水泥协同处置生活垃圾的一种全新技术装备

王家安，倪文龙

（1.江苏鹏飞集团股份有限公司,江苏 南通 226623；2.盐城工学院，江苏 盐城 210024）

水泥协同处置生活垃圾的一种全新技术装备

王家安1，倪文龙2

（1.江苏鹏飞集团股份有限公司,江苏 南通 226623；2.盐城工学院，江苏 盐城 210024）

文章分析了现行垃圾处理技术的背景，介绍了一种双筒回转热解窑与水泥回转窑协同处理生活垃圾工艺的工作原理、核心技术及创新点。根据试验和研究，双筒回转窑与水泥回转窑协同处理生活垃圾技术具有推广应用价值。

生活垃圾处置；双筒回转热解窑；水泥窑

1 项目背景

1.1 垃圾围城严重污染环境

生活垃圾包括：厨余物、废纸、废塑料、废织物、废金属、废玻璃陶瓷碎片、废渣土、粪便、庭院废弃物，以及废弃的家电、废旧轮胎、绿化废弃物等。“垃圾围城”正在越来越多的城市上演。即便是在北京这样的现代化大都市，垃圾站露天焚烧，遮天蔽日，北京中心城区外，密密麻麻的非法垃圾填埋场已构成北京市垃圾填埋场黄色的“七环”。

统计表明：中国的垃圾产量世界第一。2011年城市垃圾产生量在1.8亿t，年递增率8%。在全国1 636个县城里，每年的垃圾产生量在5 000万t左右。历年来堆积的垃圾已经超过60亿t，侵占了300多万亩土地，严重污染了水体、大气、土壤，每年因垃圾造成的损失高达250~300亿元。

1.2 “十二五”环保要求

“十二五”规划提出：到2015年，主要污染物排放总量显著减少；城乡饮用水水源地环境安全得到有效保障，水质大幅提高；全国城市生活垃圾无害化处理率达到80%，对垃圾简易处理或堆放设施和场所进行整治，对已封场的垃圾填埋场和旧垃圾场要进行生态修复、改造。鼓励垃圾厌氧制气、焚烧发电和供热、填埋气发电、餐厨废弃物资源化利用，开展工业生产过程协同处理生活垃圾和污泥试点。各项环境保护工程（全社会环保投资需求约3.4万亿元），其中，垃圾处理投入在“十一五”总投 2 100亿元基础上再投 8 000亿元，年递增30%。

1.3 垃圾处理技术国内外综述

1.3.1 国内现行垃圾处理技术

中国对生活垃圾的处理主要有卫生填埋 （约65%）、焚烧（约5%）、生物堆肥（约5%）三种方式。卫生填埋在理论上符合垃圾处理总则中的无害化、减量化，但并不符合资源化原则，不但侵占了宝贵的土地资源，浪费了垃圾中宝贵的可回收资源，而且对环境造成潜在影响和危害，是垃圾处理技术中最早期、最无奈的技术，是垃圾处理技术水准滞后的表证。

垃圾焚烧减量化程度高、环保程度高，垃圾焚烧的余热可产生蒸汽用于发电、供热，能节约能源等，这些都与中国节能减排战略相符合。如果全国垃圾完全焚烧利用，每年可节约3 600多万t煤，减少9 400多万t二氧化碳排放，既可促进抑制全球气候变暖，又为中国节能减排和低碳经济建设做贡献。在中国人多地少、能源紧缺、城市化进程快速发展的现实情况下，垃圾焚烧并资源化利用，是符合国情最明智的选择。

2011年4月19日，国务院批转了《关于进一步加强城市生活垃圾处理工作的意见》，成为垃圾处理行业扶持政策的发令枪。未来3~5年，垃圾处理产业将进入建设高峰期，生活垃圾收费政策将逐步落实，垃圾处理产值年均增长率至少达到30%。1.3.2水泥窑协同处置生活垃圾的优势

水泥窑协同处置生活垃圾具有资源化、无害化、减量化的突出优势，已被国际公认为是最有效、最安全、节能、环保的废弃物处置手段，是发展循环经济不可或缺的环节。

水泥消费量和生产规模很大，水泥窑单机产能高，水泥工业对各种废物的消纳量巨大，可消纳的种类多，适用范围广，发展潜力十分可观。水泥窑对各种可燃废物有很强的适应能力，略作调整就既不影响水泥熟料的正常性能和质量，也不会影响窑的正常操作运行。水泥窑内温度高（1 600℃），热容量和热惯性大，废料在高温区的停留时间长（5~15 s），有害成分均能被彻底分解，确保环境安全。废物在水泥窑内燃烧后的残渣，其中若含硫、氯或某些重金属等有害物质，也都全部固熔在水泥熟料的晶格中不能再逸出或析出，没有二次污染隐患。可燃废物在水泥窑内燃烧所产生的热能全部直接用于窑系统内的气固相或固熔相的热交换过程，热能传递交换效率高是垃圾焚烧炉发电的6倍以上。

1.3.3 国外水泥窑协同处置废弃物现状

发达国家利用水泥窑协同处置废弃物起步较早，自20世纪七十年代起，德国、日本、美国、瑞士、加拿大等发达国家已开始利用水泥窑协同处置废弃物。水泥窑协同处置废弃物作替代燃料技术成为发达国家水泥行业节能减排的重要手段之一。发达国家有2/3的水泥厂使用替代燃料，各国水泥煅烧的燃料替代率见表1。

1.4 双筒热解窑项目应运而生

表1 各国水泥煅烧的燃料替代率

近年来，一些发达国家提出垃圾无氧高温燃烧的方案设计，利用垃圾中有机物的热不稳定性，无氧或缺氧条件下干馏，使有机物产生裂解，生成高热值可燃气体、液体和固体及少量金属和渣，提高热值利用率，且能从根本上解决二噁英的生成，同时减少空气中有毒物质的排放量，将重金属固化并有效回收利用，有利于城市环境的发展。

江苏鹏飞集团股份有限公司与盐城工学院2008年共同承担了江苏省科技成果转化项目：大型水泥煅烧节能技术装备的研发及产业化。该项目已将垃圾焚烧水泥回转窑作为回转窑节能关键技术研发，获江苏省科技进步三等奖，为江苏省产学研前瞻性项目、国家工信部产业化推进项目。

2 双筒回转窑热解垃圾工艺简介

双筒回转窑热解垃圾工艺 （专利号：201210185915.5），属环境工程技术领域，包括：双筒回转热解窑，水泥生产线，工艺连接管道等。其中：三次风管道，接通熟料冷却机与窑尾罩；复合燃气管道，接通水泥回转窑与窑尾罩；复合燃气分流管道，接通灰渣返热通道与窑尾罩的复合燃气导出管；废气余热管道，接通预分解炉的侧进热风口与窑头罩的排出废气接口；垃圾渣管道，接通预分解炉的侧进料口与窑头罩的垃圾渣出口。本发明应用于水泥回转窑协同处置生活垃圾，特别适宜于在已有的水泥回转窑生产线旁配置热解垃圾的工艺，也适宜在已有的垃圾焚烧场实施本工艺技术改造。双筒回转热解窑热水泥窑协同处置垃圾的工艺流程见图1，回转窑协同热解垃圾工艺流程见图2。

经过前处理（分拣1、破碎2、烘干3）的生活垃圾进入双筒回转热解窑4的热解通道，与在灰渣返热通道加热至1 000℃左右，并与经料勺、热载体进口通道6进入热解通道的垃圾灰渣混合，由于采用热载体传热法，使垃圾快速升至850℃以上，垃圾在缺氧条件下被热解为复合燃气 （C1～C5的小分子链烃、H2、CO等）及碳状物（含有残碳的灰渣）；复合燃气从双筒回转热解窑的内筒体7，并经窑尾罩的复合燃气导出管8导出，通过复合燃气管道，进入水泥回转窑的多通道燃烧器11，配氧燃烧，为水泥窑煅烧熟料供热；垃圾热解后的碳状物在内筒导料装置的导料作用下移动到内筒体尾端，由于阶梯缩颈圆筒内置阻料螺旋的阻料作用，迫使碳状物经阶梯缩颈圆筒外围的热载体出口通道，进入内、外筒体间的灰渣返热通道，在外筒导料装置导料作用下，向筒体首端运动。

1.垃圾分掺装置；2.破碎装置；3.烘干装置；4.双筒回转热解窑；5.外筒体；6.热载体进口通道；7.内筒体；8.复合燃气导出管；9.补热燃烧通道；10.氯化装置；11.多通道燃烧器；12.热料冷却机；13.水泥回转窑；14.预分解；15.末级预热器；16.首级预热器。图1双筒回转热解窑热水泥窑协同处置垃圾的工艺流程

图2 回转窑协同热解垃圾工艺流程

同时，从熟料冷却机出来的热风（水泥煅烧中俗称“三次风”，约1 000℃左右）通过三次风管道、热风导入接口、热气体进口进入灰渣返热通道，加热碳状物；同时，碳状物中残碳在“三次风”中燃烧并供热，碳状物中残碳燃尽，即为垃圾灰渣。

当三次风热源及残碳燃烧不足以使垃圾灰渣升温到设计的工艺温度（约1 000℃左右），则开启补热燃烧器，将复合燃气从复合燃气分流管道导入，配氧燃烧，热气体经补热燃烧通道、热气体进口进入灰渣返热通道，为垃圾灰渣供热到热解工艺要求的热载体工艺温度；经加热的高温灰渣在外筒导料装置的导料作用下，返移到外筒体首端的溢渣环板时，被热载体进口通道的料勺掏取，进入螺旋状环管，由于螺旋状环管的球阀的通料阻风作用，保证热解通道内缺氧和少氧环境，使热解得以持续。

灰渣返热通道中返移到外筒体首端的溢渣环板的高温灰渣，一部分进入热解通道作热载体，另一部分经溢渣出气口、垃圾渣出口、垃圾渣管道、侧进料口进入预分解炉14，作为水泥煅烧的原料。灰渣返热通道中的高温烟气经溢渣出气口、排出废气接口、废气余热管道、侧进热风口进入预分解炉，加热从上一级旋风预热器15进入预分解炉的物料，替代原水泥煅烧工艺中的“三次风”，热物料与烟气从预分解炉上排气口进入预热器，气固分离，固体粉料进入水泥回转窑13窑尾部继续煅烧成熟料。

上述工艺形成了水泥回转窑协同热解生活垃圾，实现垃圾资源化利用和零污染排放。

项目的特色和创新：

（1）将生活垃圾无氧或缺氧高温热解，可得高热值的复合燃气，并充分利用高温热解的复合燃气的显热，直接进入多通道燃烧器，比垃圾直接焚烧发电具有更高的热值利用率。

（2）采用回转窑熟料冷却的三次风（1 000℃左右）加热垃圾热解的碳状物，既可充分利用碳状物中残碳作热源，又可利用高温热载体快速加热垃圾实现850℃以上的高温热解，从根本上避免二恶英生成条件。

（3）采用固体热载体法热解垃圾，比外热式热解炉换热效率高得多。

（4）垃圾热解产物之一复合燃气用来煅烧水泥和为热载体补热；热解产物之二的碳状物中残碳再燃烧的热值用作热载体热源；燃尽残碳的灰渣作热解垃圾的热载体，多余热灰渣进入预分解炉作为水泥生产过程的热原料，全被资源化利用，无二次污染；垃圾热解灰渣量少（约20%），容易满足且不影响熟料整体强度的安全掺入量条件，因而无须另行调整水泥配料工艺。

（5）垃圾中难处理的微量重金属元素通过水泥混凝土固化在建筑结构中，可实现无害化处理。

3 研发目标及关键技术

3.1 垃圾无氧高温热解工艺方案的研究

内容包括：垃圾高温热解可行性研究；热解热源取自回转窑煅烧熟料余热的可行性研究；热解热源采用固体热载体法直接加热垃圾的可行性研究。

目标：回转窑煅烧熟料余热作为热解垃圾的一次热源成为可行，用固体热载体法热解垃圾成为可行。

关键技术：固体热载体法热解垃圾工艺方案的设计与研究。

3.2 垃圾无氧高温热解工艺参数的优化

主要是热解气体组份与热解温度、时间的关系；热解气体组份与总热值的关系；二氧芑、呋喃氧茂等有毒物质可靠杜绝的热解温度和时间。

目标：垃圾无氧高温热解工艺参数优化，保证可靠杜绝二恶英等有害气体条件下，有尽可能高的热值产出投入比。

关键技术：杜绝二恶英的环境条件与高热值燃气生成条件的相容性研究。

3.3 垃圾高温热解前处理技术装备研发

包括:分拣装置、粉碎装置、烘干装置的设计。目标：提高垃圾热解热值、垃圾热解的可行性和可靠性。

关键技术：垃圾粉碎设备，烘干热源借用水泥煅烧低温余热。

3.4 垃圾高温热解装备研发

充分利用项目组曾在油泥油砂油页岩绿色提油项目中已有的研发成果以及大型回转窑现有制造技术优势，研发垃圾高温回转热解的装备；研究垃圾在回转热解（干馏）窑炉中的运动特性，设计计算高温回转热解（干馏）炉的结构参数和工艺参数，研究热解垃圾灰渣作为热载体在外筒体再加热，再进入热解内筒与垃圾热交换的运动特征；研究热载体中残碳在回转窑三次风进入后完全燃烧的可行性；研究料气进出干馏炉的密封；研究减少干馏炉热损失，提高热效率的优化技术。

目标：完成高温热解技术的核心装备研发。

关键技术：垃圾进热解窑内筒的料气密封、固体热载体进出热解窑内筒的料气密封；热解气导出及密封；回转内外筒体间的支承及热胀冷缩的影响。

3.5 垃圾渣对熟料强度影响的研究

垃圾热解后除形成燃气外，还有固体碳和少量金属（包括重金属）及灰渣杂质，需要研究灰渣组份对水泥强度的影响系数，是正影响还是负影响，产生强度负影响显作用的临界掺加量。

目标：寻求不显然影响熟料强度或不需要复杂调整配料工艺的垃圾渣的最大加入量。

关键技术：不同灰渣组份对水泥强度的影响系数。

4 节能减排技术指标

（1）垃圾经分拣、破碎、烘干后剔除无热值利用价值的无机物及难碎料，粒度小于15 mm；水分控制小于5%。

（2）每吨水泥消纳垃圾0.2 t（前处理后）。

（3）二恶英排放浓度小于0.1 ng-TEQ/m3。

（4）每吨熟料节省标煤15 kg以上。

5 结论

试验和研究表明，双筒回转垃圾窑与水泥回转窑协同处理生活垃圾具有垃圾无害化减量化资源化处理和水泥节能的综合效益，极具推广应用价值。

This paper analyzes the background of the present garbage disposal technology,and introduces the working principle,core technologies and innovations of the garbage co-processing disposal process with the double-cylinder rotary kiln and the cement rotary kiln.Based on the test and research,the above technology has a good application value.

garbage;double-cylinder rotary kiln;cement kiln

王家安（1957-），男，大专，正高级工程师，建材机械专业。

蔚清）（

2013-12-21）