城市生活垃圾處理是城市環(huán)境衛(wèi)生治理的一大難點，而利用新型干法水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)在處置成本、污染控制上有明顯的優(yōu)勢，是目前實現(xiàn)垃圾減量化、無害化、資源化、能源化的有效手段之一。本文介紹了水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)的幾種方式和發(fā)展歷程，并重點對幾種協(xié)同處置方式進(jìn)行了對比分析。

一、背景

改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平迅速提高，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，城市生活垃圾產(chǎn)量一直在增加。近年來，我國的城市生活垃圾排放量以每年10%以上的速度增長[1]，此外，國內(nèi)存量垃圾堆放量已超過80億噸，既占用土地又污染環(huán)境。另外，由于我國垃圾分類收集重視不夠，垃圾基本是混合收集，垃圾含水量高、熱值低、有機(jī)成分高，垃圾成分隨地區(qū)、季節(jié)等變化較大。

目前，我國城市生活垃圾無害化處理方式包括：衛(wèi)生填埋、高溫堆肥和焚燒，圖1為2014年我國垃圾處理方式比例，顯示我國仍然以填埋為主[2]。但焚燒憑借其減量效果最明顯、無害化最徹底、且焚燒熱量可以有效利用的特點，近年來比例上升很快，可以預(yù)見，焚燒正逐步成為處理城市垃圾的最主要方式。

與傳統(tǒng)的垃圾焚燒相比，焚燒發(fā)電所需建設(shè)與運營的費用較高，且產(chǎn)生的灰渣需要二次處理。城市生活垃圾單獨焚燒后產(chǎn)生的灰渣包括底灰和飛灰， 其主要化學(xué)成分與水泥原料相似，且具有一定的膠凝活性[3]。利用水泥窯爐焚燒城市生活垃圾，其灰渣直接混入灼燒基生料中，參與熟料煅燒的固相反應(yīng)，可以既可避免有害物質(zhì)的排出，又可減少對礦山資源的耗費，真正實現(xiàn)垃圾處理的“三化”目標(biāo);利用水泥窯燒成系統(tǒng)代替垃圾焚燒處理工藝的尾氣凈化系統(tǒng)，簡化了處理流程，降低了相應(yīng)的投資;緩解占地，節(jié)省建設(shè)投資;化解水泥行業(yè)過剩產(chǎn)能，促進(jìn)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展。

圖1 2014年我國垃圾處理方式比例

二、水泥窯協(xié)同處置生活垃圾的幾種方案介紹及對比2.1 國內(nèi)外水泥窯協(xié)同處置生活垃圾的現(xiàn)狀

國際上水泥窯協(xié)同處置廢物技術(shù)開始于20世紀(jì)70年代，首次試驗于1974年加拿大Lawrence水泥廠，隨后美國的Peerless、德國Ruderdorf等十多家水泥廠先后進(jìn)行了試驗。截止到目前，在歐洲、北美、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有30多年的研究應(yīng)用歷史，在替代燃料研究和生態(tài)水泥生產(chǎn)方面積累了許多經(jīng)驗。據(jù)統(tǒng)計，2007年荷蘭的燃料替代率已達(dá)85%以上，2013年日本、比利時、瑞士、奧地利等燃料替代率達(dá)50%以上，美國為30%左右。

我國水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)推廣至今，僅有南京凱盛、海螺、中材、金隅、華新、華潤、中信、中建材等幾家領(lǐng)先的水泥企業(yè)集團(tuán)和水泥裝備集團(tuán)開展了水泥窯協(xié)同處置生活垃圾工作，僅有貴州等少數(shù)省份組織推動了水泥窯協(xié)同處置生活垃圾工作。目前，全國已建成投產(chǎn)水泥窯協(xié)同處置生活垃圾生產(chǎn)線30 多條，占水泥生產(chǎn)線的比重不足2%。

2.2 水泥窯協(xié)同處置生活垃圾的主要方案

水泥窯協(xié)同處置生活垃圾的核心是在水泥的生產(chǎn)過程中，充分利用城市生活垃圾中的可燃成分和灰渣材料，結(jié)合水泥窯的生產(chǎn)特點，應(yīng)用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)解決方案，使垃圾減量化、無害化、資源化、能源化。主要的處理方案可以大致進(jìn)行如下分類：

2.2.1 垃圾以固態(tài)形式入窯

2.2.1.1將垃圾直接摻入其他物料制成衍生生料或低熱值燃料再進(jìn)行水泥窯處理

該項技術(shù)是將生活垃圾制成低熱值燃料或者衍生生料，再利用水泥窯處置。生活垃圾進(jìn)場后，布撒石灰消毒防腐，分選出部分或全部的建筑垃圾后，進(jìn)行脫水、破碎，然后調(diào)整石灰飽和系數(shù)，加入改性助燒劑和粘結(jié)劑，最終成型。調(diào)整石灰飽和系數(shù)是通過加生石灰、熟石灰、石粉、電石渣及其它含鈣材料中的一種或多種，以使灰渣中能生成適當(dāng)?shù)墓杷猁}礦物、鋁酸鹽礦物、鐵酸鹽礦物等，避免水泥熟料質(zhì)量造成較大波動。

如果目標(biāo)為低位值燃料，則可加入瀝青、焦油、廢油、糊精、有機(jī)合成膠等膠粘劑，加入硝酸鹽、環(huán)烷酸鹽等為主要組分的助燃劑。如果目標(biāo)為衍生生料，可加入各種工業(yè)廢渣、尾礦、含碳原料，如湖南建材院的技術(shù)。這種技術(shù)路線需要當(dāng)?shù)啬軌蚶酶鞣N可以參與生活垃圾配料的廢棄物。

2.2.1.2 采用微生物發(fā)酵干化制備垃圾RDF以供水泥窯替代燃料

RDF技術(shù)是建立專門的生活垃圾預(yù)處理廠，對混合生活垃圾進(jìn)行破碎和發(fā)酵干化等系列處理之后，選出可燃部分，對其進(jìn)行二次的破碎、加入添加劑、成型和篩分，制成RDF。RDF具有含水量低、熱值高的特點,可用作水泥工業(yè)的替代燃料。主要流程見圖2。該技術(shù)強(qiáng)化了對混合生活垃圾的預(yù)處理，制成的RDF產(chǎn)品在水泥工業(yè)的使用可降低企業(yè)資源能源的消耗成本，該過程不必對原有水泥窯系統(tǒng)進(jìn)行太大改造,利于技術(shù)推廣。

圖2 典型的RDF水泥協(xié)同處置生活垃圾工藝流程圖

2.2.2 垃圾焚燒后以氣態(tài)形式入窯

2.2.1.1 爐排爐與水泥窯協(xié)同處置生活垃圾工藝(南京凱盛)

圖3 爐排爐與水泥窯協(xié)同處置生活垃圾工藝流程圖

垃圾由運輸車運送至垃圾坑內(nèi)儲存，垃圾坑采用全密閉負(fù)壓結(jié)構(gòu)，負(fù)壓通過垃圾庫引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，排出的臭風(fēng)引入空預(yù)器，利用垃圾焚燒的高溫?zé)煔饧訜嶂?20℃作為助燃風(fēng)。

新鮮垃圾倒入儲坑后生物干化后，可以降低水分，提高熱值，干化后的垃圾經(jīng)過行車抓斗輸送到爐排爐里干燥、燃燒、燃盡，焚燒爐燃燒后出口煙氣溫度為850~950℃，高溫?zé)煔馔ㄈ敫G尾分解爐內(nèi)，與分解爐內(nèi)的高溫?zé)煔饣旌?，然后，從下至上?jīng)過旋風(fēng)筒與自上而下的生料換熱。分解爐內(nèi)燃燒煙氣溫度大于850℃，停留時間在7秒以上，煙氣里的有毒有害物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)被徹底破壞，從而達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)排放。爐排爐排出的爐渣經(jīng)除鐵后，送入水泥原料磨作為水泥原料，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，重金屬有害元素經(jīng)回轉(zhuǎn)窯高溫煅燒后固溶在熟料里。

垃圾在儲存過程中生成的滲濾液為高濃度有機(jī)污水，經(jīng)過濾處理后，噴射至分解爐內(nèi)高溫蒸發(fā)氧化處理，完全分解有機(jī)成分，實現(xiàn)無害化。

2.2.1.2 垃圾焚燒氣化爐與水泥窯協(xié)同處置生活垃圾工藝(海螺)

CKK技術(shù)是在水泥窯系統(tǒng)外建立平行的垃圾焚燒氣化爐，然后將焚燒后的煙氣和爐渣導(dǎo)回窯系統(tǒng)中處置。主要流程見圖4。整個生活垃圾處置過程在封閉式負(fù)壓環(huán)境中進(jìn)行，無粉塵和臭氣的泄露的問題，垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過窯系統(tǒng)的高溫分解和高效除塵系統(tǒng)浄化后可達(dá)標(biāo)排放，爐渣可作為替代生料被固定于水泥熟料中，或作為混合材而最終被固定在水泥混凝土中。

圖4 垃圾焚燒氣化爐與水泥窯協(xié)同處置生活垃圾工藝流程圖

2.2.1.3 回轉(zhuǎn)式焚燒爐與水泥窯協(xié)同處置生活垃圾工藝(合肥院)

垃圾由垃圾專用車運輸進(jìn)廠后先經(jīng)地衡進(jìn)行稱重，再運輸至卸料平臺，經(jīng)卸料門卸至垃圾貯坑儲存，并由抓斗將垃圾按進(jìn)廠時間在池內(nèi)分開堆放，再由垃圾吊車和抓斗將垃圾運送到垃圾料斗，經(jīng)垃圾推料器，把垃圾均勻喂入回轉(zhuǎn)式垃圾焚燒爐;從窯頭抽取的887℃熱風(fēng)作為焚燒爐燃燒氣體，垃圾燃燒后的熱煙氣進(jìn)窯尾系統(tǒng)，垃圾在焚燒爐內(nèi)的焚燒溫度控制在1200℃左右，在此溫度段垃圾焚燒氣停留2秒，在850℃以上溫度停留5秒以上;氣體進(jìn)入預(yù)熱分解系統(tǒng)后，與生料進(jìn)行熱交換，同時分解部分有害物質(zhì)，做到垃圾處理的資源化、無害化、減量化。流程圖見圖5所示。

圖5 回轉(zhuǎn)式焚燒爐與水泥窯協(xié)同處置生活垃圾工藝流程圖

2.2.1.4 熱盤爐與水泥窯協(xié)同處置生活垃圾工藝(丹麥?zhǔn)访芩?

熱盤爐的工藝流程和結(jié)構(gòu)如圖6所示，其底部設(shè)有可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的圓形爐盤(1～4 r/h)，可燃廢棄物(垃圾)通過計量后進(jìn)入爐內(nèi)。窯三次風(fēng)、部分高溫生料和可燃垃圾一同進(jìn)入熱盤爐內(nèi)，在慢速旋轉(zhuǎn)的圓盤上開始充分地氧化燃燒，從物料進(jìn)口到爐渣和生料混合物卸出，在圓盤上大約要運轉(zhuǎn)270°。卸出的殘渣向下落入窯尾，細(xì)小的飛灰和生料則隨1050 ℃左右的高溫氣體進(jìn)入分解爐。按可燃垃圾的性質(zhì)，調(diào)節(jié)圓盤的轉(zhuǎn)速，使其能在爐內(nèi)有足夠的時間，達(dá)到充分燃燒的目的。當(dāng)燒成系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障時， 設(shè)在熱盤爐上方的冷生料倉可以直接放入生料進(jìn)爐，阻斷垃圾燃燒，使熱盤爐上的火很快熄滅，避免水泥窯系統(tǒng)不正常時環(huán)保超標(biāo)排放。

圖6 熱盤爐與水泥窯協(xié)同處置生活垃圾工藝流程圖

2.2.3 垃圾氣化工藝比較

三、 結(jié)語

水泥窯協(xié)同處置生活垃圾可充分利用垃圾自身的熱量和燃燒后的灰渣，與水泥生產(chǎn)工藝有機(jī)結(jié)合，大大減少了傳統(tǒng)垃圾焚燒發(fā)電項目的環(huán)保運營成本，最大程度的實現(xiàn)垃圾處理的減量化、無害化、資源化、能源化，使垃圾“變廢為寶”。利用新型干法水泥窯協(xié)同處置生活垃圾對水泥線影響風(fēng)險可控，產(chǎn)品不會對環(huán)境安全性造成危害，具有明顯的環(huán)境效益和社會效益，未來必將成為垃圾處理的優(yōu)選方式之一。