危险废物衍生燃料在水泥窑协同处置的应用分析

苑辉，李惠，赵春芳，李海龙，郑金召，赵利卿，李勇，林莉

垃圾衍生燃料（Refuse Derived Fuel，简称RDF）是指把垃圾进行固体燃料化，加工成热值更高、更稳定的燃料，广泛应用于干燥工程、水泥制造、供热工程和发电工程等领域。目前，应用较多的RDF多为城市垃圾经破碎、筛选出不燃物后所得到的，以废塑料、纸屑等可燃物为主体的废弃物或将可燃废弃物进一步粉碎、干燥成型而制得的固体燃料。危险废物作为固体废物中的一类，所占比例相对较少，但是如果混入普通垃圾填埋场或直接抛弃至自然环境中，一旦渗入水体或土壤，随着生物链的富集，对人类和生物将造成严重的危害。因此，我国危险废物有着相对严格的管理制度。但是由于部分危险废物具有较高的热值，如果采用传统的处置方式不仅会造成能源上的浪费，而且处置成本相对较高。随着水泥窑协同处置危险废物工艺的日趋成熟及危险废物衍生燃料（Hazardous Waste Fuels，简称HWF）的出现，近些年来人们越来越重视危险废物的协同处置。危险废物衍生燃料有效利用了残余的热能，实现了危险废物减量化(Reduce)、可回收及资源化(Recycle)、再利用(Reuse)的“3R”原则。

1 危险废物衍生燃料的发展及应用

图1 德国1987～2010年衍生燃料在水泥生产过程中的应用

表1 美国采用危险废物作为替代燃料的水泥企业一览表（截止到1997）

随着我国现代工业的持续发展，危险废物产生量逐年递增。据统计，2010年全国许可证中批准的危险废物处理能力合计1587万吨，仅有60%左右综合利用，其他多为贮存，大量危险废物无法得到有效处置。水泥窑协同处置危险废物工艺的出现，有效避免了二次污染的产生，节约了珍贵的土地资源，同时也为企业带来了可观的经济效益[1-2]。而衍生燃料（RDF）的出现，则在很大程度上使垃圾中的能量得到了很好的利用，不仅能够达到处置的效果，而且节约了资源。衍生燃料在上世纪50年代在水泥生产过程中得到了首次应用，而危险废物衍生燃料（Hazardous Waste Fuels，简称HWF）是基于垃圾衍生燃料（RDF）提出的概念，在许多发达国已经形成了一定的产业规模[3]，部分危险废物因具有较高的热值，早在上世纪90年代就被许多发达国家用在水泥窑的协同处置过程中。

上世纪80年代后期衍生燃料在德国水泥生产行业不断得到应用，图1总结了德国自1987年到2010年衍生燃料在水泥生产过程中的应用情况。由图1可以看出，垃圾衍生燃料的使用在逐年增加，到2010年，衍生燃料的使用已经超过了60%[3]，值得注意的是，德国已经有接近85%的水泥企业，其生产中使用的衍生燃料中有相当一部分是来源于危险废物的。

截止到1997年，美国已经有18家水泥企业使用危险废物作为替代燃料（表1），这些企业危险废物衍生燃料的总消耗量达到1亿万吨。然而，对于危险废物衍生燃料的使用曾在美国引起了长达两年之久的争议。但是，随着技术的不断发展和一系列关于废气等污染物排放规范的出台，目前许多环境和经济方面的组织对此项技术的开展深表支持。对于危险废物衍生燃料的使用，美国国家环境保护局（USEPA，U.S.Environmental Protection Agency）也在不断地对相关的监管办法进行改进。为了能够适应危险废物衍生燃料的使用，美国国家环境保护局出台了新的规定，更加严格地对其污染排放进行限定。这些法律法规的颁布，极大地促进了危险废物作为替代燃料在水泥生产过程中的应用。

到2007年，部分发达国家水泥行业燃料替代比例较高，如图2所示。其中欧洲地区平均的燃料替代比例达到了19.4%，在部分西欧国家该比例超过了30%[4]。比利时危险废物预处理设施于2010年中期开始运行，通过将液态、固态以及半固态危险废物与木屑混合，生产的高性能的衍生燃料产量高达120000t/年[5]。

2 适用于衍生燃料的危险废物

并不是所有的危险废物都能用于水泥窑的协同处置。目前，欧洲地区尚未明确规定哪一种危险废物适用于水泥窑协同处置。但是对于不能用于协同处置的危险废物已基本上达成了共识，其主要目的除了保证水泥生产的正常运行以外，还要保障相关人员的人身安全。目前，具有如下特性的废物暂时不能用于水泥窑的协同处置，必须排除在外[5]：

图2 部分发达国家水泥行业燃料替代比例

• 自发聚合物废料（Spontaneously polymerizing waste）

• 易自燃的废物（Self ignitable waste）

• 释热废物（Heat generating waste）

• 易爆废物（Wastes with explosive components）

• 恶臭废物（Wastes with disgusting odour）

• 卫生危险废物（Hygienically risky waste）

• 含有石棉的危险废物（Asbestos containing waste）

• 释放有毒气体或粉尘的废物（Wastes which release toxic gases or dusts）

目前RDF的分类基本上是按照美国ASTM(American Society for Testing and Materials)对RDF所做的分类定义[6]，其性质也会随着地域、生活习惯、经济发展水平等因素的不同而不同。通常其组成为纸68.0%，塑料胶片15.0%，硬塑料2.0%，非铁类金属0.8%，玻璃0.1%，木材、橡胶4.0%和其他物质10.0%。而我国垃圾发热值较低，通常在 4000～6000kJ/kg，水分含量较高，通常高达40%～60%，灰分在20%～50%之间，其燃烧温度通常达不到垃圾焚烧炉标准规定的850℃[7]。在经过加工处理之后，RDF的水分通常在30%～35%以下，灰分在12%～25%之间，挥发分在55%～75%之间，固态碳在7%～13%之间，其发热量约为12500～17500kJ/kg，燃点约210～230℃。而对于RDF的制备，目前我国最大的难点在于垃圾的分类制度的实施，由于垃圾分类在我国大部分城市没有得到完全普及，造成了RDF加工难度和成本的增大。

然而相对生活垃圾，危险废物的管理与分类则在一定程度上有了严格的规定，大部分危险废物在收集后往往已经进行了明确的分类。在能够应用于水泥窑协同处置的危险废物中，有一部分能够作为衍生燃料替代一部分传统燃料。在欧洲，已用作水泥窑衍生燃料的危险废物主要来源于工业废物，如工业污泥、废油、油泥、切削废渣、灰渣、废木材等[3]。目前，欧洲地区对于能够作为替代燃料的危险废物进行了一个较为明确的规定，表2对其进行了较为系统的总结[5]。欧洲地区对于危险废物的分类与我国有所不同，如表2中列出的食用油脂废物、油脂等在我国是不属于危险废物的范畴的。但值得注意的是，我国《国家危险废物名录》主要适用于对危险废物产生行业的管理，在针对危险废物处理要求的分类还存在一定的不足。不过，表2中所列的大部分危险废物名单已经包含在我国的《国家危险废物名录》之中。对应我国《国家危险废物名录》中的木材防腐剂废物（HW05）、有机溶剂废物（HW06）、废矿物油（HW08）、油/水、烃/水混合物或者乳化液（HW09）、染料、涂料废物（HW12）、含 酚 废 物（HW39）、含 醚 废 物（HW40）、其他废物（HW49）等八类，其中以废矿物油（HW08）和油/水、烃/水混合物或者乳化液（HW09）这两类危险废物为主。

表2 主要用于水泥窑协同处置的危险废物衍生燃料的危废名单（源自于瑞士联邦环境署，2005年经联邦环境署/联邦环境局批准）

3 采用危险废物衍生燃料的优缺点分析

与原生危险废物直接焚烧相比，衍生燃料不仅具有体积小、密度高、臭味小、便于运输和储存等特点，并且燃烧性能相对于未加工过的危险废物更加稳定且热值较高，产生的二次污染也有很大程度的降低。在经过预处理等加工工序后，在一定程度上能够降低HCl的排放，减轻了对设备的腐蚀，同时也降低了二恶英等有害污染物的排放。其主要优点如下：

（1）便于统一运输和贮存，由于将危险废物加工成固体燃料，其运输车辆和贮存条件将得到标准化的建设，不会因危险废物的种类受到限制，同时也降低了长期贮存和长途运输的成本。

表3 部分常见危险废物理化性质一览表[8-10]

（2）采用水泥回转窑协同处置危险废物由于具有温度高、停留时间长、湍流强度大等优点，能够完全去除危险废物，同时由于危险废物的形状和性状得到均一，能够保持一定的燃烧性能，在一定程度上提高了热效率。

（3）由于加工后的危险废物的燃烧相对稳定，大大降低了二恶英等有害物质的产生。

（4）焚烧后大部分残渣能够固化在熟料中，减少了焚烧残渣的二次污染。

（5）替代一部分传统原料和燃料，在一定程度上节约了能源。

（6）避免了填埋等处置手段造成的土地资源的浪费，降低了危险废物泄露对自然环境、生物、人类的危害。

但是，鉴于加工和预处理的成本较高，采用危险废物作为衍生燃料用于水泥窑生产同时具有如下缺点:

（1）与水泥窑常用燃料（如煤）相比，危险废物衍生燃料制备提取过程相对困难，处理设施的建设成本相对较高，且具有一定的投资风险。

（2）需要建立相应危险废物运输、贮存、输送等配套系统，投资较大。

（3）对于某些成分不明确的危险废物入窑处置，极有可能对正常的生产造成影响，因此，在入窑前，要将不明成分的危险废物剔除，这在一定程度上加大了预处理和检测的成本。

（4）某些危险废物燃烧会产生残渣，对重金属含量等有害因素需要进行全面评估，以避免残渣进入熟料后，对产品造成不良影响。

（5）某些危险废物在燃烧后会产生有毒性的烟气或粉尘，因此需建立昂贵的烟气排放监测系统。

综上分析，虽然危险废物衍生燃料在水泥窑中的应用在危险废物处置、环境保护、资源可持续利用等方面具有非常明显的优点，但是由于预处理设施建设和某些检测的成本相对较高，以及有关政策制度的不完善，其在国内的发展还受到一定程度的制约。但是，随着危险废物资源化利用不断受到人们的重视，以及协同处置、预处理设施等相关技术的发展，其所具有的潜在优势将越来越受到人们的重视。

4 我国危险废物现状分析

目前，我国对于危险废物的利用也进行了大量研究，通过对不同种类的危险废物燃烧性能的测试发现，部分危险废物具有较高的热值，在经过一定的预处理后，能够作为衍生燃料使用。表3列举了部分常见的危险废物理化数据。从表3的数据不难发现，这些危险废物往往具有较高的热值，部分高达10000kJ/kg以上。因此，预处理之后能够实现水泥厂替代燃料的功能。

5 结语

水泥生产过程需要消耗大量的能源，同时产生大量的温室气体，其中有相当一部分CO2源自于石灰石的分解，这对人类赖以生存的环境造成了很大的压力。自20世纪80年代以来，废油以及废旧轮胎作为衍生燃料在水泥行业得到应用，随着预处理技术的不断进步，越来越多具有较高热值的危险废物成为水泥生产的替代燃料，与此同时，大量混合了锯末和垃圾的危险废物成为了具有很高热值的危险废物衍生燃料。借助于水泥窑协同处置的优势，我们应该在吸收、借鉴国外先进技术的同时，结合我国的实际状况，在加大政策和宣传的基础上，开发适合我国国情的危险废物衍生燃料（HWF）的制备技术，在利用热值的同时降低危险废物污染物的排放，逐步使我国危险废物协同处置走上产业化道路。

[1]汪澜，徐迅，刘姚君，魏丽颖.我国利用水泥窑协同处置危险废物和城市生活垃圾现状[C].中国水泥协会环保和资源综合利用专业委员会成立大会会议文集,2011.

[2]颜碧兰，汪澜，魏丽颖，刘姚君.我国水泥窑协同处置废物技术规范研究进展[J].中国水泥,2012,(1):45-47.

[3]Lechtenberg,D.,Alternative Fuels and Raw Materials Handbook for the Cement and Lime Industry[M].2012.Verlag Bau+Technik GmbH.

[4]Canada,C.A.O.,2010 Canadian Cement Industry Sustainbility Report[R].2010.

[5]Thomanetz,E.,Solid recovered fuels in the cement industry with special respect to hazardous waste[J].Waste Management&Research,2012.30(4):404～412.

[6]陈盛建，高宏亮，余以雄，陈吉春，垃圾衍生燃料(RDF)的制备及应用[J].节能与环保,2004，(4)：27～19.

[7]史震天，李润东，刘耀鑫，孙明明，冯磊，魏砾宏.生活垃圾源头分类制取RDF技术分析[J].环境保护与循环经济,2008，(3)：27-30.

[8]刘刚.典型危险废物回转窑热处置特性和技术研究[D].杭州：浙江大学,2006.

[9]王晓峰.危险废物理化特性分析及其对废物焚烧的影响[D].上海：同济大学，2006.

[10]王良均.废水处理，吴孟周，石油化工废水处理设计手册[K].北京：中国石化出版社,1996.■