水泥窯協同處理生活垃圾方案對比分析
城市生活垃圾處理是城市環境衛生治理的一大難點，而利用新型干法水泥窯協同處置生活垃圾技術在處置成本、污染控制上有明顯的優勢，是目前實現垃圾減量化、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同處置生活垃圾技術的幾種方式和發展歷程，并重點對幾種協同處置方式進行了對比分析。
一、背景
改革開放以來，隨著我國經濟的快速發展，人民生活水平迅速提高，城鎮化進程不斷加快，城市生活垃圾產量一直在增加。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，國內存量垃圾堆放量已超過80億噸，既占用土地又污染環境。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、有機成分高，垃圾成分隨地區、季節等變化較大。
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，可以預見，焚燒正逐步成為處理城市垃圾的最主要方式。
與傳統的垃圾焚燒相比，焚燒發電所需建設與運營的費用較高，且產生的灰渣需要二次處理。城市生活垃圾單獨焚燒后產生的灰渣包括底灰和飛灰，其主要化學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，可以既可避免有害物質的排出，又可減少對礦山資源的耗費，真正實現垃圾處理的“三化”目標;利用水泥窯燒成系統代替垃圾焚燒處理工藝的尾氣凈化系統，簡化了處理流程，降低了相應的投資;緩解占地，節省建設投資;化解水泥行業過剩產能，促進綠色轉型發展。
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圖1 2014年我國垃圾處理方式比例
二、水泥窯協同處置生活垃圾的幾種方案介紹及對比2.1國內外水泥窯協同處置生活垃圾的現狀
國際上水泥窯協同處置廢物技術開始于20世紀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行了試驗。截止到目前，在歐洲、北美、日本等發達國家已經有30多年的研究應用歷史，在替代燃料研究和生態水泥生產方面積累了許多經驗。據統計，2007年荷蘭的燃料替代率已達85%以上，2013年日本、比利時、瑞士、奧地利等燃料替代率達50%以上，美國為30%左右。
我國水泥窯協同處置生活垃圾技術推廣至今，僅有南京凱盛、海螺、中材、金隅、華新、華潤、中信、中建材等幾家領先的水泥企業集團和水泥裝備集團開展了水泥窯協同處置生活垃圾工作，僅有貴州等少數省份組織推動了水泥窯協同處置生活垃圾工作。目前，全國已建成投產水泥窯協同處置生活垃圾生產線30多條，占水泥生產線的比重不足2%。
2.2水泥窯協同處置生活垃圾的主要方案
水泥窯協同處置生活垃圾的核心是在水泥的生產過程中，充分利用城市生活垃圾中的可燃成分和灰渣材料，結合水泥窯的生產特點，應用適當的技術解決方案，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行如下分類：
2.2.1垃圾以固態形式入窯
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行水泥窯處理
該項技術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，進行脫水、破碎，然后調整石灰飽和系數，加入改性助燒劑和粘結劑，最終成型。調整石灰飽和系數是通過加生石灰、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的硅酸鹽礦物、鋁酸鹽礦物、鐵酸鹽礦物等，避免水泥熟料質量造成較大波動。
如果目標為低位值燃料，則可加入瀝青、焦油、廢油、糊精、有機合成膠等膠粘劑，加入硝酸鹽、環烷酸鹽等為主要組分的助燃劑。如果目標為衍生生料，可加入各種工業廢渣、尾礦、含碳原料，如湖南建材院的技術。這種技術路線需要當地能夠利用各種可以參與生活垃圾配料的廢棄物。
2.2.1.2采用微生物發酵干化制備垃圾RDF以供水泥窯替代燃料
RDF技術是建立專門的生活垃圾預處理廠，對混合生活垃圾進行破碎和發酵干化等系列處理之后，選出可燃部分，對其進行二次的破碎、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,可用作水泥工業的替代燃料。主要流程見圖2。該技術強化了對混合生活垃圾的預處理，制成的RDF產品在水泥工業的使用可降低企業資源能源的消耗成本，該過程不必對原有水泥窯系統進行太大改造,利于技術推廣。
圖2 典型的RDF水泥協同處置生活垃圾工藝流程圖
2.2.2垃圾焚燒后以氣態形式入窯
2.2.1.1爐排爐與水泥窯協同處置生活垃圾工藝(南京凱盛)
圖3爐排爐與水泥窯協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儲存，垃圾坑采用全密閉負壓結構，負壓通過垃圾庫引風機產生，排出的臭風引入空預器，利用垃圾焚燒的高溫煙氣加熱至220℃作為助燃風。
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℃，高溫煙氣通入窯尾分解爐內，與分解爐內的高溫煙氣混合，然后，從下至上經過旋風筒與自上而下的生料換熱。分解爐內燃燒煙氣溫度大于850℃，停留時間在7秒以上，煙氣里的有毒有害物質的分子結構被徹底破壞，從而達到國家排放標準排放。爐排爐排出的爐渣經除鐵后，送入水泥原料磨作為水泥原料，實現資源的循環利用，重金屬有害元素經回轉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污水，經過濾處理后，噴射至分解爐內高溫蒸發氧化處理，完全分解有機成分，實現無害化。
2.2.1.2垃圾焚燒氣化爐與水泥窯協同處置生活垃圾工藝(海螺)
CKK技術是在水泥窯系統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回窯系統中處置。主要流程見圖4。整個生活垃圾處置過程在封閉式負壓環境中進行，無粉塵和臭氣的泄露的問題，垃圾焚燒產生的煙氣經過窯系統的高溫分解和高效除塵系統浄化后可達標排放，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同處置生活垃圾工藝流程圖
2.2.1.3回轉式焚燒爐與水泥窯協同處置生活垃圾工藝(合肥院)
垃圾由垃圾專用車運輸進廠后先經地衡進行稱重，再運輸至卸料平臺，經卸料門卸至垃圾貯坑儲存，并由抓斗將垃圾按進廠時間在池內分開堆放，再由垃圾吊車和抓斗將垃圾運送到垃圾料斗，經垃圾推料器，把垃圾均勻喂入回轉式垃圾焚燒爐;從窯頭抽取的887℃熱風作為焚燒爐燃燒氣體，垃圾燃燒后的熱煙氣進窯尾系統，垃圾在焚燒爐內的焚燒溫度控制在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;氣體進入預熱分解系統后，與生料進行熱交換，同時分解部分有害物質，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回轉式焚燒爐與水泥窯協同處置生活垃圾工藝流程圖
2.2.1.4熱盤爐與水泥窯協同處置生活垃圾工藝(丹麥史密斯)
熱盤爐的工藝流程和結構如圖6所示，其底部設有可調節轉速的圓形爐盤(1～4r/h)，可燃廢棄物(垃圾)通過計量后進入爐內。窯三次風、部分高溫生料和可燃垃圾一同進入熱盤爐內，在慢速旋轉的圓盤上開始充分地氧化燃燒，從物料進口到爐渣和生料混合物卸出，在圓盤上大約要運轉270°。卸出的殘渣向下落入窯尾，細小的飛灰和生料則隨1050℃左右的高溫氣體進入分解爐。按可燃垃圾的性質，調節圓盤的轉速，使其能在爐內有足夠的時間，達到充分燃燒的目的。當燒成系統出現意外故障時，設在熱盤爐上方的冷生料倉可以直接放入生料進爐，阻斷垃圾燃燒，使熱盤爐上的火很快熄滅，避免水泥窯系統不正常時環保超標排放。
圖6熱盤爐與水泥窯協同處置生活垃圾工藝流程圖
2.2.3垃圾氣化工藝比較
三、結語
水泥窯協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，與水泥生產工藝有機結合，大大減少了傳統垃圾焚燒發電項目的環保運營成本，最大程度的實現垃圾處理的減量化、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同處置生活垃圾對水泥線影響風險可控，產品不會對環境安全性造成危害，具有明顯的環境效益和社會效益，未來必將成為垃圾處理的優選方式之一。
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