案。

2）目前水泥窑协同处理相关数据仍不健全，因此建议建立项目动态的信息公开制度。通过对现有项目的污染物排放、水泥产品质量、能源消耗、成本等数据进行科学的连续监测和长期跟踪，为客观评价此技术的污染控制水平、产品质量和运行经济性提供数据依据。

3）水泥窑协同处理建设与改造工程都涉及若干专业性很强的技术问题，因此需要在现有项目的基础上进一步健全完善相关技术标准与规范，通过规范项目建设与运行，真正实现水泥窑协同处理生活垃圾的资源化与无害化。

［1］王昕，刘晨，颜碧兰，等.国内外水泥窑协同处置城市固体废弃物现状与应用［J］.硅酸盐通报，2014，33（8）：1989-1995.

［2］和春梅.预分解窑旁路放风［J］.中国水泥，2006（8）：52-55.

［3］彭学平，胡芝娟.水泥窑旁路放风的设置及其效果［J］.中国水泥，2001（6）：8-10.

［4］袁文献，何宏涛，余群善.水泥窑和焚烧炉联合处理城市生活垃圾系统投资和效益［J］.中国水泥，2010（9）：50-51.

Issues on Cooperative Disposal of Municipal Solid Waste by Cement Kiln in China

Song Wei，Pu Zhihong，Chen Bing，Ding Zhaoyong
（China Urban Construction Design&Research Institute Co.Ltd.，Beijing100120）

The indemnification of municipal solid waste treatment，waste adding amount，waste separation efficiency，secondary pollution control，and technical economy are the most concerned issues to evaluate the applicability of municipal solid waste treatment coupled with cement kiln technology in China.Based on the analysis of the causes of the above problems，the feasible solutionsand future work are discussed.

cement kiln；cooperative disposal；municipal solid waste；adding amount；separation

X799.3；X705

A

1005-8206（2017）04-0044-03

宋薇（1978－），高级工程师，主要从事生活垃圾处理技术与管理研究。

E-mail：weisong1840@sina.com。

2017-02-07