国外水泥工业消纳废弃物的现状(上)

韩仲琦

1 前言

（1）“水泥窑协同处置废弃物”，是国外水泥工业发达国家在20世纪90年代初提出的一种水泥工业使用废弃物的方式，它是指将能满足回转窑煅烧要求的废物（含固态、液态、半液态工业废弃物、城市垃圾、污泥及危险废弃物等）投入水泥窑，在进行水泥熟料生产的同时对废物进行高温无害化处理。随着技术的发展、废弃物的种类增加和范围的扩大，与其适应的标准规范和法规政策，也逐步得到完善，“水泥窑协同处置废弃物”现已成为水泥生产企业的一种优选模式。日本、德国、美国、丹麦、瑞士、法国、英国、意大利、挪威、瑞典、加拿大等发达国家，先后采用了这种技术，近30年来出现了多种范例并积累了一些经验。日本、欧洲一些水泥企业的废物替代率可达50%左右，水泥窑的“替代燃料”达到20%～40%。此外，韩国、巴西、墨西哥、印度尼西亚、泰国、摩洛哥、巴基斯坦、印度等，也都加入了这一行列。

（2）水泥是一种重要的基础原材料，为经济建设和人类文明做出了巨大贡献，然而随着经济体系的不断发展，水泥产业越来越受到了环保压力，在颠覆性水泥生产技术出现之前，“水泥窑协同处置废弃物”可能成为水泥工业可持续发展的必由之路，各国都在关注这一领域的发展，并在深入探索消纳废弃物与水泥生产之间的关系。

（3）我国水泥科技工作者在20世纪90年代后期，开始研究探索水泥工业处置废弃物的问题，在吸取国外成功经验的基础上，开展了水泥窑系统协同处置工业危险废弃物、生活垃圾及城市污泥的基础研究及应用工作，现已取得很大进展，取得一批专利技术，建设了不同类型的多条示范线。随着我国产业结构的深入调整，落后产能逐步退出舞台，“协同处置”将会有更快的进展。

（4）“水泥窑协同处置废弃物”（本文以下简称“协同处置”）的内涵包括两层意义：其一是，水泥工业从替代燃料和替代原料的收益中，可以减少化石类燃料的能源消耗或减少天然化石类原料的资源消耗，是对环境友好的表现。但“协同处置”也使得传统水泥企业流程变复杂。“协同处置”另一层意义是，可以减少社会废物的无害化处理量，可以减少传统垃圾焚烧厂的数量和填埋场的数量。总的来说，“协同处置”的社会意义更为重要。

（5）本文以下介绍了国外“协同处置”的发展现状和发展趋势，如协同处置废弃物的各种模式和范例、法律法规体系、“协同处置”的延伸研究及与环境关系的深层次研究等。在文章的最后，笔者提出了推进“协同处置”要关注的事项，供读者参考。

2 国外“协同处置”的模式和研究

2.1 日本的范例和研究

2.1.1 概说

2018年日本共有17家水泥公司30家工厂，年熟料生产能力约5 500万吨。日本每年约产生6亿吨废弃物，其中约一半得到了循环利用，而循环利用量的十分之一由水泥工业“协同处置”。

水泥产业一直积极地把废轮胎、粉煤灰等其他产业的废弃物作为代用燃料、代用原料或以混合材形式使用，最近下水污泥、垃圾焚烧灰和城市垃圾也得到了积极采用，从2001年开始处理肉骨粉，并在全日本得到推广。日本水泥厂用的废弃物热回收率可达70%。

日本水泥协会从1996年开展了“环境自主行动计划”，其中有3项内容与“协同处置”有关：

（1）提高替代燃料的使用量

从社会效益看，会减少化石类燃料的消耗，减少温室气体CO2生成量。

（2）扩大使用各种废弃物

利用含有CaO的废弃物，不但可以消减CO2排放量，还可对循环经济社会作出贡献。

（3）增加混合水泥的产量

日本的混合水泥是指掺加混合材的水泥（即我国的普通硅酸盐水泥），由于比波特兰水泥的熟料使用量少，可减少烧成的热耗和减排CO2。

日本关于废物的定义是这样的：根据日本废弃物处理法的规定，水泥工厂可以接受处理“废弃物种类”的废弃物，而“副产物”是指废弃物以外的水泥厂可接受处理的废物。日本处理量超过100万吨的废弃物是：矿渣、粉煤灰、污泥、副产石膏、建筑废土、焚烧灰。现在每吨水泥使用的废弃物约达到500kg，包括替代燃料、替代原料、混合材的使用量。一般处理量比较少的废弃物包括：废酸、废碱、碎玻璃、废陶瓷、罐头盒、RDF、RPF。

2.1.2 应用研究

在21世纪初，日本针对城市垃圾急速增加的问题，结合国情对城市垃圾的“协同处置”进行了应用研究，建立了3种处理模式，对水泥工业做出了一定贡献，简述如下：

（1）水洗垃圾飞灰氯

此方法由日本埼玉县、熊谷市和秩父小野田公司合作研究，解决垃圾焚烧飞灰中的高氯问题，滤液与回转窑废气中的CO2反应产生沉淀，经压滤后可作为粘土的替代品使用，生产硅酸盐水泥。

（2）以城市垃圾焚烧灰（焚烧渣）和下水污泥等作为水泥的主原料

这种水泥定义为“生态水泥”，最先由市原水泥厂生产，在日本已制定工业标准并用于工程实例。生态水泥最大限度地利用了焚烧灰的有用成分，1t水泥约使用垃圾焚烧灰和下水污泥500kg，烧成时产生的二噁英类毒素可在回转窑1 350～1 500℃的高温中分解。

（3）原生态城市垃圾发酵处理法

这种方法是不对城市垃圾分类处理，城市垃圾直接运到水泥厂通过发酵处理后便作为水泥的补充原料和燃料进入回转窑煅烧成熟料。此技术由日本太平洋水泥公司开发，在埼玉水泥厂进行了工业实验，年处理垃圾量为1.5万吨。

2.1.3 “协同处置”的深入研究

在产能过剩情况下，两年一次的全日本“水泥技术大会”持续召开，2019年5月在东京召开第73届大会。在“面对下一个100年”的口号下，提出了多项可研讨的课题。水泥与环境领域的研究重点是替代燃料、高效利用废弃物和减少环境负荷的影响。目前已进行的两项基础研究是：

（1）废弃物与水泥熟料质量的关系

使用废弃物的水泥产品中，Al2O3的成分较多，所以今后要考虑的是，水泥中“间隙质”的增加问题，“间隙质”较多的话将对凝结时间、水化热、流动性、最终强度、收缩率造成影响，故应研究其影响关系，找到对应措施。另外，“间隙质”对水泥熟料烧成的节能作用，其研究成果可能促进废弃物的应用。

（2）混合材的研究

掺入混合材是“协同处置”中替代原料的问题，在控制一定量的情况下，加入石灰石等混合材与废弃物混合，能保证水泥的性能不变，从而实现废弃物的可利用性与低碳化的平衡，是“协同处置”的新研究内容。

2.2 德国的模式

2.2.1 循环流化床热解废弃物方法

20世纪80年代中后期，德国伯利休斯、洪堡等公司已进行了一系列工业性试验，研究利用水泥窑处置垃圾、废轮胎及其他可燃性工业废弃物的相关技术，取得了一定的成功，并开始用于工业生产。1995年汉堡附近的一台4 500t/d水泥回转窑开始投产用来处理生活垃圾，柏林水泥厂因焚烧大量的垃圾及有害物，大大降低了水泥产品成本。

德国Rüdersderf水泥厂，每年处理废弃物作为替代原燃料量在24万吨以上。废弃物主要是旧木材、塑料、橡胶、粉煤灰、铸造废砂、高炉炉灰等。废弃物的处理设备主要是熟料车间的循环流化床，对废弃物的质量有着一定要求，控制指标见表1和表2。

可燃废弃物通过气控热分解形成可燃气体，采用循环流化床焚烧废弃物有许多优点，如废弃物在流化床内可充分气固混合，停留时间较长，可保证固体可燃物充分气化所需的反应时间，可以进行很好的气固热交换，并且热解气体的输出对废弃物的投料量和窑的操作波动状况不敏感。

此外，该厂还对生产过程中形成的废弃物，进行了很好的分类，进行再利用或循环再生，不向环境提供废弃物。

表1 Rüdersderf水泥厂原燃料重金属含量要求，%

表2 Rüdersderf水泥厂替代燃料废弃物性能要求

2.2.2 洪堡“协同处置”技术

2012年在德国亚琛举办的第六届国际水泥燃料大会上，洪堡公司获得“最具创新性替代燃料技术”大奖，德国洪堡的回转窑燃烧器适合在回转窑上焚烧多种替代燃料，保证一次风量低和低氮运行。其最新开发的AFR燃烧器，可使用多种类替代燃料并具有较高的替代燃料比率。另外，在分解炉燃烧替代燃料技术上，能适应粗颗粒或块状的替代燃料，其预燃室能够确保燃料完全燃尽，确保替代燃料在燃烧室的停留时间，所以适合高替代燃料比使用。根据替代燃料的氯、硫等有害成分的含量，还有阻隔氯和硫循环富集的预案。这样的燃烧炉很适用于非常难以点燃且燃烧性差的劣质燃料，例如劣质无烟煤、石油焦、劣质二次燃料或废弃物衍生燃料等。由于这样的燃烧室对燃料质量和燃料制备的要求低，所以在实际应用中，分解炉几乎可以达到100%的替代燃料利用率。

2.2.3 物料预处理系统

物料预处理系统（Shredding-Mixing-Pumping System）是为解决工业废弃物和危险废弃物而设计的物料预处理系统，即破碎—混合—泵送系统。该系统全程无需人工参与，自动运行，最大限度地避免了操作者与危险废弃物的直接接触，保证人员安全。该术语1988年被提出，1998年德国首次采用，是危险废弃物预处理最先进的方式，目前我国已有企业引进该系统。

2.3 丹麦史密斯公司

丹麦史密斯公司热盘炉技术是在水泥生产线的分解炉处设置垃圾焚烧炉，见图1。热盘炉是一种构造简单的燃烧装置，与水泥窑预分解系统组成一个整体，主要流程是：窑三次风、部分高温生料和可燃垃圾一同进入热盘炉内，在慢速旋转的圆盘上开始充分地氧化燃烧，圆盘的转速为1～4r/h，从物料进口到炉渣和生料混合物卸出，在圆盘上大约要运行270°，卸出的残渣向下落入窑尾，细小的飞灰和生料则随高温气体分解入炉。按可燃垃圾的性质，调节圆盘的转速，使其能在炉内有足够的时间，达到充分燃烧的目的。

图1 史密斯公司热盘炉系统图

表3 废弃物分类

表4 可燃废弃物的来源

当烧成系统出现意外故障时，设在热盘炉上方的冷生料小仓可以直接放生料入炉，阻断垃圾燃烧，使热盘炉上的火很快熄灭，避免水泥窑系统运行不正常时环保超标排放。热盘炉已在挪威一家1 600t/d水泥生产线上投入运行，主要是燃烧可燃垃圾（如汽车轮胎、电话机插板等）。

2.4“协同处置”废弃物的分类和来源

2.4.1 废弃物分类

不同国家或地区的废弃物定义可能不同，但其分类和内容可参考表3、4的内容，本文中所使用的废物与废弃物是等同的含义。

2.4.2 替代原料的废弃物

主要内容是：工业副产物、尾矿渣：石灰浆、电石渣、工业石灰、铸造渣、硅石废料、粉煤灰、赤泥、硫铁矿尾矿、赤铁矿渣、锡渣、石材废弃物等。

2.4.3 不允许使用的废物

主要内容是：核废物、电子废物、特别类电池、具有传染性和生物活性的医疗废物、无机酸和腐蚀剂、爆炸物、包含石棉的废物、放射性废物、含高浓度的氰化物废物、要销毁的化学武器或生物武器、未分类市政垃圾、其他未知成分的废物。

2.5 废弃物的前处理

（1）一般固体废物的前处理流程（见图2）。

（2）液体废物的前处理（见图3）。

（3）半固体废物的前处理（见图4）。

2.6 机械生物预处理技术

这是最近发展起来的综合废物分类处理技术，采取机械生物处理，获取垃圾衍生燃料（Refuse Derived Fuel），具有热值高、燃烧稳定、易于运输、易于储存、二次污染低和二噁英类物质排放量低等特点，美国检查及材料协会（ASTM)按城市生活垃圾

图2 固体废弃物的入窑前处理

图3 液体废弃物的入窑前处理

图4 半固体废弃物的入窑前处理

2.7 回转窑焚烧废弃物的各种方法

（1）使用专门的多通道燃烧器，焚烧废塑料、废木屑、废织物等多种固体废弃物；

（2）使用专门的液体或液体与固体混合的燃烧器，焚烧渣油、废酒精类等液体可燃废弃物（见图6“协同处置”回转窑焚烧系统示意图）；衍生燃料的加工程度、形状、用途等将RDF分成7类，可提供给不同用途的循环再利用，其中有可供水泥使用的替代燃料，见图5。

（3）使用专门设计的固体可燃废料投放装置，将废轮胎或其他整捆、整包固体废弃物投掷到回转窑内焚烧；

（4）在回转窑尾增设的高温煅烧炉内，焚烧尼龙纤维等高温胶质废弃物；

（5）使用一种称为热盘的辅助燃烧装置，对一般可燃废弃物和衍生燃料加工，产生的气态热能从窑头进入水泥窑或从窑尾进入分解炉煅烧物料，其残渣作为辅助原料使用；

（6）使用流化床裂解炉系统，处理废木屑、废布料、废塑料、废橡胶、废纸张以及被油浸渍或污染的土壤等具有较高热值的废弃物，裂解形成的高热值烟气通过管道输送到分解炉上的气体燃烧器，而裂解形成的无机物残渣则通过流化床底部的卸料口卸出，作为原料磨的配料组分之一进入生料制备系统。

2.8 “协同处置”所需的机械设备与检测装置

2.8.1 磁选和分选机械设备

在工业废弃物中难免掺有铁物质，因此高效的磁选机械设备是十分必要的。另外要适应不同产业废弃物的分级分离特性，还要有各种分选设备。利用固体物料本身特性的差异（如比重、色彩、成分等特性）分离分选固体颗粒的技术，随着废弃物再循环利用技术的发展而得到了进一步开发。汽车、废家电和电子零部件的拆分、废塑料、城市垃圾、粉煤灰、建筑废弃物等的分级，目前已用于衍生燃料的制备上。

2.8.2 移动式给料机和储料装置

图5 机械生物预处理流程图

图6 “协同处置”回转窑焚烧系统示意图

废弃物的种类很多，数量和品种的变化又很大，所以水泥厂的输送机械和储存设施与常规水泥厂不同，要求灵活性大且容易移动，往往储存和破碎结合在一起。如Aumund集团B&W公司的萨姆森带式给料机，可以直接从自卸卡车接受物料，然后向前传送到次级给料器或物料接受点,全套装置可以是全封闭的或部分封闭，没有操作时的粉尘污染。

2.8.3 破碎与压缩固化机械设备

水泥工业通常使用的破碎机械设备是为了石灰石和粘土等的破碎，但是废弃物很复杂，这些破碎机械设备很可能不能适应，现在国外已出现许多产业废弃物的破碎机械设备，如已出现建筑废材用、粗大垃圾用、废塑料用、废木材用的三轴或四轴强力破碎机，针对废纸、纤维状废料和橡胶类废弃物的破碎机等。新出现的四轴二段式粉碎机，可以把废弃物破碎到25mm以下。此外还有用于城市垃圾不燃物的减容及产业废弃物的固形化的压缩成形机，可形成有一定外形的代用燃料或再利用原料，这样处理之后，杂乱且占有很大空间的废弃物，可以摆放整齐且紧凑，减少空间的占用。

2.8.4 阀门、泵和风机

对这些通用机械设备的总的要求是：耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐磨、耐冲击，往往直径的变化范围较大。

2.8.5 监测和检测装置

污染物监测与检测所需的装置很多,光学、机电学、微电子技术、粉体技术、仪表制造技术、计算机及智能技术的高速发展，使得近代检测技术和仪表装置有了很大进步，出现了许多智能化仪器。下面举出“协同处置”可能涉及到的监测与检测内容：

（1）大气污染物的监测与检测的内容：颗粒物、SO2、NOx、氟化物；

（2）焚烧生活垃圾的污染物监测内容：汞、镉、铅、二噁英、恶臭；

（3）焚烧危险废弃物的污染物监测内容：烟气黑度、烟尘、CO、SO2、HF、HCl、氮氧化物、Hg、Cd、砷、镍及其化合物、铅及其化合物、铬、锡、锑、铜、锰及其化合物、二噁英类；

（4）原燃料重金属检测内容：Hg、Ti、Cd、Pb、As、Cr、Cu；

（5）水泥和熟料中有害元素检测内容：Sb、As、Be、Cd、Cr、Co、Cu、Sn、Hg、Ni、Pb、Se、Ti、Zn及产品放射性。