水泥窑协同处置危险废物的环境影响研究

葛亚男，张 弛，袁 进*，张永梅，裴嘉忱

(1.太原理工大学环境科学与工程学院，山西 晋中 030600；2.太原理工大学环保产业创新研究院，山西 晋中 030600)

水泥窑协同处置技术已经成为国内外处置危险废物的终极手段之一。自1995年北京水泥厂建成我国第一条水泥窑协同处置危险废物示范生产线以来，水泥窑协同处置危险废物技术呈爆炸式发展，截至2019年7月，全国已建成或正在建设的水泥窑协同处置生产线达150条，其中危险废物处置线52条，处置能力达341万t/a。水泥窑协同处置技术尽管已经成为一种新兴的危险废物消纳和处置的方法，但危险废物引入的F、Cl、S等元素以及Cu、Pb、Cr、As、Zn等重金属元素对窑体稳定运行的影响，危险废物预处理和焚烧过程对资源消耗、能源消耗和污染物排放的环境影响并不清晰，因此有必要以量化的方式来评价危险废物的引入对水泥窑常规生产造成的环境影响。

生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)作为“从摇篮到坟墓”的评价方法，在水泥窑协同处置技术中已得到初步应用，如Holt等采用LCA方法研究了液态危险废物作为替代能源对环境的影响，结果表明有害废物共燃烧对环境有积极的影响；Güereca等采用LCA方法评估了石油焦和废物作为水泥窑燃料的环境影响，结果表明城市废物的协同处理可产生明显的环境效益，并且可以作为废物管理的战略选择；刘娜等、侯星宇等采用LCA方法评估了水泥窑常规生产和协同处置工业废物对环境的影响，结果表明水泥窑协同处置工业废物有更好的环境效益。当前的大多数研究是以水泥产品和熟料生产为基准，分析水泥窑协同处置造成的环境影响，缺乏危险废物引入后对水泥生产过程中资源消耗、能源消耗和大气污染物排放造成的环境影响研究。为此，本文将以废物流作为研究基准，LCA作为评价方法，研究危险废物引入对水泥窑常规生产造成的环境影响。

1 材料与方法

1.1 危险废物预处理工艺

危险废物的预处理工艺为“三态工艺”，即固态、半固态和液态危险废物分别根据其不同的特性进入不同的预处理系统，经各自的输送管道进入窑体。本案例危险废物的进料口均在分解炉，固态危险废物是经剪切式破碎机破碎后，通过人工进料或板喂机输送的方式直接入窑；半固态危险废物是经锤式破碎机和强击式破碎机破碎之后，以不发生化学反应、入窑Cl含量控制在2%以内的标准进行配伍，均匀混合后通过柱塞泵入窑，处置过程中没有外加热源，不混煤。水泥窑协同处置危险废物工艺流程如图1所示。该水泥厂月平均处置危险废物量为1 045 t，选取3个代表月为研究对象，数据来源于日平均值，其中代表月1和2处置高热值危险废物居多，代表月3处置污泥类危险废物居多，各种危险废物的特性和处置量见表1。

图1 水泥窑协同处置危险废物工艺流程图

表1 危险废物的特性和处置量

1.2 生命周期评价(LCA)方法

1.2.1 目标与范围

本案例LCA系统边界如图2所示，包含危险废物的运输、预处理、高温煅烧过程。以处置1 kg危险废物为功能单位，将危险废物引入后的资源消耗、能源消耗和大气污染排放减去水泥常规生产的资源消耗、能源消耗和大气污染排放构建生命周期清单，负值就说明危险废物引入后降低了环境影响。

图2 本案例LCA系统边界图

1.2.2 生命周期清单

水泥窑协同处置危险废物的生命周期清单见表2。其中，资源消耗和能源消耗数据来自实地调研；煤炭开采及运输、电力生产和危险废物运输等污染物排放的数据均来自中国生命周期数据库CLCD；SO、NO和颗粒物排放为窑尾实时监测数据；CO的排放来自于CaCO的分解和燃煤两部分；NH和HS主要为危险废物预处理过程释放，HCl和HF为危险废物引入后窑尾烟气的释放，这两部分均参照水泥厂的监测报告；用标准煤系数0.122 9 kgce/(kW·h)将电力生产和煤炭折合成统一单位进行表征。

表2 水泥窑协同处置危险废物的生命周期清单

1.2.3 生命周期环境影响评价

本文采用亿科环境科技有限公司开发的LCA在线分析软件eFootprint，内置中国生命周期数据库CLCD，基于CML2002方法，对水泥窑协同处置危险废物的环境影响进行评价，其评价主要分为以下两部分：

(1) 资源消耗和能源消耗造成的环境影响评价，其评价公式如下：

(1)

式中:

EI

表示某种环境影响类型消耗指标;

ER

表示在第

i

个过程中消耗的第

j

种资源或能源的数量。

(2) 污染物排放造成的环境影响评价，其评价公式如下：

(2)

式中:

EI

表示某种环境影响类型排放指标;

Q

表示导致该环境影响类别的第

i

种物质的排放量;

EF

表示第

i

种物质的环境影响因子。

1.2.4 解释说明

水泥生产过程中需要消耗资源和能源，同时排放大气污染物，本案例将综合考虑危险废物引入对水泥常规生产过程中初级能源消耗潜值(PED)、气候变化潜值(GWP)、酸化潜值(AP)和富营养化潜值(EP)的影响。

2 结果与讨论

水泥窑协同处置危险废物时相关的环境影响类型和环境负荷项目，见表3。水泥常规生产的环境影响来源于直接排放、煤炭开采及运输和电力生产；危险废物引入后水泥窑协同处置工艺造成的环境影响可分为直接排放、危险废物运输、煤炭运输、电力生产和煤炭开采五个部分，其中直接排放包含危险废物预处理及回转窑焚烧排放的大气污染物。

表3 水泥窑协同处置危险废物时相关的环境影响类型和环境负荷项目

2.1 初级能源消耗潜值(PED)分析

水泥窑协同处置危险废物的初级能源消耗潜值(PED)分布情况，见图3。

图3 水泥窑协同处置危险废物的初级能源消耗潜值(PED)分布

由图3可见：煤炭开采对PED的贡献比值最大，3个代表月均超过了95%，其他3个部分的贡献值即可忽略；代表月1和2煤炭开采的PED分别为-53.38 MJ和-29 MJ，说明这两个代表月危险废物的引入降低了初级能源消耗潜值，这主要与煤炭的消耗量有关。有研究表明，热值≥14 MJ/kg可以作为替代燃料。本案例中脱溶苯渣、低聚物、油漆渣和精(蒸)馏残渣等危险废物由于替代了部分燃料，因此在高温煅烧过程中降低了部分煤耗。例如：代表月1处置的油漆渣、精(蒸)馏残渣和蒸馏及反应残余物可替代燃料的危险废物达到了该月危险废物总处置量的29.04%，煤耗降低了13.44 kg/t 熟料，代表月2为25.98%，煤耗降低了10.79 kg/t熟料，而代表月3只有5.04%，因此代表月1煤耗最低；除此之外，代表月3处置的物化污泥(含水率高达66.83%)和生化污泥(含水率高达34.86%)超过该月危险废物总处置量的1/3，焚烧过程中水分蒸发消耗更多的热量，因此导致该月煤耗显著增加。

2.2 气候变化潜值(GWP)分析

水泥窑协同处置危险废物的气候变化潜值(GWP)分布情况，见图4。

图4 水泥窑协同处置危险废物的气候变化潜值(GWP)分布

由图4可见：直接排放对GWP的贡献值最大，为90%左右，电力生产次之，为7%左右，其他3个部分的贡献值即可忽略；代表月1和2直接排放的GWP分别为-4.27 kg·COeq和-2.3 kg·COeq，说明这两个代表月危险废物引入降低了温室气体排放造成的环境影响。GWP主要与CO排放有关，水泥生产过程中CO排放可分为直接排放和间接排放：煤炭燃烧和碳酸盐分解产生的CO属于直接排放;电力生产产生的CO属于间接排放。因此，本案例中煤炭和电力生产两大能源的消耗量会直接影响CO排放。由表2可知，代表月1和2中的部分危险废物可替代燃料，导致综合能耗分别降低了1.574 kg和0.834 kg，GWP值减小；代表月3由于处置高含水率的物化污泥和生化污泥，导致综合能耗升高了1.256 kg，GWP值增大。

2.3 酸化潜值(AP)分析

水泥窑协同处置危险废物的酸化潜值(AP)分布情况，见图5。

图5 水泥窑协同处置危险废物的酸化潜值(AP)分布

由图5可见：直接排放对AP的贡献值最大，3个代表月均达到85%以上；代表月1、2和3直接排放的AP分别为1.04×10kg·SOeq、3.88×10kg·SOeq和7.06×10kg·SOeq，表明这三个代表月危险废物的引入增加了AP。由表3可知，主要影响AP的气体有SO、HCl、HF等酸性气体，因此AP不仅与煤耗有关，还与危险废物引入的F、Cl、S元素含量有关。生化污泥、物化污泥、废油墨、废树脂和有机溶剂过滤残渣(S>7%)等危险废物在分选、储存、破碎和混合等预处理过程中，由于含氮有机物氧化或细胞物质氧化或是有机物在厌氧状态下自然分解，会无组织释放NH和HS到大气中，因此导致AP增加，其中预处理过程中产生的大气污染物对AP的贡献值低于10%。

有研究认为，入窑废物的质量控制指标为F≤0.25%、Cl≤1%、S≤2.5%，在高温焚烧阶段，危险废物引入的F、Cl和S元素对窑尾产生的大气污染物排放有一定的影响。参照张宏良的计算方法，本案例代表月1处置了富含F的酸泥，致使该月入窑F含量达到0.49%；代表月2处置了富含Cl、S的废催化剂和有机溶剂过滤残渣，致使该月入窑Cl和S含量高达1.38%和1.78%。由此可以看出，引入富含F、Cl、S元素的危险废物而产生的大气污染物的直接排放是导致酸化潜值增加的主要原因。代表月3的F、Cl、S含量尽管低于入窑控制指标，但由表2可知，该月煤耗有明显的增加，这也会很大程度上增大SO、NO的排放，因此代表月3的AP要明显高于其他两个月。

2.4 富营养化潜值(EP)分析

水泥窑协同处置危险废物的富营养化潜值(EP)分布情况，见图6。

图6 水泥窑协同处置危险废物的富营养化潜值(EP)分布

综上所述，水泥窑协同处置危险废物过程中，煤炭开采对PED的贡献值最大，直接排放对GWP、AP和EP的贡献比值最大；代表月1和2由于处置了高热值危险废物，导致煤耗降低、综合能耗降低，进而导致AP、PED和EP减小；代表月3由于处置了水分含量高的危险废物，导致煤耗、综合能耗增加，进而导致PED、GWP、AP和EP增加。

本文主要研究了危险废物引入后对水泥窑协同处置过程中能源消耗和大气污染物排放的影响，故建议水泥窑在协同处置危险废物过程中，首先应优选热值高于14 MJ/kg的危险废物，它们在降低能源消耗的同时，还降低了GWP和EP；其次，针对部分有机危险废物，应加强预处理过程的改进，并加强各类危险废物之间的配伍，减少它们之间的生物和化学反应，以降低GWP和EP；最后，针对部分水分含量高的危险废物，比如各类工业污泥，建议在入窑之前进行干化，或者进气化炉和炉排炉进行预烧，以降低PED和AP。

3 结 论

本文以某水泥窑协同处置危险废物为例，利用生命周期评价方法，从初级能源消耗潜值(PED)、气候变化潜值(GWP)、酸化潜值(AP)和富营养化潜值(EP)四个方面对水泥窑协同处置危险废物的环境影响进行了研究，得到如下结论：

(1) 危险废物的种类、性质和处置量直接影响能源消耗和大气污染物的排放，从而导致PED、GWP、AP、EP发生变化。

(2) 生化污泥、物化污泥、废油墨、废树脂和有机溶剂过滤残渣等富含有机质的危险废物在储存、破碎和混合过程中进行的发酵、氧化反应，会增加GWP和AP。

(3) 高温焚烧过程中，油漆渣、脱溶苯渣、精(蒸)馏残渣和废树脂等危险废物可作为替代燃料，降低PED、GWP和EP；富含F、Cl和S元素的酸泥、蒸馏及过滤残渣、脱溶苯渣、废催化剂及有机溶剂过滤残渣等危险废物会增加AP；水分含量高的物化污泥、生化污泥等危险废物会增加PED和EP。